Ответ на вопрос: «Характеристика горных пород – коллекторов нефти и газа».
Механические свойства горных пород
Прочность – способность горных пород сопротивляться разрушению. Прочность на сжатие и разрыв горной породы оценивается через модуль объемного сжатия, представляющее собой сопротивление, которое оказывает данное тело всестороннему сжатию. Данные о прочности пород на сжатие и разрыв необходимы при изучении процессов разрыва пластов.
Твердость – способность горных пород сопротивляться пластическим деформациям.
Упругость – свойство горных пород сохранять свою форму и объем при снятии нагрузки.
Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей в пласте влияют на режим перераспределения давления в пласте. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород и жидкостей перераспределяется не мгновенно, а постепенно, после изменения режима работы скважины.
Упругие свойства пород и жидкостей создают запас упругой энергии в пласте, которая освобождается при уменьшении давления и служит одним из источников движения нефти по пласту к забоям скважин. При снижении пластового давления, объем жидкости будет увеличиваться, а объем порового пространства будет уменьшаться.
Считается, что основные изменения объема пор при уменьшении пластового давления происходят вследствие увеличения сжимающих условий на пласт от веса вышележащих пород. При одинаковой прочности пород интенсивность трещиноватости будет увеличиваться при уменьшении мощности пласта.
Упругие свойства горных пород описываются законом Гука:
βс = m · βп,
где βс – коэффициент объемной упругости пористой среды;
βп – коэффициент сжимаемости пор;
m – коэффициент пористости.
Изменение пористости пород (m) функционально зависит от объемной упругости пористой среды βс и наименьшего напряжения (σ0):
m = m0 · [1 — βп · (σ — σ0)] ,
где m0 – пористость при начальном эффективном напряжении; Коэффициент объемной упругости пористой среды (βс) будет влиять на коэффициент сжимаемости пор (βп) и на пористость пород:
βп = βс / m0.
Величина коэффициента объемной упругости пористой среды (βс) очень маленькая. Для нефтеносных пород она изменяется в диапазоне 0,3–2·10-10 [м2/н].
Пластичность – свойство горных пород, характерное изменение механических параметров породы при длительном нагружении, при котором порода испытывает на себе остаточные деформации.
Набухаемость – свойство горных пород увеличивать свой объем при взаимодействии с флюидами.
Тепловые свойства горных пород
Тепловые свойства горных пород характеризуются, в основном, удельной теплоёмкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности.
Удельная (массовая) теплоёмкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°С:
С = dQ / (M·dT).
Этот параметр необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт. Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.
Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Удельная теплоёмкость увеличивается при уменьшении плотности породы и растёт с увеличение температуры и влажности в пределах 0,4-2 кДж/(кг·К).
Коэффициент теплопроводности (удельного теплового сопротивления) λ характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени t при градиенте температуры dT/dx:
dQ = λ · dT/dx · S · dt
Коэффициент температуропроводности (α) характеризует скорость прогрева пород или скорость распространения изотермических границ. Коэффициенты линейного (αL) и объёмного (αV) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:
αL = LdL / dT; αV = VdV / dT,
где L и V – начальные длина и объем образца.
Взаимосвязь тепловых свойств горных пород выражается соотношением:
α = λ / (c · ρ).
Теплопроводность и температуропроводность пород очень низки по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей.
Вдоль напластования теплопроводность выше, чем поперёк напластования на 10-50%. Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости. Наибольшим значением коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы. Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.