Проявление упругих и упругопластических свойств горных пород при процессах разработки нефтяных месторождений

Деформация горных пород - изменение относительного положения частиц пород, вызывающее изменение размеров, объема, формы отдельных частей или участков массивов горн, пород.

Деформации горных пород при действии растягивающих напряжений особенно характерны для верховых зон оползающих откосов, а также для толщ горных пород, оседающих над выработанным пространством при подземной выемке полезного ископаемого по системам с полным обрушением кровли

Характер деформации горной породы (деформация пластическая или разрывная) зависит от физических свойств породы и от скорости деформирования.

Что определяет деформации горных пород. На процесс деформации горных пород в связи - о спецификой их строения особое влияние оказывают молекулярные связи по границам зерен. Границы зерен в горных породах в отличие от металлов характеризуются значительно меньшими силами связи по сравнению с силами связи внутри зерен. Часто межзерновые связи экранируются прослойками менее прочного цементирующего вещества.

Экспериментальное изучение деформаций горных пород проводится в области упругих деформаций зернистых сред, когда напряжение в скелете породы не превышает предела прочности механических связей между частицами. Образец породы нагружается в условиях одноосного сжатия от минимальной до максимальной нагрузки, а затем разгружается при тех же величинах нагрузки с регистрацией абсолютных величин изменения размеров образца. Это позволяет сохранить структуру порового пространства образца и использовать тот же образец для определения фильтрационных свойств продуктивного пласта после установления на нем осей главных напряжений - максимальных и минимальных.

Механические характеристики и деформации горных пород во многих случаях оказывают значительное, а иногда и определяющее влияние на разработку нефтяных и газовых месторождений.

Наиболее заметно это влияние проявляется при высоких депрессиях, пластовых давлениях и температурах. В таких пластах значительная часть горного давления уравновешивается давлением пластового флюида и порода оказывается недоуплотненной, что подтверждается многочисленными промысловыми данными, согласно которым скорость бурения резко возрастает при прохождении пластов с АВПД.

Отбор нефти или газа из этих скважин обычно связан с созданием больших, до 10 - 30 МПа, депрессий, в результате которых давление горных пород передается на скелет пласта и приводит к появлению упругих, упругопластических, вязкоупругопластических деформаций и даже к разрушению структуры порового пространства. Указанные явления обусловливают резкое и часто необратимое ухудшение коллекторских свойств; пласта, вызывающее снижение показателей разработки.

В тех областях деформации горных пород, где превзойден предел прочности, породы могут либо деформироваться пластически, либо хрупко разрушаться, либо непрерывно течь.

Изменение напряжений и деформаций горных пород во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью.

Для объяснения особенностей деформации горных пород в природных условиях наряду с традиционными схемами применяют модель наследственной среды. Эта модель позволяет рассматривать упругие и вязкостные свойства на основе представлений Больцмана о суперпозиции деформаций, испытанных средой в различные моменты времени.

Современное учение о деформациях горных пород исходит из следующих положений:

1) между деформацией с разрывом сплошности и пластической деформацией (без видимого разрыва) нет резкой грани;

2) горные породы обычно неоднородны, вследствие чего отдельные системы трещин имеют различную ориентировку;

3) между мельчайшими текстурными особенностями пород и крупными тектоническими элементами имеется тесная связь.

В процессе эксплуатации месторождения весьма важно знать также и прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пластов), широко применяемых в нефтепромысловом деле для увеличения притока нефти.

При рассмотрении физических свойств горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

Горные породы условно разделяются на твердые, пластичные, сыпучие и т. д. Однако, хрупкость или пластичность не является их постоянным свойством. Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хрупкие и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются. Разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают значительные пластические свойства. Правда, горные породы, как правило, ограниченно пластичны. В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песчаник, глинистый сланец и другие, не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что часто и на меньших глубинах происходят деформации этих пород, похожие на пластические.