6.1. Существующие представления о влиянии изменений порового давления

  В результате снижения пластового давления и сохранения без изменений горного давления вышележащих пород будет происходить перераспределение напряжений. Ту часть нагрузки, которую принимал на себя содержащийся в порах горных пород флюид (газ, вода, нефть и т.д.), будет воспринимать уже скелет породы, ее твердая матрица.
В связи с тем, что существующие методы исследования скважин не позволяют напрямую исследовать деформационные процессы, происходящие в пласте, то было предпринято физическое моделирование этих процессов в лабораторных условиях.
Разнообразие режимов разработки месторождений, то есть отбора из пласта порового флюида, можно свести в первом приближении к двум вариантам физического моделирования. Первый — это снижение порового давления внутри образцов с различной скоростью. Второй вариант моделирования — это увеличение всестороннего сжатия при сохранении величины порового давления неизменной, был рассмотрен выше. В обоих случаях при этом происходит рост эффективного напряжения:
(6.1)
где аг — геостатическое или всестороннее давление, величина которого определяется мощностью и плотностью вышележащих горных пород; п — коэффициент разгрузки, зависящий от свойств скелета породы и слагающих ее минералов.
Возможные изменения коэффициента п заключены в пределах от 0 до 1, причем для высокопористых песчаных коллекторов п = 1, а среднее значение можно принять п = 0,85 [Добрынин, 1970]. Отметим и то, что, рассматривая динамику изменений физикомеханических свойств пород во времени, а не в пространстве, зна-

чение этого коэффициента не будет изменяться. Следовательно, на динамику изменений во времени эффективного напряжения влияние будут оказывать только вариации пластового давления, так как геостатичеекое давление в этом случае остается неизменным.
Представление об эффективном напряжении, действующем на скелет породы, было введено в 1925 г. К.Терцаги [Terzachi, Peck, 1967]. В работе [Brandt, 1955] предполагается, что физические свойства пород, в частности скорость распространения упругих продольных волн, зависят не от дифференциального давления ЛшФ = Рве_ Рпор? а от эффективного Рэф (обычно давление обозначается или Р, или а ). Однако в работе [Hicks, Berri, 1956] отмечается, что скорости упругих продольных волн зависят от дифференциального давления, то есть коэффициент п равен приблизительно единице и не зависит от давления. Аналогично в работе [Wyllie et al., 1962] указано, что изменение порового давления при постоянном внешнем давлении влияет на скорость распространения упругих волн так же, как изменение внешнего давления при постоянном поровом давлении и, следовательно, п = 1.
В то же время J. Geertsma (1957), изучая изменение объема породы под действием эффективного давления, высказал предположение о зависимости коэффициента п от объемной сжимаемости скелета породы рск и сжимаемости твердой фазы рте:
(6.2)
Позднее I. Fatt (1958) подтвердил экспериментально, что
(6.3)
где V — объем образца; Т— температура.
При этом было установлено, что повышение внутреннего давления при неизменном внешнем давлении увеличивает объем, наблюдающийся при изменении внешнего давления при постоянном внутреннем давлении только на %, то есть п = 0,75.
В.Н. Щелкачев в своей работе (1959) не отметил существенных изменений коэффициента п от давления, но для определения эффективного давления использовал среднее значение п = 0,85.

