Напряженное состояние горных пород.

Горные породы, залегающие в земной коре в виде ловушек нефти, газа и воды, ограничены сверху и снизу непроницаемыми монолитными отложениями или перемежаются ими, в зависимости от вида нефтегазовой залежи (см. лекцию 1). В результате, на продуктивный пласт в вертикальном направлении действует сила тяжести вышележащих толщ, и чем глубже залегает пласт, тем больше это давление. Однако не только эти силы «держат» продуктивный пласт в напряженном состоянии. Горные породы в процессе геологического формирования и в настоящее время подвергаются действию сил тектонического происхождения, притяжения планет, физико-химическим превращениям. Все эти силы определяют естественное напряженное состояние горных пород. При внешнем воздействии на горные породы с целью их выработки изменяется не только горное давление, но и их термодинамические параметры. Закачка вытесняющих агентов (в частности, воды с различной степенью минерализации) может в еще большей степени нарушить равновесное состояние продуктивных отложений за счет возможных химических реакций, разбухания глин и т.д. Немаловажную роль играют и силы, порожденные изменением в силу различных причин температурного поля в земной коре.

Таким образом, можно говорить о том, что горные породы находятся в постоянном напряженном состоянии, и на породы в недрах Земли действуют следующие основные силы:

· Горное давление, обусловленное весом пород.

· Тектонические силы и внутрипластовое давление.

· Термические силы, возникающие под влиянием теплового поля Земли.

Выделим в массиве горной породы элементарный объем и рассмотрим силы, действующие на его грани (Рис. 1.6.1). Представим суммарное действие всех сил в виде нормальных и касательных составляющих тензора напряжений относительно каждой грани: нормальные составляющие σ; вдоль координатных осей в перпендикулярных к граням направлениях и касательные составляющие τ;, лежащие в плоскости соответствующих граней.

 

Рис. 1.6.1. Компоненты напряжений, действующих на элемент горной породы.

 

В результате получим тензор, характеризующий напряжения выделенного элемента горной породы П:

. (1.6.1)

Из курса механики сплошных сред известно, что такой тензор обладает следующими свойствами.

1. Тензор П - симметричный, т.е. τ _xy = τ _yx, τ _zx = τ _xz,, τ _yz = τ_zy.

2. Существуют три взаимно перпендикулярные главные оси тензора напряжений, относительно которых тензор имеет вид:

, (1.6.2.)

где σ₁, σ ₂,σ₃ - главные напряжения, причем σ_x+ σ_y+ σ_z = σ₁+ σ₂+ σ₃, т.е. сумма нормальных напряжений на три взаимно перпендикулярных площадки не зависит от ориентации этих площадок.

Если элементарный объем породы ориентировать по осям главных напряжений σ₁, σ ₂, σ₃, то касательные напряжения будут равны нулю.

Нормальные составляющие тензора напряжений вызывают деформации сжатия или растяжения e_x, e_y, e_z, касательные – деформацию сдвига граней tg γ_xy, tg γ_yz, tg γ_xz, а чаще угол сдвига γ;, так как деформации обычно малы и tg γ≈ γ; (рис. 1.6.2).

 

Рис. 1.6.2. Схема сдвиговых деформаций грани ху под действием