Лекции по физики нефтяного пласта

                                      1-ν 

т.е. коэффициент бокового распора 

 

 

             ν

n=                                                                                               (11.11)          

1-ν

тогда 0 <n<0,5 

 

 

  

 

Напряженное состояние  пород в районе горных выработок.

Призабойная зона скважин  в процессе вскрытия пластов и  эксплуатации скважин подвержена воздействию  глинистого раствора, воды, цемента, отложений  парафина, солей и смол заиливания и т.д. в результате чего уменьшается  приток нефти и газа. Радиальные и окружные напряжения на разных расстояниях  r от оси скважины находим по формулам.  

 

 

                 r_с²                r_c²

δr = ρgH (1 - ——) + Рз                      (11.15)               

 r²               г² 

 

δө = ρgH (1+ r_c²/r²) – Pз (r_c²/r²)           (11.16) 

 

 

δr — радиальная компонента нормального напряжения

δө - окружное или тангенциальное нормальное напряжение

r - расстояние от оси

Рз - забойное давление

Таковы напряжения вокруг выработки круглой формы в  окольных породах. В упругом и  изотропном массиве вокруг скважин  с открытым забоем с учетом коэффициента бокового распора п радиальные и тангенциальные напряжения рассчитываются по уравнениям.                    

 ν                            r_с²                       r_с²  

δr= —————— ρgH (1 - ————) + Рз ——— ;          (11.17)      

1- ν                           r²                        r² 

 

 

          

 ν                     r_с²              r_с²

δө=           ρgH (1 +       ) - Рз                 ;                                  (11.18)         

1- ν                   r²               r² 

 

при r = r_с   δr=P₃ :  δө=2ρgH-Pз                                                (11.19)

те. на стенке скважины могут  действовать окружные сжимающие  напряжения, которые при Рз=0 достигают  двойного значения горного давления.  

Из (11.18) следует,что стенки ствола будут устойчив если           

2ν 

rө= ————— ρgH < δст                                                       (11.20) 

 

 

            1-ν

где δст - предел прочности породы при двухосном сжатии. 

 

 

 

Радиус области разгрузки  горного давления вследствие пластической деформации пород определяется формулой                                 

(ρп- ρв)gН

rр=0,61 rс еxр[———————];                                            (11.21)                

                    2Кп

где pп и рв плотности пород и воды;

гс- радиус скважины;

Н-глубина скважины;

Кп - коэффициент пластичности породы. 

 

На напряженное состояние  пород и на деформацию существенно  влияют обсадные трубы, цементное кольцо, их физико-механические свойства, геометрия  перфационных каналов и депрессия  давления, возникающая при эксплуатации скважин. 

 

Вопросы для самопроверки.  

 

1. Объясните сущность  напряженного состояния горных  пород.

2. Объясните деформационное  свойство горных пород.

3. Объясните реологические  свойства горных пород.

4. Напишите уравнения  радиальных и тангенциальных  напряжений.

 

Раздел II. Физико-механические и тепловые свойства горных пород. 

 

Лекция 5.

Тема: Влияние  давления на коллекторские свойства пород. Упругие колебания в породах  и их акустические свойства.

В первом приближении упругое  изменение пористости пород. С изменением давления в интервале Pi — Р можно вычислить по формуле                                 

 m(δ-P)             (δ -P)₁                                                                               

------------   = [---------------]^pn(G-P)₁                                

 m (δ -Р)             (δ -P)

где m(δ-P) и m(δ-P)_l — коэффициенты пористости пласта при значениях эффективных  напряжений соответственно (δ-P) и (δ-P)₁

В ряде случаев изменение  пористости при действии эффективного напряжения описывается экспоненциальной зависимостью

m=m_o exp [-βп (δ- δ₀)]

где m_о — пористость при начальном эффективном напряжении δ_o;

β¹п - коэффициент сжимаемости пор βп = βс /mо

Здесь βс — коэффициент  объемной упругости породы.

При небольших значениях (β - βo) формулу можно заменить соотношением.

m = m_o [ 1 - βn (δ - δo) ] = m_о- βс (δ- δo)

Зависимость упругих изменений  проницаемости для плотных пород  от давления можно выразить соотношением

k(δ - ρ)                (δ - ρ)_{l      n}

                              ≈  [                   ]   

 k(δ - ρ)               (δ - ρ)

где k(δ - ρ), k(δ - ρ)₁ — коэффициенты проницаемости породы, находящейся под действием давлений (δ - ρ) и (δ - ρ)_l 

 

 

                (3+ α)       

 n = 2———— βn_l (δ - ρ)(δ - ρ)_l                               

(2+ α)  

 

 

 n - коэффициент бокового распора

Здесь α - коэффициент, характеризующий структуру поровых каналов. Мощные колебательные процессы возбуждаются в коллекторах нефти при взрывах атомных устройств и различных взрывчатых веществ, применяемых для воздействия на пласт с целью увеличения его нефтеотдачи.

Акустическими параметрами  породы принято называть величины, которые характеризуют их свойства передавать (распространять) упругие  колебания - скорость распространения  упругих волн, коэффициент поглощения упругих колебаний, волновое сопротивление, их способность отражать и преломлять волны.

Под влиянием вибраторов, работающих в скважине, в пласте распространяются продольные и поперечные упругие  волны. Первый вид волн характеризуется  продольным распространением в породе деформации попеременного объемного  сжатия и растяжения. Скорость продольной Unp и поперечной υ_пр  упругих волн можно определить по формулам: 

 

                         Е               (1-ν)

υ_пр ⁼   √       ———   ————————                  (11.38)

                        Р            (1+ ν)(1-2 ν)

 

 

  

 

υ_{пр =} √(G/ρ) = √ [E/(2ρ(1+ ν))]                                      (11.39) 

 

ρ - плотность пород.