Экспериментальные измерения [Авчян и др., 1975; 1968] скоростей упругих продольных волн, удельного электрического сопротивления и объема пор различных пород показали, что этот коэффициент п зависит не только от состава и структуры породы, но и от измеряемого параметра.
Как отмечали А.Н. Ставрогин и А.Г. Протосеня (1985; 1992), а также ряд других исследователей, существует практическое совпадение хода кривых изменения деформации образцов при росте нагрузки, для которых эффективное давление одинаково.
Согласно работам [Щелкачев, 1959; Brandt, 1955; Carpenter Ch., Spenser, 1940 и др.] безразмерный коэффициент п указывает на различие изменений объема скелета породы, вызванных всесторонним и поровым давлением.
Как известно, рост порового давления приводит к снижению дифференциального давления на породу, что в свою очередь приводит к увеличению объема скелета породы. Вместе с тем под действием повышающегося порового давления происходит сокращение объема минеральных частиц, составляющих твердую фазу породы, а следовательно, и уменьшение объема скелета породы. В связи с этим значение коэффициента п будет незначительно и сложным образом зависеть от структуры и состава пород, и можно принять его в первом приближении не зависящим от давления в диапазоне исследований и равным единице.
Все это позволяет использовать оба варианта физического моделирования процесса разработки месторождений: как путем изменения порового давления, так и путем изменения всестороннего давления образцов горных пород.
Процесс разработки месторождений углеводородов кроме непосредственного деформирования при снижении пластового давления сопровождается и деформированием пород релаксационного характера.
Основными фильтрационно-емкостными характеристиками пород, определяющими возможности добычи газа, являются их пористость и проницаемость. Они тесно зависят от величины объемной деформации породы [Павлова 1975; Рыжов, 1990; Рыжов, Савченко, 1994; Перепеличенко, Дербенев, Тан Цин Ю, 2004], которая зависит от времени. Поэтому были использованы данные о деформировании образцов в процессе длительных экспериментов.

Учитывая, что увеличение напряжений на глубинах нескольких километров вызывает деформацию порового пространства, заполненного флюидом, а минеральный скелет породы остается практически несжимаемым, то можно полагать, что временной ход деформаций будет достаточно хорошо отражать изменения пористости образцов пород.
Первый вариант моделирования режима разработки месторождений был реализован с использованием образцов широко распространенной осадочной горной породы — известняка.
Образцы изготавливались в виде цилиндров диаметром 30 мм и высотой 60—90 мм. Они предварительно насыщались дистиллированной водой при воздействии вакуума до тех пор, пока их масса не оставалась постоянной. Затем образцы помещались в твердотельную камеру высокого давления, позволяющую создавать квазивсестороннее сжатие образца с помощью установки моделирования геологических процессов (УМГПМ), подробно рассмотренной в работе [Жуков, Каррыев, Сердюков, Емельянов, 1992].
Установка УМГПМ позволяла создавать длительное (десятки и сотни суток), постоянное (с точностью до 5 %) нагружение и перовое давление образца. Деформация образца рассчитывалась на основе известных размеров образца и регистрируемого перемещения стального пуансона, передающего нагрузку на образец.
Нагрузка на образец увеличивалась ступенями с одновременной регистрацией усилия, прикладываемого к образцу, его деформации и порового давления. Исходя из того, что при росте всестороннего давления происходит сжатие только порового пространства, а скелет породы практически не сжимается, были рассчитаны изменения коэффициента пористости по данным деформации образца (рис. 6.1). Пористость образца при атмосферном давлении была принята за 100 %. Зависимость изменения коэффициента пористости от эффективного напряжения можно аппроксимировать (R2 = 0,99) линейным уравнением вида
(6.4)
где— относительное изменение текущего коэффициента пористости (в % от Л"п );— коэффициент пористости при атмосферных
условиях; А — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств образца; ст*}, — эффективное напряжение, МПа.
162






После достижения всестороннего давления 100—110 МПа, отвечающего пластовым условиям на глубинах 3-5 км, образцы выдерживались в этих условиях длительное время (сотни часов) до стабилизации процессов в них (рис. 6.2). В течение всего эксперимента проводили измерения деформации образца с помощью индикаторов часового типа с точностью 0,001 мм, поровое давление определялось по манометру с точностью не хуже 0,4 %, приложенное напряжение измерялось с точностью 1 МПа.              жженное
Процессы стабилизации состояния образца продолжались до- вольно длительное время. Деформация образца, находящегося в этих условиях, хорошо описывается (Я2 = 0,88) логарифмической
(6.5)
где е, деформация образца в момент времени /; t — время прошедшее с момента завершения изменений давлений, ч; А — коэффициент, зависящий от реологических свойств материала образца (в нашем случае А = 0,0875): В - значение текущей деформации образца на момент времени / = 1 ч.              н ц

