Влияние изменения напряженного состояния породы в процессе разработки месторождения на коллекторские свойства

Породы-коллекторы находятся в сложном напряженном состоянии. Они воспринимают вес вышележащей толщи горных пород и испытывают всестороннее сжатие.

Для того чтобы лучше представить себе характер напряженного состояния породы-коллектора, рассмотрим простейшую схему. Предположим, что порода-коллектор представляет собой объемную решетку, скелет которой состоит из вертикальных столбиков. Сверху и снизу она изолирована практически непроницаемыми породами. Над верхней непроницаемой покрышкой расположена толща проницаемых и непроницаемых пород, насыщенных разными жидкостями. Выделим вертикальный элемент пород с площадью поперечного сечения в одну единицу. Если бы поры коллектора были заполнены газом и имели сообщение с атмосферой, вес всей толщи пород воспринимался бы только столбиками скелета и, следовательно, напряжение сжатия в них было равно:

где Gп — вес толщи пород в выделенном вертикальном элементе, залегающих выше рассматриваемой породы-коллектора. Обычно формулу (1.13) записывают в виде

где ртп — средняя удельная объемная масса вышележащих горных пород; z — глубина залегания рассматриваемой породы-коллектора.

Давление рг, обусловленное весом вышележащих горных пород и численно равное oz, обычно называют горным давлением.

В действительности поры коллектора насыщены жидкостью под пластовым давлением рпл. Поэтому вес вышележащих пород воспринимается не только столбиками скелета коллектора, но и пластовой жидкостью. Из условия равновесия сил в выделенном вертикальном элементе

следует, что действительное, или эффективное, напряжение в столбике скелета будет

Из сравнения формул (1.13) и (1.16) видно, что эффективное напряжение в скелете коллектора меньше горного давления и разность тем больше, чем выше пластовое давление и пористость коллектора.

Под влиянием напряжений оэф выделенный элемент породы стремится расшириться в горизонтальном направлении. Если принять, что порода упруга, относительная деформация ее, согласно обобщенному закону Гука, должна составить

где Eп — модуль упругости породы; uп — коэффициент Пуассона; оz, or и аt — осевое, радиальное и тангенциальное напряжения выделенного элемента породы.

Горизонтальная деформация расширения породы под влиянием веса вышележащих пород невозможна, так как этому препятствует сопротивление соседних элементов. Положив oz = oэф, a еt = er = 0, из формулы (1.16) получим

где x — коэффициент бокового распора

Для горных пород коэффициент Пуассона колеблется примерно от 0,15 до 0,5; наибольшее значение его характерно для некоторых хемогенных пород (например, бишофит); он возрастает с увеличением температуры. Для пород-коллекторов он меняется от 0,15—0,2 для песчаников до 0,25—0,3 для карбонатов. Коэффициент бокового распора может изменяться для пород-коллекторов в диапазоне от 0,15 до 0,4, в основном.

В процессе разработки месторождения пластовое давление в продуктивном объекте не остается постоянным. В газовой залежи пластовое давление по мере отбора газа уменьшается и иногда довольно быстро. В нефтяной залежи оно может либо уменьшаться по мере отбора нефти, если не проводятся мероприятия по поддержанию пластового давления или если темп отбора из пласта больше темпа нагнетания в него жидкости, либо иногда увеличиваться, если интенсивность закачки жидкости больше темпа отбора.

Изменение пластового давления, как видно из формулы (1.15), ведет к перераспределению напряжений в коллекторе. Если пластовое давление уменьшается, эффективные напряжения сжатия в скелете возрастают. В результате происходит деформация сжатия скелета; пористость и проницаемость коллектора при этом уменьшаются. При сильном снижении пластового давления и соответствующем увеличении эффективных напряжений может быть нарушена целостность скелета, в нем появятся трещины. Такие трещины могут явиться каналами, по которым при разбуривании продуктивного пласта будет поглощаться промывочная жидкость.

При увеличении пластового давления путем закачки жидкости эффективные напряжения в скелете уменьшаются, а проницаемость несколько возрастает. При повышении давления выше горного возможно расслоение породы с образованием трещин в направлении слоистости или сланцеватости.

Приведенные здесь формулы позволяют лишь качественно охарактеризовать напряженное состояние в массиве коллектора. Действительный характер распределения напряжений более сложный, так как и структура порового пространства гораздо более сложна, да и не все факторы, влияющие на напряженное состояние породы, нами были учтены.

Упругие деформации скелета и зерен коллектора являются обратимыми. Если же изменение эффективных напряжений сопровождается перегруппировкой зерен, скольжением их по поверхностям контакта, разрушением зерен или цемента, такие деформации необратимы: после восстановления первоначальной величины эффективных напряжений деформация полностью не исчезает, а первоначальные пористость и проницаемость не восстанавливаются.

Коэффициент сжимаемости пор, т. е. отношение величины уменьшения объема пор при увеличении эффективного напряжения скелета на 1 Па к первоначальному объему пор, зависит от величины горного давления. Так, в случае песчаников, сцементированных глинистым цементом, он, по данным В.М. Добрынина, уменьшается от 1,15*10в-9 Па-1 при оэф = 8 МПа до 0,35*10в-9 Па-1 при оэф = 64 МПа, а сцементированных глинистокарбонатным цементом — от 2,75*10в-9 до 0,32*10в-9 Па-1. В случае же трещиноватых карбонатных коллекторов некоторых месторождений Северного Кавказа он колеблется, по данным СевКавНИПИнефть, от 0,4*10в-8 до 2,15*10в-8 Па-1.

На глубине 1500—2000 м коэффициент проницаемости песчано-глинистых пород только за счет упругого деформирования может уменьшиться на 10—40% по сравнению с величиной, измеренной при атмосферных условиях. Влияние изменения эффективных напряжений скелета, вызванного уменьшением пластового давления, на коллекторские свойства продуктивных пластов полезно учитывать при проектировании конструкций скважин, а также операций по опробованию и освоению.