ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 10Следующая ⇒

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняете закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рис. 6). При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца s_сж происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяете продолжительностью действия нагрузки на образец - при медленном нагружении деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности ( рис. 6, кривая с t = ∞ ). При напряжениях, меньших s_s остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t = 0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t = ∞ ).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении появляются при напряжениях s_s составляющих 10—15% разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются, разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства.

В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песчаник, глинистый сланец и др., не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трасляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и др., состоящих из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.

УПРУГИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ КОЛЛЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Важное значение в процессе разработки нефтяных месторождений имеют деформации пород, происходящие вследствие изменения пластового давления, которое может уменьшаться со временем и вновь восстанавливаться при применении методов поддержания давления в залежи.

Представим себе элемент породы (рис.7), заключенный в непроницаемую эластичную оболочку и испытывающий горное давление s , а в порах пласта, насы-щенного жидкостью, - давление р .

До начала эксплуатации залежи пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема). Тогда давление на скелет породы (эффективное давление)

. 13

При извлечении нефти на поверхность пластовое давление р падает и давление на скелет породы s_эф увеличивается. С падением пластового давления объем порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен породы и возрастания сжимающих усилий, передающихся на скелет от массы вышележащих пород, При этом зерна породы испытывают дополнительную деформацию и пористость среди уменьшается также вследствие перераспределения зерен, более плотной их упаковки и изменения структуры пористой среды.

Некоторые из упомянутых процессов, вызывающие изменения объема пор, являются обратимыми, как, например, упругое расширение зерен цемента и их деформации в сторону пустот, не занятых твердым веществом, под действием массы вышележащих пород. Другие процессы, например перегруппировка зерен, скольжение их по поверхности соприкосновения, разрушение и дробление зерен, необратимые. В результате с возрастанием пластового давления должны появиться значительные остаточные деформации, и пористость пород не восстанавливается. Последние деформации пород характерны для глубокозалегающих пластов.

Объем V внешнего скелета пористой среды складывается из объемов твердой фазы V_т и порового пространства V_п , и поэтому с изменением в породах среднего нормального напряжения s и пластового давления р происходят упругие изменения всех трех величин. Тогда объемная деформация пород при всестороннем сжатии описывается тремя коэффициентами сжимаемости: породы - b, пор - b_п, твердой фазы - b_т. Данные коэффициенты сжимаемости имеют размерность – Па^-1.

Между b, b_п, b_т существует следующая связь

Особое значение в процессах, протекающих в пластах при эксплуатации нефтяных, газовых и водоносных горизонтов, имеет коэффициент объемной упругости пласта b_с

. 15

Коэффициент сжимаемости пор b_п в значительной мер зависит от эффективного давления (сжимаемость сокращается с ростом давления). В соответствии с этим коэффициент объемной упругости b_с пород зернистых коллекторов изменяется в широких пределах: b_с = (3-30) Т 1/Па в интервале внешней давления от 0 до 100 МПа.

В связи со спецификой строения пород карбонатных трещиноватых коллекторов их сжимаемость, как правило, выше, чем у зернистых пород.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