К оглавлению журнала

 

УДК 551.2.02

© И.Ф. Радковец, 1997

ОБ ЭФФЕКТИВНОМ НАПРЯЖЕНИИ И ОПЫТАХ ТЕРЦАГИ

И.Ф. Радковец (ЗапСибНИИгеофизика)

Связь между горным давлением Ргор, напряжением в скелете породы Рск (иначе его называют эффективным) и давлением в насыщающей жидкости Рпл описывается широко известной формулой [1,2,4]

Ргор = Рск + Рпл (1)

(здесь и далее Ргор и Рск означают вертикальные составляющие указанных параметров) .

При записи уравнения (1) обычно рассуждают следующим образом. Пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема) [1, с.67]. Тогда давление на скелет породы будет равно:

Рск = Ргор – Ррпл (2)

Параметры Ргор и Рпл определяются выражениями

Pгор=dГПgH, (3)

Рпл=dвgН, (4)

где dГП и dВ - плотность насыщенных горных пород и воды соответственно;g - ускорение свободного падения; Н - глубина до точки определения параметров.

Отсюда легко находят Рск:

Рск=gH(dгп-dВ). (5)

Однако значение параметра Рск, вычисленное по формуле (5), значительно меньше фактически существующих напряжений в природе. Видимо, поэтому было решено, что не вся величина пластового давления направлена на разгрузку горного, и поэтому при параметре Рпл в уравнении (1) справедливо появляется коэффициент n, а формула (2) принимает вид

Рск = Ргор - n Рпл (6)
где 0<
n < 1.

Однако подлинной причиной нарушения равенств (1) и (2) явилось то, что они записаны вопреки законам физики. Дело в том, что пластовое давление противодействует горному не по всей площади сечения горной породы, а лишь на участках, занятых жидкостью. Поэтому в уравнении (2) давления необходимо выразить через силы и потом уже производить операцию сложения (или вычитания).

Пусть на некотором участке отложений вся площадь горизонтального поперечного сечения пород равна S, а часть сечения, приходящаяся на пористую среду, равна Sп. Тогда вместо уравнения (2) следует записать:

Рск(S – Sп)= Ргор S - Рпл Sп (7)

откуда после ввода нового параметра – коэффициента просветности, равного

KS=Sп/S, (8)
и после преобразований получим:

Pгор=Рск(1-Ks)+PплKs. (9)

Если произвести вычисление напряжения Рск исходя из формулы (9), то окажется, что оно не только не меньше горного давления, но даже больше него, поскольку противодействующая массе вышележащей толщи сила

FПЛ=РплSп (10)

меньше силы, создаваемой на этих же площадках массой пород

Fгор =Pгор Sп (11)

Fпл не компенсирует Fгор полностью, и эта нескомпенсированная часть в результате будет приходиться на твердую фазу пород, увеличивая в ней напряжение.

Для того чтобы объяснить причину возникновения формул (1) и (2), необходимо рассмотреть их происхождение.

Немецкий исследователь Терцаги на основании лабораторных опытов Рендулика и своих собственных [3] пришел к выводу, что если на пористый образец, помещенный в непроницаемую оболочку, окаймляющую его боковую поверхность, сверху давит столб воды, то при отсутствии разделяющей пластины это давление не вызывает деформации грунта (рисунок). При действии каких-нибудь иных механических сил (например, эквивалентных действию массы свинцовой дроби) слой грунта окажется заметно сжатым. На основании этого Терцаги предположил, что сжимающее напряжение в водонасыщенном грунте включает в себя две составляющие – нейтральное гидростатическое давление Pw и эффективное sэф. Сумму этих давлений он назвал полным

s = sэф+Pw. (12)

