Напряженное состояние пород в районе горных выработок

Призабойная зона скважин представляет собой область пласта, от характеристики которой зависит их производительность. Эта область (самого узкого сечения потока) в процессе вскрытия пластов и эксплуатации скважин подвержена воздействию глинистого раствора, воды, цемента, отложений парафина, солей и смол, заиливания в т.д., в результате чего уменьшается приток нефти и газа. Поэтому свойствам пород призабойной зоны и процессам, происходящим в этой области, уделяется особое внимание. С бурением скважин изменяется начальное напряженное состояние пород, так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. Поэтому пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины частично уменьшается. При этом в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Вместе с тем в этой области существенно изменяются условия залегания горных пород, что может быть причиной значительных изменений их фильтрационных свойств.

Новое поле напряжений, образующееся вокруг выработок, зависит от их глубины, геометрии и размеров, а также от состояния и физико-механических свойств массива пород. Расчеты показывают, что на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, которые при р_з=0 достигают двойного значения горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенциальных напряжений и ухудшение фильтрационных свойств пород вследствии их сжатия под влиянием этих нагрузок.

Область аномалий напряжений, имеющая практическое значение, невелика. Последствия от нарушения скважиной начального поля напряжений могут существенна влиять на качество скважины и показатели ее работы в целом или отдельных участке продуктивного пласта. Поэтому целесообразно увеличивать глубину перфорационных каналов, вскрывающих пласт, не только для преодоления зоны загрязнена буровыми растворами, но и для выхода за пределы особо интенсивной части зоны аномалий напряжений пород.

Особо сложный характер распределение напряжений в зоне выработки имеет при неоднородных свойствах пород и наличии в разрезе пропластков, подверженных пластическим деформациям. В процессе бурения скважин пластические породы разреза способны частично " вытекать" в скважину и удаляться из нее, что сопровождается уменьшением вертикальных напряжений, которые в зоне возникновения пластических деформаций ниже вертикального горного давления. Радиус области разгрузки горного давления r_p вследствие пластической деформации пород определяется формулой

, 12

где r_п и r_в - плотности пород и воды; r_c - радиус скважины; Н - глубина скважины; К_п - коэффициент пластичности породы.

Например, при Н = 1500 м, К_п = 30, 0 • 10⁵ Па, r_п = 2500 кг/м³, r_в = 1000 кг/м³; r_c = 0, 15м радиус области разгрузки горного давления составит r_р = 4 м.

Очень часто давления разрыва пластов при их гидроразрыве оказываются меньше вертикального горного, что, вероятно, объясняется появлением зоны разгрузки в призабойной зоне скважин в связи с пластической деформацией пород некоторых пропластков.

На напряженное состояние пород и деформацию существенно влияют физико- механические свойства обсадных труб и цементного кольца, геометрия перфорационных каналов и депрессия давления, возникающая при эксплуатации скважин.