МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОГО И ЛАВИННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Катанов Ю.Е.¹, Григорьев Н.В.²

¹Преподаватель кафедры моделирования и управления процессами нефтегазодобычи, Тюменского Государственного Нефтегазового Университета, магистр, Факультет информационные системы и технологии; ²Специалист, Факультет разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, Тюменский Государственный Нефтегазовый университет

МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОГО И ЛАВИННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Аннотация

В статье представлены модели усталостного и лавинного разрушения горной породы при потери деформационно-пространственной    стабильности породы-коллектора.

Ключевые слова: усталостное разрушение горной породы, лавинное разрушение горной породы, эффект Ребиндера.

Katanov Y.E.¹, Grigoriev N.V.²

¹Assistant-teacher, Department of simulation and process control of oil and gas production, Tyumen State Oil and gas University, Master, the Faculty of information systems and technologies; ²Specialist, Faculty of development and exploitation of oil and gas fields, Tyumen State Oil and gas University

MODELS OF FATIGUE AND AVALANCHE DESTRUCTION OF ROCKS

Abstract

The article presents a model of fatigue and avalanche of rock failure with loss of deformations and spatial stability rock of the collector.

Keywords: fatigue destruction of rocks, avalanche destruction of rocks, Rehbinder effect.

Модели горной породы первого и второго уровня [1] могут быть адаптированы к условиям эксплуатации месторождения в завершающей стадии эксплуатации. В результате длительной работы скважины в призабойной зоне пласта под действием комплекса факторов состояние пород-коллекторов значительно меняется [2,3].

В результате происходит перераспределение напряжений, изменение фильтрационных характеристик пласта и другие процессы, приводящие к таким осложнениям как обрушение породы, пескопроявления и водопроявления.

В рамках описанной ранее модели горной породы первого   уровня указанные выше процессы в породах-коллекторах можно интерпретировать как усталостные и накопленные изменения дефектности в породах, при которых имеет место качественная трансформация дефектов от неопасных к критическим. В результате утрачивается деформационно-пространственная    стабильность пород-коллекторов.

Горная порода может быть описана в терминах сложной системы, работоспособность которой зависит от характера вида отказов (дефектов).

В свою очередь, отказы (дефекты) в сложных системах подразделяются по видам, признакам и характеристикой [4].

Правомерна аналогия между отказами в сложных системах и дефектами в горных породах, поскольку в тех и других случаях можно проследить динамику и эволюцию отказов – дефектов от неопасных к полным (критическим).

В сложных системах техногенного характера (например, в системах управления) при возникновении отказов предусматриваются методы восстановления работоспособности системы. Отказы устраняются за счет использования резервных схем и др. Кроме того, в этих системах возможны и кратковременные самоустраняющиеся отказы.

В породах-коллекторах самоустраняющиеся отказы маловероятны, что предопределяет последовательное монотонное накопление дефектов на протяжении эксплуатации скважины вплоть до разрушения породы.

Вместе с тем, в некоторых случаях допустимо и оправданно использование методов и технологий по креплению грунтов призабойной зоны скважины с помощью химических композиций [5].

При этом достигается «залечивание» некоторых дефектов грунтов, и, как результат, предотвращение разрушения породы.

На рис. 1 показана схема модели усталостного разрушения горной породы. Принят ступенчатый характер снижения устойчивости породы - по мере эксплуатации происходит качественный переход ко все более опасным дефектам вплоть до достижения критического уровня состояния породы [1]. Пунктиром показана сглаженная линия.

Рис. 1 - Схема модели усталостного разрушения горной породы Обозначения:  - вероятность сохранения устойчивости породы;   - критический уровень устойчивости

Модель лавинного разрушения горной породы отличается от усталостной модели тем, что принимается в расчет фактор физико- химического воздействия – эффект адсорбционного понижения прочности породы в результате воздействия активных веществ (эффект Ребиндера).

В условиях адаптации модели к условиям месторождений в завершающей стадии эксплуатации можно сказать, что модель лавинного разрушения горной породы представляет собой такой механизм разрушения породы, когда на усталостную структуру породы воздействует вещество - пластовая жидкость, вызывающее эффект адсорбционного понижения прочности и лавинный процесс диспергирования породы.

На рис. 2 показана схема модели лавинного разрушения горной породы.

Рис. 2 - Схема модели лавинного разрушения горной породы

 

Лавинное разрушение имеет внезапный характер, и возможно в разные моменты эксплуатации скважины. Траектория падения устойчивости породы (линии 1,2,3 на рис. 2) имеет резкий характер, что соответствует механизму быстрого вымывания связки из узлов породы в результате воздействия пластовой жидкости.

Таким образом, процесс потери деформационно-пространственная стабильности породы-коллектора может быть описан последовательными стадиями [1]:

- на начальной стадии эксплуатации скважины породы- коллекторы обладают относительно высокой деформационно-пространственной    стабильностью;

- по мере эксплуатации в породах-коллекторах накапливаются и развиваются дефекты усталостного характера, что приводит к снижению деформационно-пространственной устойчивости и возрастанию вероятности локального или массивного разрушения;

- на определенном этапе развития дефектных процессов в результате эффекта адсорбционного понижения прочности породы возникает опасность лавинного разрушения породы, причем, чем выше дефектность, тем выше вероятность разрушения.

Вероятность возникновения эффект адсорбционного понижения прочности обусловлена комплексом причин - плотностью и пористостью породы, фильтрационными характеристиками породы, степенью ее консолидации, химическим составом связки в узлах породы и активностью пластовой воды   по отношению к связке, а также рядом иных факторов, подробное описание которых выходит за рамки настоящего исследования.

На основе вышесказанного можно заключить, что в случае достижения критического уровня породы усталостное и лавинное разрушение горной породы представляют собой полную систему событий, для которой справедливо соотношение [1]:

      (1)

где - вероятность усталостного разрушения;  - вероятность лавинного разрушения. Развернутая математическая модель взаимодействия полной системы событий разрушения горной породы при усталостном и лавинном разрушениях представлена в работе [1].

Литература

1. Катанов Ю.Е. Материалы диссертационной работы «Физико-математическое моделирование в методологии технологических измерений в нефтедобыче» на соискание ученой степени кандидата ф-м. наук. Тюмень, 2014.
2. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при их строительстве и эксплуатации: Справ. пособие: в 6 т. М.: ООО «Недра- Бизнесцентр», 2001. - 399 с.
3. Киркинская В.Η.,. Смехов Ε.Μ. Карбонатные породы-коллекторы нефти и газа. - JI. Недра, 1981. - 255 с.
4. Матвеевский В.Р. Надежность технических систем. Учебное пособие -Московский государственный институт электроники и математики. М., 2002 г. – 113 с.
5. Афанасьев А.В. Использование технологии крепления призабойной зоны скважины «линк» для ограничения выноса песка. Инженерная практика//№ 2/2010 г.