Интенсивность упругой волны  по мере ее распространения в пласте уменьшается вследствие рассеивания  энергии волны в разных направлениях в зонах неоднородного строения и вследствие поглощения энергии  упругой волны породой на преодоление  сил трения частиц в процессе их деформации.

Амплитуда упругих колебаний  в зависимости от расстояния, пройденного  волной от источника излучения, затухает по экспоненциальному закону 

 

A = Ao e^-өx 

 

Где А — текущая амплитуда  колебаний;        

 Аo - начальная амплитуда колебаний;

Ө — коэффициент поглощения;

Х- расстояние от источника  излучения.

Коэффициент поглощения Ө зависит от упругих характеристик породы и частоты колебаний

ω =2πn. С ростом Ө интенсивно увеличивается 

 

 

             2          ω ²η 

 Q = ———   ——————:             

 3        υ³ρ          

 η - коэффициент внутреннего трения породы;

υ - скорость упругой волны;

ρ - плотность породы.

Произведение плотности  пород на скорость упругой волны  принято называть удельным

волновым сопротивлением Z = υρ (удельным акустическим импедансом). Это величина связана со способностью материала горных пород, отражать и преломлять упругие волны. Отражение и преломление волн при возбуждении колебательных процессов в скважинах. Наблюдаются при переходе упругой волны из жидкой среды, заполняющей скважину, в пласт и далее на границах пористых сред с различными акустическими свойствами. 

 

Коэффициентом отражения принято называть отношение  

 

 

              Эо  

 Кот = ——,              

 Эп

Где Эп и Эо соответственно энергия подающей и отраженной волн.

С увеличением разницы  в волновых сопротивлениях двух сред Z1 и Z2 возрастает и

коэффициент отражения.

Z1 - Z2     ²        

  Кот=   (——————)

Zl + Z2 

 

 

 

Вопросы для самопроверки. 

 

1. Напишите уравнения  упругого изменения пористости  пород с изменением давления  в интервале Pi - Р

2. Напишите формулу для  изменения пористости при действии  эффективного напряжения описываемых  экспоненциальным законом.

3. Объясните проявления  упругих колебаний в породах.

4. Напишите уравнений  для амплитуды упругих колебаний.

 

Раздел III. Состав и физические свойства природных газов и нефтей.

Лекция 6. 

 

Тема: Состав и  классификация нефтей и газов. Газовые  смеси. Жидкие смеси. Коэффициенты сверхсжимаемости природных газов.

Наиболее широко в нефти  представлены углеводороды трех основных классов:

метанового (или парафинового) ряда - алканы общего состава СnН_2n+2, полиметиленовые или нафтеновые углеводороды (циклоалканы) СnН_2n и ароматические. Кислород содержится в смолистых и кислых веществах нефти (нафтеновые и жирные кислоты, фенолы). Содержание нафтеновых и жирных кислот изменяется от сотых долей процента до 2%. Со щелочами они образуют соли, хорошо растворимые в воде и являющиеся повехностно-активными веществами. Содержание серы в нефти достигает 6%. Она присутствует, и в виде сероводорода, но еще в виде смолистых веществ (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и другие).

Меркаптаны (R-SH) по строению аналогичны спиртам, этиломеркаптан и высшие гомологи, метилмеркаптан СНзSH - газообразное вещество с температурой кипения 7,6° со щелочами и окислами тяжелых металлов они образуют меркаптиды. Эти вещества вызывают сильную коррозию металла.

Содержание асфальто-смолистых  веществ достигает 40%. Они представляют собой высокомолекулярные органические соединения, в состав которых входит углерод, водород, кислород, сера и азот.

Асфальтены по химическим свойствам близки к смолам и является также нейтральными веществами. Они представляют собой кислородные полициклические соединения, содержащие, кроме углерода и водорода, также серу и азот.

Состав и классификация  природных газов.

Природные газы состоят из углеводородов гомологического  ряда метана с общей формулой СnН_2n+2, а также неуглеводородных компонентов: азота (N₂), углекислого газа (СO₂), сероводорода (Н₂S),меркаптанов (RSH), редкоземельных инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона), ртути.

Метан СН₄, этан С_ЗН_б, изобутан (i - С₄Н₁₀) нормальный бутан (n = С₄Н₁₀) ,бутилены (С₄Н₈) при атмосферных условиях находятся в парообразном (газообразном) состоянии при давлениях - жидком состоянии.

Газовые смеси.

Плотность газа. Под плотностью газа или объемной массой тела понимают отношение массы тела в состоянии  покоя к его объему.             

 М

 ρ_o =               [кг/м³];                         (III.1)          

22,41

Если плотность газа задана при нормальном давлении, то пересчет ее на другое давление Р (при той  же температуре) для идеального газа проводится по формуле  

 

 

 

ρ =  ρ_oP/1,033

 

Относительная плотность  по воздуху при нормальных условиях Δо= ρ_о /1,293 

 

Состав газовой  смеси.

Газовые смеси характеризуются  массовыми или молярными концентрациями компонентов.

Для характеристики газовой  смеси надо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность в кг / м³ или относительную плотность по воздуху.

Если известен молярный состав смеси средняя молекулярная масса  

 

 

                У1М1+У2М2+ ....УnМn

Мсм = —————————————                        (III.3)                        

100

где У1 У2 ... ..Уn - молярные доли компонентов в % ,