Физико-механические свойства горных пород
Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в процессе разработки месторождений. Например, от упругих свойств горных пород и упругости пластовых жидкостей зависит перераспределение давления в пласте во время эксплуатации месторождения. Запас упругой энергии, освобождающейся при снижении давления, может быть значительным источником энергии, под действием которой происходит движение жидкости к забоям скважин. Упругость пород и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости вытесняется именно за счет расширения ее объема и уменьшения объема пор при снижении пластового давления. С другой стороны следует иметь в виду и негативные факторы, связанные со снижением пластового давления. Это в первую очередь снижение проницаемости пород, а во вторую - выделение газа из пластовых жидкостей, препятствующего их движению.
Не менее существенный эффект упругости жидкости и пористой среды заключается в том, что давление в пласте перераспределяется не мгновенно, а постепенно после всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или остановки старой скважины. Таким образом, при большой емкости пласта и высоком пластовом давлении с самого начала эксплуатации пласт будет находиться в условиях, для которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов в значительной степени определяются упругими свойствами пород и жидкостей.
В процессе эксплуатации залежи важно знать и прочностные характеристики пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин, широко применяемых для увеличения притока нефти. При рассмотрении физических свойств горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий залегания механические свойства пород могут резко изменяться.
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ
Горные породы находятся в напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород. До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от веса вышележащих пород и возникающие в породе напряжения находятся в условиях равновесия. Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения:
по вертикали
,
где 
-
вертикальная составляющая напряжений;
-
плотность породы;
-
ускорение силы тяжести;
-
глубина залегания.
По горизонтали в простейшем случае
,
где
- коэффициент бокового распора.
Величина (n) для пластичных и жидких пород типа плывунов равна единице и тогда горизонтальное напряжение определяется гидростатическим давлением, а для плотных и крепких пород в нормальных условиях, не осложненных тектонически, n составляет доли единицы.
Коэффициент бокового распора и горизонтального напряжения можно приближенно оценить следующим образом.
Выделим элементарный объем. Относительная деформация, которую это тело получило бы, например, вдоль оси x при сжатии его тремя взаимно перпендикулярными, равномерно распределенными силами, выраженными главными напряжениями (z=1; y=x=2=n1), равна
, (1)
где 
- модуль Юнга;
-
коэффициент поперечной деформации -
Пуассона, равный отношению поперечной
деформации к продольной деформации.
Если принять, что в процессе осадконакопления происходило только сжатие пород в вертикальном направлении, а в горизонтальном направлении деформаций небыло, то
(2)
, (3)
то есть коэффициент бокового распора
При достаточно больших давлениях на значительных глубинах вероятно происходит выравнивание напряжений. Если три главных взаимно перпендикулярных напряжения равны между собой, то деформация в направлении каждого из них согласно (1) равна
(4)
и коэффициент объемного сжатия равен
(5)
Величина
1/
называется модулем объемной упругости
(К).
Таким образом, зная модуль Юнга и коэффициент Пуассона, определяемые экспериментальным путем, можно найти коэффициент сжимаемости горных пород.
Другой способ оценки коэффициента сжимаемости основан на непосредственном измерении этой величины с помощью специального оборудования. Исследуемый образец породы помещают в специальный кернодержатель, создают внешнее давление равное пластовому. В результате приложения внешнего давления, превышающего внутрипоровое, объем пор будет уменьшаться, что приведет к изменению геометрических размеров образца. Величину этих изменений измеряют по перемещению толкателей, контактирующих с торцами образца.
,
где
- изменение длины образца;
- площадь сечения;
- начальный объем образца;
- изменение давления.
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В РАЙОНЕ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ
Призабойная зона скважины представляет собой область пласта, от характеристики которой зависит производительность скважины. С бурением скважины здесь изменяется начальное напряженное состояние пород, т.к. происходят возмущения в естественном поле напряжений. Вблизи стенок скважины они находятся в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (глины, глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину, увеличивая ее диаметр. Зона аномалий в естественном поле напряжений в несколько раз превосходит размеры горной выработки. В ней происходят существенные изменения условий залегания горных пород, которые могут быть причиной значительных изменений фильтрационных характеристик.
Если рассматривать призабойную зону как однородный упругий толстостенный полый цилиндр, то поиск распределения напряжений в этой зоне можно свести к решению задачи Ламе. Напряжение в толстостенном цилиндре, сечения которого образованы концентрическими окружностями, подверженном действию равномерно распределенных сил, определяется соотношениями
(6)
, (7)
где
- радиальная компонента нормального
напряжения;
-
окружное или тангенциальное нормальное
напряжение (в направлении касательной
к окружности, на которой выделен
элементарный объем dV).
-
расстояние от оси;
C1 и С2 - постоянные интегрирования, которые можно определить из граничных условий:
при r=rc; r=pз (забойному давлению);
при
r=
;
q=r=gH
(горному давлению).
