Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Нефть и вода, находящиеся в горной породе, имеют физические характеристики, отличающиеся от приведенных в табл.1. Но если для нефти эти изменения невелики, то для воды могут достигать больших значений. Например, электропроводность свободной воды в горной породе в значительной степени зависит от концентрации ионов в ней и изменяется в широком диапазоне: от 10-3 до 103 См/м.

1.4.1 >Состояние воды в горной породе

Вода в горной породе в зависимости от температуры находится в твердом (лед), жидком и парообразном состояниях. Влияние льда на разрушение горной породы достаточно очевидно: при замерзании вода, находящаяся в трещинах горной породы, увеличивает занимаемый ею объём. Это и приводит к прорастанию трещин в горной породе, способствует её разупрочнению.

Так как при температуре 364 оС вода при любом давлении находится в парообразном состоянии, то нижняя граница распространения подземной воды располагается на глубине (10 ч 12) км. Это означает, что при бурении скважин до указанной глубины вода в жидком состоянии будет присутствовать в горной породе и оказывать воздействие на разрушение. Влияние воды на разрушение горной породы определяется в значительной степени напряженным состоянием, в котором находится горная порода, состоянием воды в ней, от взаимодействия в системе «вода – горная порода».

Состояние воды в горной породе в значительной степени определяется характером ее взаимодействия с твердой компонентой породы. По характеру этой связи воду в горной породе делят на два вида: свободную и связанную. Свободная вода представляет собой водные растворы продуктов растворения твердой компоненты горной породы. Различают гравитационную и иммобилизованную свободную воду. Гравитационная вода движется через толщу горных пород под действием силы тяжести. Иммобилизованная вода - это та же гравитационная (по своим физическим свойствам), но находится она в замкнутых, изолированных порах, ограничивающих перемещение воды.

В основе связывания воды лежат процессы физической адсорбции и капиллярной конденсации. Адсорбированная вода наиболее прочно удерживается на поверхности минералов под действием электростатических и молекулярных сил. Первый слой воды, непосредственно взаимодействующий с минералом, образует прочно связанную воду. Физические свойства этой воды резко отличаются от свойств свободной воды, приведенных в табл. 1. Второй, третий и далее слои образуют слабо связанную воду, физические свойства которой также отличаются (хотя и в меньшей степени) от свойств свободной воды. Соответственно этому и влияние воды на разрушение горной породы будет различным.

Прочно связанная и связанная воды имеют следующие особенности физических характеристик (сравнительно с характеристиками свободной воды): дипольный момент воды не изменяется, значение относительной диэлектрической проницаемости приближается к величине диэлектрической проницаемости неполярной жидкости. Поверхностное натяжение незначительно снижается, плотность возрастает до максимального значения 1,84 г/см3, вязкость резко возрастает.

Содержание водяного пара в горной породе незначительно. При понижении температуры горных пород происходит конденсация пара на поверхности минералов, слагающих горную породу. При этом в ней появляется прочно связанная, связанная и свободная вода.

Все количество воды, содержащееся в горной породе в ее естественном залегании, определяет величину естественной влажности породы. Она определяет эффективность влияния воды на разрушение горной породы: с ростом доли связанной воды в горной породе (в общем ее количестве в породе) влияние воды на разрушение снижается.

1.5 Пористость и проницаемость горных пород

Пористость – одна из важнейших структурных характеристик горных пород, характеризует величину объема пор в единице объема породы.

Пористость характеризуется двумя показателями:

• общая пористость

n = Vпор / Vобр,

где Vпор – объём пор, Vобр – объём образца,

Vобр = Vпор + Vтвч,

Vтвч– объём, занимаемый твердыми частицами в горной породе;

• коэффициент пористости

e = Vпор / Vтвч .

Величина общей пористости n и коэффициент пористости e связаны между собой соотношением

n = e / (1 + e).

Коэффициент пористости e связывает между собой объемную массу горной породы и ее плотность:

со = с(1 + e).

По величине поры горных пород разделяются на субкапиллярные (диаметр пустот не превышает величины 0.2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0.2 – 100 мкм), сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Пористость горных пород изменяется в больших пределах: (0 ч 90) %. Высокой пористостью обладают осадочные горные породы. В среднем же пористость горных пород равна (1,5 ч 30) %.

Различают пористостьактивную и пассивную.

Под активной пористостью понимают такую, через поры которой жидкость способна проникать в глубь тела (открытая пористость).

Пассивная пористость – это пористость породы, поры которой недоступны для проникновения жидкости (закрытая пористость).

На разрушение горной породы влияние оказывает и активная, и пассивная пористость, причем в процессе механического нагружения доля активной и пассивной пористости в величине общей пористости породы постоянно изменяется. Влияние пористости на разрушение горных пород в значительной степени определяется наличием или отсутствием жидкой фазы в породе.

Под проницаемостью понимают свойство горных пород пропускать сквозь себя жидкость, газы при наличии перепада давления. Когда исследуется способность воды проходить через горную породу, то говорят о водопроницаемости.

Величина пористости горных пород в значительной степени определяет их водопроницаемость. Наиболее важными факторами, влияющими на водопроницаемость, является геометрия поровых каналов (размер пор и их извилистость), величина раскрытия трещин, свойства водных растворов (вязкость, поверхностное натяжение, плотность при изменении концентрации ионов), дисперсность и минеральный состав горных пород, гидрофильность или гидрофобность поверхностей поровых каналов и трещин.

Необходимо хорошо понимать, что увеличение пористости горных пород не всегда приводит к росту их водопроницаемости. Например, пористость глинистых горных пород доходит до нескольких десятков процентов, но это не обеспечивает роста их водопроницаемости. Причину этого мы уже знаем: образование двойного электрического слоя и связывание глинистыми минералами молекул воды в поровых каналах малого диаметра.

1.6 Горная порода как многокомпонентная система

Все компоненты в горной породе находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и образуют физико-химическую систему с постоянно меняющимся по мере изменения внешних условий термодинамическим равновесием.

Различают следующие виды взаимодействия компонент горной породы друг с другом:

1) Химическое взаимодействие (растворение, гидролиз, окисление).

2) Физическое взаимодействие (ионный обмен).

 Скачать реферат