Пористость пласта и его коллекторские свойства исследуются только в отдельных точках пласта, вскрытых скважинами. Между тем пласт характеризуется неоднородностью в связи с различием условий осадконакопления по времени и площади, различным воздействием напряжений, температур, растворов, неоднородностью минералогического состава по вертикали и горизонтам. Изменения физических свойств коллектора носят элемент случайности. В связи с этим, для характеристики различных коллекторских свойств пласта, измеренных в отдельных его точках, применяют аппарат математической статистики, теории вероятностей, теории случайных функций. В этом случае удается построить статистическую модель фильтрационного поля неоднородной пористой среды.

Применение геофизических методов изучения коллекторских свойств пласта, позволяет (по сравнению с исследованием керна) увеличить объем породы, подверженной исследованию. Это увеличивает надежность опреде­ления параметров пласта, позволяет исключить ошибки за счет влияния микро неоднородностей.

Одним из методов изучения коллекторских свойств пород является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Ядра водорода являются микро магнитиками. Они обладают магнитным моментом. Если такое вещество поместить в сильное искусственно поляризующее магнитное поле, то все ядра водорода приобретут определенную ориентировку под действием напряженности магнитного поля. После выключения поляризующего поля микро магнитики (ядра водорода) будут в магнитном поле Земли процессировать, вращаться подобно волчку, вокруг линий направления напряженности магнитного поля Земли с определенной частотой. Интенсивность процессии ядер водорода можно измерять. Она будет пропорциональна количеству процессирующих ядер. Связанная и адсорбированная вода практически не подвержена эффекту ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это дает возможность с помощью ЯМР определять находящуюся в горной породе свободную воду или нефть. Объем свободных флюидов определяется объемом пористого пространства, т.е. коллекторскими свойствами пласта.

Другими методами определения пористости являются методы, основанные на зависимости удельного электрического сопротивления пород при их насыщении водой с известным удельным сопротивлением, от количества воды, заполняющей пористое пространство. Это методы бокового каротажного зондирования (БКЗ), бокового каротажа (БК), микрозондирования.

Применяются исследования зависимости скорости распространения упругих волн от пористости пластов, метод акустического каротажа (АК).

Широкое применение нашел комплекс методов радиоактивного каротажа: нейтронный гамма каротаж (НГК), нейтрон- нейтронный каротаж по тепловым и надтепловым нейтронам (ННК_т , ННК_нт ). Нейтронные свойства пород зависят от суммарного водосодержания.

При изучении коллекторских свойств горных пород следует иметь в виду, что при извлечении на поверхность Земли кернового материала пористость и проницаемость пород может увеличиться до 2 – 50% в зависимости от литологии горной породы и в связи с изменением давления. При разработке месторождения меняется пластовое давление, что влечет за собой изменение соотношения геостатического и пластового давления, расширения твердого скелета горной породы. Отмечено изменение пористости на 2 – 6, проницаемости на 2 – 15,5 % при падении давления на 10 МПа. Наибольшие изменения наблюдаются в трещинно-кавернозных коллекторах.

Вопросы для самоконтроля к теме 1

1. Методы определения гранулометрического состава пород.

2. Определение коэффициентов полной, открытой, закрытой, эффективной и динамической пористости.

3. Абсолютная и эффективная (фазовая) проницаемость, единица

измерения.

4. Характер влияния водонасыщенности горных пород на коэффициент относительной проницаемости. Диаграмма трехфазного потока.

5. Удельная поверхность горных пород и её влияние на параметры

пористой среды.

6. Влияние трещиноватости и кавернозности на параметры

пористой среды.

7. Водо-, нефте- и газонасыщенность пород.

8. Методы исследования пористого пространства: лабораторные, геофизические, скважинные

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ

 СВОЙСТВА ПОРОД

Неустойчивость скважины развивается, когда силы горного давления или взаимодействие породы и бурового раствора создают выдавливающие, растягивающие или любые другие перемещения стенок скважины. Последствия неустойчивости скважины - прихваты бурильных труб, потери раствора, инструмента, плохие условия для каротажа и цементирования скважин.

Урон, наносимый неустойчивостью скважин по всем промыслам мира, составляет один млрд долларов ежегодно. В расчете на одну скважину – 1,5 млн долларов.

Наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на процессы, происходящие в пласте при разработке и эксплуатации месторождений – упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность. Учет этих свойств при бурении скважины может предотвратить различные возможные аварийные ситуации. С этой целью задаются оптимальные скорости бурения, подбираются необходимые плотности и состав бурового раствора, проводятся специальные технологические операции по укреплению опасно-аварийного отрезка бурящегося ствола скважины.

