Методы определения различных видов подземного давления » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы определения различных видов подземного давления

22.07.2021

Измерения в скважинах. Гидростатическое давление является единственным видом подземного давления, поддающимся непосредственному измерению. Гидростатическое давление в пласте, содержащем флюиды, может быть измерено в скважине с помощью определенных инструментов, опускаемых в нее, например, глубинного манометра. Если жидкость неподвижна, то гидростатическое давление в скважине и в пласте на одной и той же глубине будет одно и то же. Другим способом измерения давления является определение его с помощью манометра, помещенного на устье скважины. При закрытой скважине давление в пласте (Рпл) равно давлению на устье плюс давление столба жидкости в скважине над пластом. Численная величина Pпл в кг/см2 равна
Методы определения различных видов подземного давления

где P1 — давление на устье скважины в кг/см2, H — высота столба жидкости над кровлей пласта и у — удельный вес жидкости.

Если уровень жидкости в скважине ниже устья, то данные о высоте столба жидкости, необходимые при приведенных выше подсчетах, получаются путем измерения расстояния от уровня жидкости до пласта.

О способах вычисления гидростатического давления. При вращательном бурении непосредственное измерение давления с помощью манометров или определения уровней жидкостей в скважинах возможно лишь в редких случаях. Часто возникает потребность хотя бы в приблизительном определении величины гидростатического давления на различной глубине. Поэтому необходимо рассмотреть способы его вычисления.

В порах ниже зеркала подземных вод обычно находится соленая или пресная вода, и если поры в породе свободно связаны с поверхностью, то гидростатическое давление будет возрастать книзу через каждые 10 м на одну атмосферу в случае пресной воды и несколько быстрее — в случае соленой воды (в зависимости от ее удельного веса). В вертикальном пласте, сложенном песком или гравием, указанным способом можно высчитать довольно точно гидростатическое давление. Степень возрастания гидростатического давления вниз от водной поверхности одинакова и не зависит от того, находится ли вода в озере или в океане, в вертикальной трубке или в группе связанных между собою пор.

Можно было бы предположить, что в рыхлом песке сила тяжести покрывающего песка будет частично оказывать давление на нижние слои воды, увеличивая тем самым ее гидростатическое давление. Однако этого не наблюдается, так как сила тяжести песка воспринимается песчаными зернами в точках их соприкосновения. При уплотнении песка объем норового пространства уменьшается и лишняя вода, выжатая из породы, вытекает в месте выхода песка на дневную поверхность. Уплотнение песчаных пород происходит очень медленно, и если они являются проницаемыми, то излишек гидростатического давления, необходимый для выталкивания воды, настолько мал, что его, вероятно, невозможно измерить.

Однако в случае разрозненных песчаных линз, окруженных глиной или какими-либо другими относительно непроницаемыми породами, положение может быть совершенно иным. Уплотнение песка может идти гораздо быстрее, чем удаление из него лишней воды; в результате гидростатическое давление может значительно превысить нормальное; из-за медленной фильтрации воды к поверхности потребовались бы, вероятно, миллионы лет для того, чтобы оно снизилось до нормальной величины. Если изолирующий слой является абсолютно непроницаемым, то гидростатическое давление будет сохраняться в течение долгого геологического времени; такие условия, однако, наблюдаются, вероятно, очень редко. Будет ли гидростатическое давление равно давлению водяного столба от пласта до зеркала подземных вод или оно будет больше, зависит от степени изолированности пластов, препятствующей утечке излишка жидкости; ответить на этот вопрос только с помощью полевых наблюдений невозможно.

Уплотнение не является единственным фактором, обусловливающим отклонение величины гидростатического давления от нормальной. Если голова проницаемого пласта обнажается на дневной поверхности, то гидростатическое давление в какой-либо точке, расположенной по протяженности пласта, зависит не от уровня подземных вод в данном пункте, а от абсолютной отметки обнажения при условии, конечно, что на всем этом протяжении пласт является проницаемым.

Коллекторы по их протяжению очень различны; одни протягиваются всего на несколько десятков метров, в то время как другие тянутся на согни километров. Обычно в пунктах, удаленных более чем на 50—100 миль (80—160 км) от выхода пласта на дневную поверхность, не заметно влияния гипсометрии этого выхода на гидростатическое давление в пласте; имеются, однако, исключения. He следует забывать о том, что любой проницаемый горизонт, как например, пористые породы в зоне над или под несогласием, может связывать коллектор с поверхностью.

У. Рассел отмечает, что повышенное, относительно нормального, гидростатическое давление развивается в резервуарах среди мощных геологически молодых отложений. Их уплотнение приводит к тому, что в изолированных резервуарах-коллекторах повышается гидростатическое давление до тех пор, пока не выйдет лишняя вода. На площадях, где отложения были глубоко погребены, а затем эродированы, упругое расширение пород по снятии нагрузки может увеличить поровое пространство и вызвать падение гидростатического давления ниже нормального.