Для того чтобы можно было подтвердить это замерами, были произведены испытания образцов по следующей схеме: в дополнение к осевому давлению s', действующему посредством пластины, было добавлено всестороннее Рвс с помощью сжатого воздуха или глицерина (см. рисунок). К жидкости, насыщающей поры, через фильтрующий камень подсоединены манометр и кран. Так как обе составляющие создают напряженное состояние образца, то было решено, что каждое его горизонтальное сечение испытывает вертикальное напряжение, равное сумме осевого давления и всестороннего

sг=s'+Рвс, (13)

а каждое вертикальное сечение – только всестороннее давление

sII= sIII = рвс (14)

На основании таких лабораторных опытов Терцаги и Рендулик сделали вывод, что деформация образца e и сопротивление сдвигу с зависят от разницы между полным напряжением и давлением в порах Pw, т.е. от эффективного давления:

e=f(sэф) (15)

c =f (sэф) , (16)

где sэф = s'+Pвс-Pw. (17)

Получение такого результата лабораторными опытами можно подтвердить и теоретически.

С учетом уравнения (17) найдем частное от деления деформации на эффективное напряжение:

Из определения коэффициента упругости относительная объемная деформация образца e может быть найдена по формуле

e = s0b0. (19)

Назовем породы пропорционально сжимающимися, для которых

e = eск , (20)

В этом случае давление в насыщающей жидкости (Радковец И.Ф., Радковец Н.Л., 1990) определяется уравнением

Pw=s0=b0/bж, (21)

где b0, bж - коэффициенты упругости горной породы и жидкости соответственно; s0 - среднее напряжение в образце (находится согласно теории упругости), равное:

Подставляя выражения (19), (21) и (22) в правую часть уравнения (18), получим:

Для прямой пропорциональности между e и sэф необходимо и достаточно, чтобы соблюдалось условие: e/sэф = const. (24)

Найдем предел отношения (24) при V-> 0,5:

Из уравнения (25) видно, что при коэффициентах Пуассона, равных 0,5, существует прямая пропорциональная зависимость между e и sэф. С уменьшением значения v зависимость (15) отклоняется от прямой линии.

Если относительные деформации eск и e не равны между собой, то давление в порах может быть представлено общим уравнением

где bск - коэффициент упругости скелета.

Решая аналогичным образом при V = 0,5, получим также:

Терцаги и Рендулик работали с грунтами – песком и глиной. Коэффициенты Пуассона для таких пород довольно велики, поэтому они могли с достаточной степенью точности получить прямую пропорциональную зависимость между eи sэф в некотором небольшом диапазоне изменения внешних сжимающих сил, пока упругие свойства образцов сохранялись постоянными. В других случаях (небольшие значения v, изменяющиеся коэффициенты упругости) зависимость e =f(sэф) должна отклоняться от прямолинейной, но эти случаи не характерны для грунтов, поэтому Терцаги обнаружил только прямую пропорциональность. И поскольку при этом значение e не зависит от Pw, то он и предложил уравнение (12), которое впоследствии было использовано в геологии.

Насколько правомерно переносить результаты лабораторных исследований в условия естественного залегания горных пород, в настоящей статье не рассматривается. Но поскольку этот перенос уже осуществлен, уточним, что определяет sэф для отложений в земной коре. Обратимся к первому опыту Терцаги, когда при отсутствии металлической пластины сверху непосредственно на образец давит столб жидкости (см. рисунок). Отсутствие деформации грунта в этом случае можно объяснить тем, что вода заполняет все поры образца и ее давление, распределяясь по всем направлениям, действует на каждую частицу в отдельности. Последние, деформируясь, уменьшаются в размерах. Следует полагать, что настолько же увеличивается и пористое пространство, поэтому общие размеры образца остаются без изменений. На этом основании Терцаги назвал давление воды нейтральным. Такое же действие оказывает на горные породы в земной коре насыщающая их жидкость. Поэтому пластовое давление также можно назвать нейтральным. Давление же твердой ненасыщенной вышележащей толщи отложений, аналогичное действию свинцовой дроби на образец, деформирует залегающие породы и поэтому его следует называть эффективным. Полное напряжение в этом случае в соответствии с формулой (12) будет

s = sэф+Рпл. (28)

Параметр sэф можно выразить уравнением

sэф=dскgН, (29)

где dck - средняя плотность скелета вышележащих отложений.