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД

Напряженное состояние, зависящее от глубины залегания и характера самих пород, уравновешивает вес вышележащей толщи. Поле напряжения можно рассчитать:

 по вертикали  б_z = ρ g H,

по горизонтали б_y  = б_x  = n ρ g H,

 где  б_z, б_y,  б_x  - вертикальные и горизонтальные составляющие напряжений, ρ – плотность пород, g - ускорение силы тяжести, Н – глубина залегания пласта, n – коэффициент бокового распора.

Коэффициент бокового распора, для пластичных и жидких пород, равен единице, а для плотных и крепких – доли единицы. В верхней зоне земной коры соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими напряжений находится в пределах σ_х=0,43σ_z. На значительных глубинах происходит выравнивание напряжений, так как за длительное геологическое время породы испытывают пластические деформации. Однако тектонические процессы могут вызвать значительные горизонтальные напряжения, превышающие вертикальные в 2-3 раза.

Напряжения в плотной и пористой породе под действием одних и тех же сил будут различны. На площади занятой порами напряжения не возникают. Они концентрируются только в области контакта минеральных зерен. С увеличением пористости, трещиноватости, кавернозности напряжения в породе возрастают.

В любом кубике горной породы можно выделить девять компонент напряжения – на каждой грани кубика два касательных и одно нормальное. Напряжения в породах могут возникнуть не только под действием внешних сил, но и под действием физических полей: термического, электрического, усадочные, остаточные и др.

Бурение скважин приводит к изменению естественного поля напряжений пород. В горном массиве возникает сложное поле напряжений. Вдали от скважины породы всесторонне сжаты, а при приближении к скважине они находятся в условиях одноосного сжатия. В результате этого пластичные породы частично выдавливаются в скважину. Наиболее сложным является интервал прохождения глинистых пород. Возникающая при бурении релаксация механических напряжений ведет к осыпям, обвалам, ползучести пород. Уменьшение размера частиц глин ведет к значительному изменению энергетических характеристик их поверхности, увеличивает их способность к образованию адсорбционных слоев.

 Аномальная зона, возникающая при бурении, в несколько раз превосходит размер горной выработки, поэтому для скважины она относительно невелика, но оказывает существенное влияние на техническое состояние ствола скважины и фильтрационные свойства. На стенки скважины окружные сжимающие напряжения могут достигать двойного горного давления, что может вызвать разрушение пород призабойной зоны под действием тангенциальных напряжений и значительно ухудшить фильтрационные свойства пород в зоне скважины. В связи с этим окончание бурения скважины и переход к стадии испытания пласта требует повышенного внимания и применения специальных технологических мероприятий.

ДЕФОРМАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Деформация горных пород зависит от продолжительности и величины напряжения вызванного нагрузкой.

При медленном нагружении деформация отклоняется от закона Гука прямой пропорциональности. При длительном действии нагрузки горная порода обнаруживает ползучесть и деформируется.

При быстрых нагрузках, 10 – 15 % от разрушающих, не возникает остаточной деформации у большей части пород. Твердые горные породы сохраняют упругие свойства и при напряжениях, составляющих 70 – 75 % от разрушающих.

Горные породы условно разделяются на твердые, пластичные, сыпучие. Однако эти свойства зависят от условий приложения нагрузки. Так при растяжении, изгибе, одноосном сжатии пластические свойства пород почти не проявляются. Но при всестороннем сжатии многие хрупкие породы приобретают пластические свойства. Длительность воздействия нагрузки так же способствует проявлению пластических деформаций. Часто наблюдаются псевдопластические деформации в результате возникновения многочисленных микротрещин и скольжения породы по их плоскостям.

При увеличении напряжений будут наблюдаться три области деформаций: упругие, пластические, разрушительные.

Прочность пород на растяжение меньше, чем на сжатие. В условиях всестороннего сжатия прочность пород увеличивается в 10-20 раз. За пределами упругости тело начинает пластически течь.

Высокопрочные но хрупкие породы значительно легче поддаются динамическому разрушению. Наличие кварцевых зерен и полевого шпата в породе уменьшают её пластичность. Пластические деформации у известняков и алевролитов появляются при всестороннем давлении 500 атм, ангидритов – 1000, песчаников – 4000 атм.

Увлажнение пород понижает их прочность. Вода проникает в самые мелкие трещины. Они не могут сомкнуться, и количество раскрытых трещин возрастает. Поверхностно-активные вещества в воде увеличивают её подвижность, а значит, снижается прочность пород.

Глинистые породы, поглощая воду, увеличивают свой объем в 1,5-2 раза. Это свойство носит название набухания. Вода проникает между пакетами кристаллических решеток глинистых минералов и раздвигает их. Прочность глинистых пород изменяется во времени от начальной в данных условиях до увлажненной породы, также как и изменяется физико-химическое и механическое состояние. Для предупреждения негативных явлений в буровые растворы вводят электролит, приготавливают его на углеводородной основе, применяют известково-битумный раствор.

Горным породам присуща анизотропия механических свойств. Они различно реагируют вдоль и поперек напластования, при сжатии и растяжении.