Связь между глубиной и давлением недавно исследовалась Д. Кэнноном и Р. Крейзом, из работ которых взят рис. 10-1. Пунктирная линия на этом рисунке изображает напорный градиент, создаваемый начинающимся у поверхности столбом соленой воды, содержащей 8% сухого остатка, а сплошная линия обозначает напорно-глубинный градиент, равный 0,465 фунтов на квадратный дюйм на каждый фут (0,11 кг/см2 на 1 м) глубины. Д. Кэннон и Р. Крейз отмечают, что если давление на контакте нефть-вода или газ-вода в какой-либо залежи является нормальным, то давление в высшей точке продуктивного пласта будет выше нормального, так как и в нефтяных и газовых резервуарах степень понижения давления кверху значительно меньше убывания нормального напорно-глубинного градиента. В месторождении с большой амплитудой подъема слоев это может привести к значительному избытку давления в высшей точке пласта, однако вряд ли ненормально высокие давления, изображенные на рис. 10-1, полностью обусловлены данной причиной. Маловероятным кажется также и то, что ненормально высокие давления являются следствием наличия открытых и очень глубоких трещин, являющихся проводниками давлений от более глубоких горизонтов к залегающим на небольшой глубине.

Д. Кэннон и Р. Крейз установили, что фигуративные точки, соответствующие величинам давления у водо-нефтяных контактов многих месторождений, располагаются очень близко к сплошной линии, обозначающей напорный градиент, равный 0,11 кг/см2 на 1 м глубины (см. рис. 10-1). На глубинах ниже 7000 футов (2100 м) величины давления чаще значительно превышают этот градиент, причем максимальное превышение составляет около 64% нормальной величины. Эти ненормально высокие давления в большинстве случаев наблюдались не по всему месторождению, а в отдельных скважинах. В последних они хаотически изменяются от одного горизонта к другому, не обнаруживая закономерного увеличения о глубиной.

На основе диаграммы, приведенной на рис. 10-1, можно установить следующее: 1) наблюдаемые давления выше тех давлений, которые создаются столбом воды (с плотностью, средней для данной площади) высотой от измеряемой точки до поверхности; 2) с глубиной средние напорные градиенты возрастают. Вследствие того, что образование мощной толщи отложений в данном районе происходило в позднекайнозойское время, наличие этого ненормально высокого давления явно подтверждает мысль, что ненормально высокое давление встречается в районах развития мощных осадков, образовавшихся в недавнем геологическом прошлом. У. Эммонс приводит около 30 глубинных замеров, главным образом в Огайо и Пенсильвании, из которых 21 замер показывает давления, более низкие, чем те, которые встретились бы при глубинно-напорном градиенте в 0,1 кг/см2 на 1 м глубины. Глубины, на которых производились измерения, были незначительными, самая большая из них равнялась всего лишь 4500 футов (1372 м).

Полученные данные указывают, что в общем гидростатическое давление возрастает книзу в среднем от 0,43 до 0,47 фунтов на квадратный дюйм на каждый фут (от 0,1 до 0,11 кг/см2 на каждый метр) глубины, но эта средняя величина возрастания в разных районах различна. В любом районе могут быть установлены давления, значительно меньшие или, наоборот, значительно превышающие нормальное. Лучший способ предсказания частоты распространения этих ненормальных давлений заключается в изучении данных большого количества измерений давлений на глубине в каком-либо определенном районе. Для районов, в которых пробурено мало скважин, следует воспользоваться данными по другим сходным в геологическом отношении районам. Едва ли стоит говорить о том, что изучение ненормально высоких давлений очень важно, так как [при бурении] они могут вызвать катастрофические выбросы газа.

Определение величины геостатического давления. Практической методики для проведения измерений геостатического давления непосредственно с помощью инструментов не существует ввиду того, что невозможно поместить измеряющую аппаратуру внутрь твердой породы. Тем не менее, определение величины геостатического давления не вызывает особых затруднений. Так как этот вид давления создается под действием веса всех вышележащих пород, необходимо высчитать вес столба пород от поверхности до того места, для которого определяется давление; это и будет величиной геостатического давления.

Однако геостатическое давление обладает свойствами, которые на первый взгляд представляются не совсем ясными. Мы видели, что при вычислении гидростатического давления не было необходимости в определении веса твердой фазы пород, так как ее вес никоим образом не влиял на величину этого давления. Можно было бы поэтому предположить, что при подсчете геостатического давления можно пренебречь весом воды в порах. Однако это не так, потому что геостатическое давление обусловливается весом всего покрывающего материала. Твердые составные части пород не влияют на величину гидростатического давления, но флюиды в их породах явно увеличивают вес пород.

Средняя плотность пород в любом районе может быть вычислена совершенно точно по данным о пористости, минеральном составе и плотности [уд. вес] минералов. У глинистых пород, как правило, с глубиной наблюдается постепенное увеличение плотности [объемного веса]. В случае пористых пород плотность можно подсчитать, если взять среднюю (по весу) плотность зерен или твердых компонентов и плотность флюидов в порах. Например, если пористость песчаника равна 24%, плотность зерен 2,7, а флюида в порах — 1,0, то средняя плотность будет равняться (2,7х76 + 1,0х24) : 100 или 2,292. Величина геостатического давления (Ргд) в кг/см2 равна

где у — средний удельный вес;

Н — глубина в метрах.

