Поровые и интергранулярные давления.

Общее горное давление поддерживается породами двумя путями. Первый – через интергранулярное давление, когда матрица подвергается напряжению благодаря силам, передающимся через механический контакт зерно-зерно. Второй, когда осадки не уплотняются достаточно для образования контактов зерно-зерно, горное давление поддерживается частично поровым давлением ( Р_р), вызывая аномальное давление. Поровое давление - это давление пластовых жидкостей ( воды,газа и нефти), которое должно быть сбалансировано с весом бурового раствора. Следовательно, общее горное давление эквивалентно сумме интергранулярного давления и порового давления или Р₀ = Р₁ + Р_р (см. рис.1).

Тогда как основная масса градиентов плотностей варьируется в зависимости от уплотнения, нормальные градиенты порового давления различаются вследствие солёности пластовых вод. Как показано в 4, для данной солёности и плотности, нормальное поровое давление может быть рассчитано по формуле:

Р_р ( фунт/кв.дюйм) = 0,052 х плотность поровой жидкости(фунт/галлон) х глубина скважины по вертикали(фут).

0 345 690 1035 1380

Давление, атм.

Рис.1 Профиль горного давления,

Нормальный градиент порового давления в общем считается равным 0,465 фунт/кв.дюйм/фут.. Когда поровое давление больше чем теоретическое гидростатическое давление для данной глубины скважины по вертикали , пласт аномальный или сжатый горным давлением.

Регион	Средняя плотность поровой жидкости (фунт/галллон)	Градиент порового давления ( фунт/кв.дюйм)
Западный Техас	8,33	0.433
Мексиканский залив	8,95	0,465
Северное море	8,70	0,452
Малайзия	8,50	0,442
Дельта Маккензи	8,50	0,442
Западная Африка	8,50	0,442
Бассейн Анакардо	8,33	0.433
Скалистые горы	8,39	0,436
Калифорния.	8,45	0,439

Таблица 4.Градиенты поровых давлений для различных регионов.

Аномальные условия сжатия вызываются некоторыми формами геологических ловушек , которые блокируют пластовые жидкости и газы от проникновения в мелководные зоны , что увеличивает величину горного давления.. Ловушки могут состоять из плотных глинистых сланцев, известняка , доломита соли и других непроницаемых пластов.

Аналогия для трёх типов давления – горного, межгранулярного и порового – будет водяная башня. Горное давления будет общий вес, действующий на фундамент водяной башни, вес воды плюс вес самой башни. Межгранулярное давление будет весом структуры , действующей через каркас структуры. Поровое давление будет гидростатическим давлением воды.

Ориентация напряжений.

Горное давление вызывает вертикальное напряжение на пласт с результирующими поверхностными горизонтальными напряжениями , зависящими от механических свойств пород. Подземные напряжения превращаются в ориентацию (направление) трёх главных плоскостей напряжений в трёхмерном пространстве, которые все перпендикулярны друг другу (см.рис.2) Имеются (1) максимальное главное напряжение (σ_мах),(2) промежуточное главное напряжение (σ_инт),и (3)минимальное главное напряжение (σ_мин).

Рис.2. Ориентация главных напряжений.

Градиент гидроразрыва по существу эквивалентен минимальному главному напряжению. В условиях нетектонических напряжений максимальное напряжение в вертикальном направлении (σ_z) действует благодаря горному давлению., а промежуточное и минимальное напряжения (σ_х и σ_у) в горизонтальной плоскости и равны между собой.

Когда скважина отклоняется от вертикали , эти напряжения имеет тенденцию делать ствол скважины менее стабильным. и в общем требуется больший вес раствора, в зависимости от прочности породы. Чтобы оценить напряжение в наклонно направленной скважине , полезно превратить главные напряжения в различные ориентации так , чтобы они были радиальны (σ_R), тангенциальны (σ_Т), и аксиальны (σ_А) по отношению к траектории скважины, как это показано на рис.3.

Рис.3.Ориентация напряжений в наклонно-направленной скважине.

Используя эту ориентацию , механическая стабильность пласта может быть рассчитана для данных условий с использованием компьютерной программы Эм-Ай для расчёта напряжений. Как показано на рис.4., может быть сделан график воздействия гидростатического давления на общее дифференциальное напряжение ( тангенциальное минус радиальное ) породы. Различные радиальные углы вокруг ствола скважины показаны для одной стороны от 0⁰ до нижней точки ( 90⁰) и для другой стороны ствола ( от 180⁰). Если дифференциальное напряжение меньше, чем предел прочности на разрыв (показано как отрицательное число), будет иметь место разрушение при растяжении или гидроразрыв пласта.. Если вес раствора меньше, чем градиент гидроразрыва , гидроразрыв или разрушение пласта будет глохнуть вблизи ствола скважины. Если вес раствора превышает градиент гидроразрыва , будет иметь место потеря циркуляции. Если дифференциальное напряжение больше, чем предел прочности породы на сжатие , будет иметь место растрескивание и разрушение (обвал) ствола скважины или пластическое внедрение ( интрузия)(соль).

Рис.4.Дифференциальное напряжение в наклонно-направленной скважине.

Однажды выполнив этот анализ, может быть рассчитан диапазон безопасного оперирования для плотностей бурового раствора для различных углов и поровых давлений в бурящейся скважине. Результирующее окно стабильной работы для плотностей бурового раствора будет значительно меньше , чем если бы это была вертикальная скважина, как показано на рис.5.

Рис.5. Диапазон плотностей бурового раствора, обеспечивающий стабильность ствола горизонтальной и вертикальной скважин.

Тектонические силы.

Тектонические напряжения есть напряжения , которые деформируют материалы пород в природе. Региональные контакты и движения земных кристаллических плит и другие геологические силы вызывают эти напряжения. Тектонические силы вызывают два вида горизонтальных напряжений, имеющих различные величины.. Складки и разломы - результат действия тектонических сил. Сжимающие тектонические напряжения будут приводить к проблемам вследствие сжатия , где хрупкие породы могут растрескиваться в ствол скважины или пластичные пласты подобные соли будут выдавливаться в ствол скважины, перекрывая его. Растягивающие тектонические напряжения будут вызывать проблемы, когда пласты будут разрываться вследствие напряжённого состояния , приводя в итоге к потере циркуляции.

Складчатый пояс горных регионов создавался путём действия региональных тектонических сил сжатия. Складчатый пояс состоит из антиклиналей и синклиналей, сформированных путём тектонического сжатия ( максимальное напряжение) в направлении, перпендикулярном к оси складок.( или сталкивающимся кристаллическим платформам). Как максимальное , так и минимальное напряжения обычно находятся в горизонтальной плоскости с промежуточными напряжениями более характерными для вертикали.

Растягивающие тектонические силы ответственны за разломообразование в бассейновых и типично горных регионах. Минимальное горизонтальное напряжение перпендикулярно к трассе разлома ( или отступающей кристаллической платформе.) в то время, как промежуточные главные напряжения параллельны к трассе разлома с максимальным главным напряжением в вертикальном направлении.

Поблизости от солевых структур, таких как купола и пласты , напряжения модифицируются восходящей интрузией и миграцией соли через породу. Это затрудняет оценку , как солевая структура изменяет поле напряжений в естественном состоянии. Более высокие плотности бурового раствора зачастую необходимы для обеспечения стабильности ствола скважины. Потеря циркуляции и проблемы с контролем ствола скважины часто испытываются на практике в этих комплексных условиях вследствие близости структур, имеющих очень маленькую сопротивляемость к разрыву.