свободное неуправляемое фонтанирование флюида. Физической моделью этого процесса в первом приближении может служить резкое (в течение нескольких секунд или минут) снижение порового давления в образце (рис. 6.3).
Результаты проведенных такого рода экспериментов [Жуков 2002; Жуков, Кузьмин, 1996] показывают (рис. 6.3, 6.4), что при этом деформация образца сначала резко увеличивается: происходит резкое уменьшение размера образца в направлении оси приложения нагрузки амплитудой до 0,3—0,4 %. Длительность этой стадии деформирования образца сопоставима со временем снижения порового давления. Затем наступает стадия затухающего деформирования. Амплитуда деформации на этой стадии достигает 0,4              0,5 %
продолжительность ее 3—5 сут.
После относительной стабилизации процессов в образце вновь продолжается медленное деформирование (см. рис. 6.4), подобное тому, что наблюдается во время приложения постоянной нагрузки, то есть стадии установившейся ползучести. Оценка коэффициента сжимаемости образца, то есть величины деформации образца при снижении порового давления на 1 МПа, дает значение (1 -4gt;10“5.



Эта эмпирическая формула применима, естественно, только для расчета деформаций после окончания изменений пластового давления, а деформации, возникающие в процессе роста или снижения пластового давления (изменений эффективного давления), по формуле (6.5) рассчитывать не имеет смысла, так как они будут заведомо занижены. 
<< | >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме 6.1. Существующие представления о влиянии изменений порового давления:

  1. Убедитесь в том, что существующее в вашей компании представление об окружающем мире соответствует действительности
  2. ГЛАВА ПЕРВАЯ ВЛИЯНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ФОРМЫ ЦИВИЛИЗАЦИИ, ВОЙН И ПЕРЕСЕЛЕНИЙ В ГОРОДА
  3. Изменение ложных представлений о гендере
  4. 2. Изменения влияния происхождения
  5. 3.2.5. Влияние изменения предложения на степень коммерческого риска
  6. 3.2.2. Влияние факторов рыночного равновесия на изменение коммерческого риска
  7. Статистические методы анализа влияния отдельных факторов на изменение себестоимости продукции
  8. 1.3. Типовые изменения баланса под влиянием хозяйственных операций
  9. Статья 320. Право апелляционного обжалования Статья 321. Срок подачи апелляционных жалобы, представления Статья 322. Содержание апелляционных жалобы, представления Статья 323. Оставление апелляционных жалобы, представления без движения Статья 324. Возвращение апелляционных жалобы, представления Статья 325. Действия мирового судьи после получения апелляционных жалобы, представления Статья 326. Отказ от апелляционной жалобы или отзыв апелляционного представления
  10. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ. ЭМОЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ТОМ, ЧЕГО Я НЕ ВИДЕЛА
  11. 9.2. Влияние изменений издержек или спроса на монопольную цену
  12. 3.2. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ РЫНОЧНОГО РАВНОВЕСИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ РИСКА
  13. 3.2.4. Влияние изменения спроса на уровень коммерческого риска
  14. Глава 6. ИЗМЕНЕНИЯ В БИОСФЕРЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
  15. Раздел 4. СОЦИАЛЬНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ, НАПРАВЛЕННАЯ НА ПОДДЕРЖАНИЕ ИЛИ ИЗМЕНЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕГО СОЦИАЛЬНОГО ПОРЯДКА (ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ВТОРОГО ТИПА)
  16. Статья 379. Утратила силу. - Федеральный закон от 04.12.2007 N 330-ФЗ. Статья 379.1. Возвращение надзорной жалобы или представления прокурора без рассмотрения по существу Статья 380. Утратила силу. - Федеральный закон от 04.12.2007 N 330-ФЗ. Статья 380.1. Действия суда надзорной инстанции после поступления надзорной жалобы или представления прокурора
  17. 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИНАНСОВЫХ РЫНКОВ Влияние политических и экономических событий, а также изменения экономических показателей на цены валютного рынка
  18. ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