Напряжения в призабойной зоне пласта

При разработке залежи на режиме истощения по мере выработки из пласта промышленных запасов и падения пластового давления призабойное напряжение увеличивается. Рост его вызывает сокращение в призабойной зоне объема порового пространства и уменьшение ширины трещин, служащих каналами связи пласта с эксплуатационным забоем, в связи с чем отмечается снижение дебитов скважин.

Из приведенных приме

ров следует, что по мере разработки пласта, когда убыль пластовой энергии не восстанавливается, призабойное напряжение в процессе разработки залежи вследствие перераспределения напряжения в каркасе пласта и давления в насыщающей его жидкости непрерывно растет.

Рассмотрим еще один случай проявления динамики призабойного напряжения. Если скважина имеет конструкцию с зацементированной обсадной колонной в пределах эксплуатационного забоя, то вследствие релаксации напряжения глинистых пород давление на цементное кольцо и обсадные трубы продолжает расти.

Поэтому процесс «разгрузки» глинистых пород продолжается и после цементирования колонны. Очевидно, этот процесс может быть очень длительным. Обусловлен он тем, что два разных по своему физико-механическому характеру, но взаимодействующих между собой процесса, следуя навстречу один другому, за определенное время выравниваются.

Но так как после цементирования колонны глина уже вытекать не может, то охваченная «разгрузкой» область больше не расширяется (если, конечно, в процессах возбуждения притоков вследствие сплошной перфорации глина не извлекается вместе с жидкостью из прослоев, чередующихся с песчаником). Хотя в этой неизменной области вследствие релаксации напряжения рост давления на цементное кольцо и обсадную колонну, как сказано выше пока еще продолжается.

Давление на обсадные трубы и цементное кольцо достигает своего предельного значения и окончательно выравнивается лишь за период, когда закончится релаксация породы. В связи с этим нужно отметить одну из важных особенностей призабойного напряжения, которое подобно забойному давлению за время эксплуатации скважин не стабилизируется, а претерпевает непрерывные изменения.

По-видимому, именно по этой причине обнаруживается в пределах эксплуатационного забоя некоторых скважин повреждение колонны в случаях работы их на умеренных режимах или даже когда они находятся в простое.

Скважина представляет собой вертикальную цилиндрическую выработку кругового поперечного сечения. Поэтому распределение напряжений и перемещение в породе вокруг ствола и на ее контуре подобно задачам, решаемым для шахт, тоже могут быть определены при помощи методов теории упругости.

При этом следует учитывать отличительные особенности скважин - наличие технологически необходимого при бурении скважин внутреннего давления, создаваемого у забоя столбом промывочной жидкости, а также существующее в пласте соотношение между напряжением в горной породе и пластовым давлением.

Напряженное состояние пород, составляющих разрез, симметрично относительно оси скважины. Все перемещения, возникающие в породе при вскрытии пласта, а также движение жидкости при ‘разработке залежи происходят только в радиальном направлении.

Многие породы - доломиты, известняки, песчаники, не содержащие заметных количеств глинистых материалов, достаточно прочны. Отсюда допустимо предположение, что в окрестностях эксплуатационного забоя и на контуре выработки (скважины) в связи с обнажением разреза в массиве продуктивных пород возникают главным образом упругие деформации.

Примем также, что приток из пласта отсутствует или что разность давлений между пластом и забоем пренебрежимо мала (вывод формул с учетом давлений от фильтрационного потока приведен в работе).

Допустим далее, что породы, перекрывающие или подстилающие продуктивный пласт, пластически не деформируются, т.е. являются жесткими (в действительности этого, конечно, нет). Последнее позволяет считать, что смещения породы по вертикали не происходит вовсе или же величина смещения настолько мала, что пренебрежение ею в расчетах не вызывает существенной погрешности.

Сделанные допущения позволяют рассматривать окружающий скважину массив горных пород как толстостенную трубу с внешним радиусом, равным бесконечности, и, введя полярные координаты, описать напряжения в окрестности эксплуатационного забоя формулами Ляме.

3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ В МАССИВЕ

Горные породы, налегая друг на друга, находятся в определенном напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород (рис. 2).

Рис. 2

Породы, залегающие в недрах Земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловлено весом пород, тектоническими силами, пластов давлением и термическими напряжениями, возникающими под влиянием тепла земных недр. В результате воздействия на породу комплекса упомянутых сил элемент породы, выделенный из массива, может находиться в общем случае в условиях сложного напряженного состояния, характеризующегося тем, что на него действуют как нормальные, так и касательные напряжения.

Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. Нормальные составляющие напряжений вызывают деформации сжатия элемента или растяжения, а касательные напряжения - деформации сдвига граней.

Мерами деформируемого состояния являются следующие параметры: Е –модуль Юнга, n- коэффициент Пуассона; G– модуль сдвига; b-модуль объёмной упругости.

Для большинства горных пород модуль Юнга изменяется в пределах от 109 до 1011 Па, а коэффициент Пуассона от 0 до 0,5.

Единой теории, описывающей напряженное состояние горных пород, нет по причине чрезвычайной сложности процесса из-за влияния на него множества геологических, физических и тепловых факторов. При этом результаты относятся лишь к частным конкретным геологическим условиям.

До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от действия массы вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находят в условиях равновесия.

Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения По вертикали

где sz - вертикальная составляющая напряжений; r - плотность породы; g - yскорение свободного падения; Н - глубина залегания пласта. По горизонтали (в простейшем случае)

,

где n - коэффициент бокового распора.

Значение n для пластичных и жидких пород типа плывунов равно единице (тогда напряжения определятся гидростатическим законом), а для плотных и крепких пор в нормальных условиях, не осложненных тектонически, выражается во многих случаях долями единицы.

Т.к. коэффициент бокового распора, то 0 <п< 0,5.

 Скачать реферат