Уравнение (28) выражает не суть формулы (1), записанной вначале: параметр s вовсе не равен Ргор. Это видно из следующего.

Для определения sэф плотность скелета породы можно найти из системы уравнений

где dТ - плотность твердой фазы породы Kп - коэффициент пористости,

решая которую, получим:

dск = гп -ВКП. (32)

По известной плотностиck определяются эффективное и полное напряжения:

Сравнивая уравнения (5) и (33), (3) и (34), приходим к выводу, что

sэф>Pск, (35)
а

s>Ргор. (36)

Эти различия, казалось бы, в одинаковых параметрах произошли вследствие того, что общее напряжение, создаваемое массой насыщенной горной породы, не равно полному напряжению, т.е. сумме обеих составляющих, существующих в каждой фазе отдельно. Терцаги лишь ввел понятия полного и эффективного напряжения. Рассмотрим теперь физический смысл каждого из них.

Если толща отложений до некоторой глубины состоит из одних коллекторов, то эффективное напряжение создается только твердой фазой вышележащих пород и действует как вне каждой частицы, сдавливая их между собой, так и внутри частиц. Образуется некоторое среднее напряжение на контакте и внутри всех частиц, вместе взятых. Поэтому оно и оказывает влияние на деформацию и сопротивление сдвигу.

Гидростатическое давление образуется насыщающей жидкостью и действует на каждую частицу в отдельности, не прижимая их друг к другу. Поэтому внутри частиц создается напряжение, равное сумме обеих составляющих, т.е. полное напряжение, а на контакте между ними – только одно, эффективное.

Горное же давление Ргор создается смесью породы с водой и определяется плотностью этой смеси, которая равна не сумме составляющих плотностей, как это следует из уравнений (1)-(5), а сумме их долей. Для определения Ргор необходимо прежде найти суммарную плотность по формуле (31). Тогда

Горное давление (вернее, его вертикальная составляющая) создается под плотным слоем. В этом случае эффективное давление в скелете залегающего ниже пласта-коллектора будет определяться исходя из формулы (9):

Таким образом, на основании опытов Терцаги можно сделать следующие выводы.

Эффективное напряжение формируется в твердой фазе пористого пласта и определяется двумя факторами:

1. Массой скелета вышележащей толщи, если последняя также пористая; в этом случае эф находится по формуле (33).

2. Массой всей вышележащей толщи, если в кровле коллектора залегает плотный пласт; тогда эф вычисляется по формуле (38).

Сумма эффективного напряжения с пластовым давлением составляет полное напряжение (не равное горному) и соответствует выражениям (28) и (34).

Горное давление Ргор определяется формулой (3) и меньше полного, в результате чего выражение (1) является неравенством Ргор < Рск + Рпл и должно быть исключено из учебной литературы по физике пласта. Вместо него следует пользоваться уравнением (28).

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1982.
  2. Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. - М.: Недра, 1977.
  3. Терцаги К. Теория механики грунтов. -М.: Госстройиздат, 1961.
  4. Щелкачев В.Н. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме. - М.: Гостоптехиздат, 1959.

ABSTRACT

The present article deals with the known formula in petrophysics describing a relationship between rock pressure, rock skeleton stress and saturated liquid pressure. Author proves that this formula is against the physics laws and therefore a rated rock skeleton stress appears to be too low, and suggests to exclude it from petrophysics text-books. Considering that formation pressure counteracts rock pressure not over the whole area of rock section but only at localities occupied by a liquid, the author suggests his own solution of the problem and derives a formula complying with physical reality.

СХЕМА ТЕРЦАГИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ

1 - образец; 2 - резиновая оболочка; 3 - металлическая пластина; 4 - фильтрующий камень; 5 - свинцовая дробь; К - кран; М - манометр