Уплотняющее давление. Уплотняющее давление представляет собой разницу между гидростатическим и геостатическим давлениями. Оно представляет собой давление, которое стремится сократить объем породы за счет уменьшения порового пространства и удаления содержащихся в нем флюидов.

Гидростатическое и геостатическое давления производят очень незначительное уменьшение объема породы, но при прекращении их действия восстанавливается первоначальный объем, если не происходит уплотнения под влиянием уплотняющего давления. Другими словами, постоянное уплотнение и сокращение объема пород зависят от уплотняющего давления и не проявляют себя там, где величина гидростатического давления в порах не менее величины геостатического давления.

Необходимо понять, почему разница между гидростатическим и геостатическим давлениями вызывает уплотнение. Причина заключается в том, что гидростатическое давление противодействует стремлению геостатического давления закрыть поры и уплотнить породу. Действие гидростатического давления направлено изнутри на стенки пор, и если бы ему не противостояло всегда большее по величине геостатическое давление, то гидростатическое раздвинуло бы стенки пор. Это будет более понятным, если представить себе на глубине в породе полый куб. При наличии в кубе вакуума, давления, противодействующего геостатическому, не будет, и вся сила последнего будет направлена на то, чтобы обрушить стенки внутрь куба. Если бы гидростатическое давление в жидкости в кубе было равно 2000 фунтов/дюйм2 (140,6 кг/см2), то это давление действовало бы изнутри на все стороны полого куба и противостояло бы геостатическому давлению, стремящемуся раздавить куб. Таким же образом давят флюиды на стенки пор.

Геостатическое и гидростатическое давления в осадках, покрытых водой. Гидростатическое давление в осадках, покрытых массой воды, равно весу водяного столба, имеющего высоту от точки, для которой определяется давление, до поверхности водного бассейна. На дне бассейна геостатическое давление по величине равно гидростатическому давлению, а дальше, ниже дна бассейна оно равно сумме гидростатического давления на дне бассейна плюс (+) вес столба осадков (включая содержащуюся в них воду), имеющего высоту от дна бассейна до глубины, для которой оно определяется.

Эта проблема имеет практическое применение при постройке туннелей под дном озер и рек. Если туннель расположен в толще мощностью в 100 м, с удельным весом в 2,0, находящейся под пресноводным водоемом глубиной в 100 м, то гидростатическое давление в воде, находящейся в порах пород на глубине туннеля, будет равно

а геостатическое давление равно

следовательно, уплотняющее давление в породах на глубине туннеля будет равным 30—20 = 10 кг/см2. Если воздух в туннеле имеет сообщение с атмосферой, то давление, действующее на стенки туннеля, будет таким же, как и геостатическое давление, т. е. 30 кг/см2.

Изменение гидростатического давления в резервуарах. Возрастание с глубиной гидростатического давления в резервуарах происходит по тому же закону, что и увеличение гидростатического давления с глубиной в проницаемых породах, а именно:

где АP — изменение давления при изменении глубины на 1 м; у — удельный вес флюида в пласте. Если с глубиной давления не увеличиваются на данную величину, следовательно нет равновесия, и тогда флюиды в пласте будут двигаться в сторону меньших давлений. После начала добычи нефти или газа флюиды выходят из состояния равновесия и начинают передвигаться, но до этого они находятся в равновесии (за исключением артезианских бассейнов). Если же в каких-либо двух пунктах [одного и того же пласта] до начала добычи флюиды не находятся в равновесии, то это указывает на то, что между данными пунктами имеется непроницаемый барьер.

Давление, возникающее в результате разницы удельных весов воды и нефти, может быть вычислено таким же образом. Если часть песка, насыщенного соленой водой удельного веса 1,05, в верхней части, мощностью 1 м, пропитана нефтью с удельным весом 0,85, то давление в кровле пласта, направленное кверху вследствие разности удельных весов, будет равно 0,2*0-1 или 0,02 кг/см2 (без учета сил поверхностного натяжения).

Давление на магму и ниже зоны разломов. Ta часть земной коры, в которой могут существовать поры или открытые трещины, известна как зона разломов [трещиноватая зона]. Ниже этой зоны разломов, минимальная мощность которой местами достигает 4 миль (6,4 км), давление настолько велико, что все отверстия являются закрытыми и порового пространства не существует. Эта зона известна как зона течения (zone flowage), и к ней не применимы правила для вычисления гидростатического давления в порах. Конечно, гидростатическое давление на магму не может быть вычислено тем же путем, что и давление в флюидах, находящихся в порах пород. Так как магме приходится выдерживать вес вышележащих пород, то, очевидно, гидростатическое давление магмы будет приблизительно равно геостатическому давлению.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: