В задачах механики обычно начальное напряженное состояние, в котором находится тело перед деформированием, является нулевым. Это означает, что механические напряжения в теле перед его нагружением отсутствуют: все компоненты тензора напряжения равны нулю. Перед бурением скважины ситуация выглядит совершенно по-другому: массив горных пород, через который будет проложена скважина, еще до начала буровых работ находится в ненулевом напряженном состоянии: компоненты тензора напряжения не равны нулю. Это напряженное состояние называется начальным.
Напряжения сжатия в горных породах возникают уже при их формировании: в магматических - при остывании магмы, в осадочных - при гравитационном уплотнении осадков, в метаморфических - при перекристаллизации исходных осадочных и магматических горных пород. Современное напряженно-деформируемое состояние, в котором находятся массивы горных пород, обусловлено в значительной степени силой тяжести и тектоническими процессами.
Проведенные измерения напряжений в массивах горных пород литосферы показывают, что компоненты тензора напряжений начального напряженного состояния могут достигать значительной величины. Именно по этой причине их необходимо учитывать еще до сооружения скважины.
Напряженное состояние, в котором находится массив горных пород, принято определять тензором напряжения Т н, состоящим либо из трех нормальных напряжений sx, sy, sz и трех касательных напряжений txy = tyx txz = t zx tyz = tzy
,
либо из трех главных нормальных напряжений s1 > s2 > s3:
.
Факторы, влияющие на величину напряжений начального напря-женного состояния, делят обычно на два вида:
1) действующие постоянно и повсеместно (сила тяжести, температура, физико-химические свойства пород, рельеф поверх-ности),
2) действующие временно и локально (деятельность человека, тектонические силы).
Геостатическое давление. Рассмотрим модель изотропного линейно-деформируемого массива горных пород. В цилиндрической системе координат ось z направим вниз перпендикулярно поверхности земли. Тензор напряжений в цилиндрической системе координат и при наличии симметрии имеет вид
,
т.е. наблюдается отсутствие зависимости напряжений от полярной координаты Q (trq = tqz = 0). Величина
sz = gH = rп gH,
где H - глубина нахождения рассматриваемой точки в литосфере, g - удельный вес вышележащей горной породы, а rп - ее плотность, называется геостатическим давлением, sr и sq - горизонтально действующие нормальные напряжения. Распределение напряжений в массивах горных пород может быть очень неоднородным.
Величина механических напряжений в литосфере в значительной степени зависит от удельного веса и глубины нахождения рас-сматриваемой точки массива. При плотности rп горной породы2,5 г/см3 на глубине1000 мгеостатическое давление достигает 24,5 МПа, а если H = 10000 м, то sz = 245 МПа.
Гравитационная сила обеспечивает возникновение напряжений, величину которых следует воспринимать как равновесное значение геостатического давления. В приведенном примере значения геостатического давления 24,5 МПа, 245 МПа определяют величину равновесных напряжений на разных глубинах.
В осадочных горных породах величина геостатического давления линейно растет с глубиной и соответствует равновесному значению нап-ряжений, расчитываемых по данным о величине средней плотности расположенных выше горных пород.
В скальных массивах горных пород под действием тектони-ческих сил могут возникнуть вертикальные напряжения, превышающие указанные выше равновесные значения напряжений. Превышение механическими напряже-ниями равновесных значений дает основание говорить о появлении в литосфере избыточных напряжений. Избыточными напряжениями может обладать и геостатическое давление и горизонтальные напряжения. Исследователями отмечается, что хотя больших значений чаще достигают горизонтальные избыточные напряжения, но и вертикальные избыточные напряжения могут превосходить равновесную величину геостатического давления в несколько раз. Тектонические силы вызывают появление в литосфере напряжений, достигающих предела прочности горных пород и вызывающих землетрясения.
Геостатическое давление в пористых горных породах, эффективное напряжение
Если проницаемость горных пород велика, то давление жидкости Р п в порах породы литосферы на глубине H равно гидростатическому давлению Р г, создаваемому столбом жидкости высотой H:
Р п = Р г = rжgH,
где rж - плотность жидкости (водные растворы). Гидростатическое давление - равновесное давление.
Глубинное бурение показывает, что поровое (пластовое) давление может не только существенно отличаться от равновесного гидроста-тического давления уже на небольших глубинах Р п ¹ Р г, но может даже приблизиться к геостатическому:давлению Р п ® sz.
В этом случае давление, действующее между зернами минералов в горной породе, будет понижено: между зернами минералов в пористой горной породе действует не геостатическое, а эффективное напряжение Р эф , определяемое выражением:
Р эф = sz - кP п,
где к - коэффициент, зависящий от геометрии поры, её размера, величины зерен (считается, что к » 1).
Появление и увеличение гидростатического порового давления Р п в породе равносильно действию шарового тензора напряжений
который обеспечивает уменьшение среднего нормального напряжения, действующего между твердой компонентой горной породы, приводит к уменьшению эффективного нормального напряжения Р эф между зернами минералов, т.е. способствует увеличению объема горной породы (аномальное уплотнение).
Так как величина касательных напряжений тензора-девиатора при этом не меняется, то подобная особенность изменения напряжений в горной породе приводит к облегчению разрушения породы сдвигом.
В практике бурения широко используется не абсолютная величина давлений, а относительные давления (индексы давления):
sz / Р г - относительное геостатическое давление,
sr / Р г - относительное боковое давление,
Р пл / Р г -относительное пластовое давление.
Величину относительного давления важно знать при производстве ремонтных работ в скважине, при зарезке второго ствола, чтобы правильно выбрать плотность промывочной жидкости. Если плотность промывочной жидкости такова, что Р пл / Р г < 1, то может произойти поглощение раствора пластом вплоть до полной потери циркуляции. Это может вызвать, в свою очередь, сужение диаметра скважины, осыпи горных пород стенки скважины. При Р пл / Р г > 1 происходит перелив промывочной жидкости из кольцевого пространства на устье скважины. Наиболее благоприятные работы в скважине создаются в тогда, когда выполняется условие Р пл / Р г = 1.
Если величина относительного пластового давления Р пл / Р г превышает значение 1,2 (P пл / P г > 1.2), то говорят, что имеет место аномально высокое пластовое давление (АВПД). Если же справедливо неравенство P пл / P г < 0.8, то говорят об аномально низком пластовом давлении (АНПД).
Аномально высокие поровые давления возникают в глинистых толщах, перекрывающих залежи с аномально высоким пластовым давлением, но могут и не соседствовать с высоконапорной продуктивной залежью, т.е. возникают самостоятельно.
На разрушение горной породы АВПД и АНПД влияют различно: если АВПД стимулирует развитие разрушения сколом, то АНПД затрудняет этот процесс.
Вероятность встречи с АВПД при увеличении глубины бурения скважины возрастает. Это связано с уплотнением горных пород в результате снижения пористости горной породы под действием геостатического давления. Этот процесс при отсутствии дренируемости поровой жидкости сопровождается ростом порового давления. АВПД, снижая вертикальную нагрузку на скелет породы, приводит к аномальному уплотнению породы.
Встреча с АВПД может привести к аварийным ситуациям, т.е. к выбросам (водопроявления, нефтегазопроявления).