Горное, боковое и пластовое давление

Естественные напряжения в земной коре принято называть геостатическим или горным давлением.

Горное давление (геостатическое) р_г - давление, обусловленное весом толщи вышележащих пород.

При бурении скважин на суше.

р_г=ρ_пgH, (1.18)

где ρ_п - объемная плотность вышележащих горных пород,

р_п=[(1-П_i)ρ_mi+П_iρ_ж]h_i/H (1.19)

где П_i - пористость слоя горной породы, доля единицы; ρ_тi- плотность твердой фазы данной горной породы, кг/м3; h_i- толщина слоя той же породы; ρ_ж - плотность жидкости в порах породы, кг/м3; H= глубина рассматриваемой точки горной породы от дневной поверхности.

С увеличение Н растет р_г, а вместе с ним возрастает и напряжение в породе. Для большинства пород при этом увеличиваются пределы текучести, прочности и пластичности.

При бурении скважин в море горное давление рассчитывается по формуле

ρ_г.м = [(ρ_п(H-H_м)+ ρ_м.в • H_м]g,                 (1.20)

где Н_м - глубина моря; ρ_м.в - средняя плотность морской воды.

            (1.21)

Градиент геостатического давления — отношение геостатического давления в рассматриваемой точке к глубине этой точки

                (1.22)

Для расчета радиального упругого напряжения а, в горных породах можно воспользоваться формулой А.А. Динника ρ_б=σ_r=ζρ_r;

               (1.23)

Величина ζ приближается к 1 в толщах глинистых и других высокопластичных пород на сравнительно небольшой глубине.
Пористые горные породы всегда насыщены флюидом (жидкостью или газом). Давление жидкости в поровом пространстве пород принято называть поровым давлением пород p_пор (МПа). Поровое давление используют для характеристики давления жидкости в порах глинистых и других, практически непроницаемых пород.

Пластовое давление р_пл (МПа)* - давление жидкости в проницаемой породе, т.е р_пор в том частном случае, когда поры сообщаются друг с другом. В нормальных условиях на глубине Н давление флюидов приблизительно равно гидростатическому давлению столба воды ρ_в (в МПа) плотностью ρ_в=1000кг/м3 от кровли пласта до поверхности

ρ_пл≈ρ_в=ρ_вgH        (1.24)

Формулой (1.24) можно пользоваться при разведочном бурении на малоизученных площадях, когда нет возможности установить действительную величину рпл по динамическому уровню жидкости в скважине, поскольку последние еще не пробурены.
При вскрытии водоносных горизонтов

ρ_пл=Н_стgρ_ж(1.25)

где Н_ст - величина столба жидкости, который устанавливается в покоящейся скважине.

Для характеристики геологических условий бурения широко используются относительные давления (индексы давления): геостатическое, боковое и пластовое (поровое). Они характеризуют отношение перечисленных давлений на глубине Н к давлению столба пресной воды.

                (1.26)

ρ'_пл=k_a и ρ'_пор=k_a (пор)            (1.27)

называют также коэффициентами аномальности пластового и порового давления соответственно.

В нормальных условиях k_a≈1. Если k_a (k_пор)>1,2, то имеется АВПД (или АВПоД). При увеличении Н вероятность встречи с АВПД возрастает. Значения k_a<0,8 характеризуют АНПД.

Давление относительной устойчивости пород p_у - минимальное давление на участок ствола скважины, сложенный потенциально неустойчивой породой, при котором в течение продолжительного времени (достаточного для разбуривания всей толщи таких пород и перекрытия их обсадной колонной), при данном составе бурового раствора не возникают серьезные проявления неустойчивости (сужения ствола и связанные с этим осложнения - прихваты, затяжки и посадки колонны труб при спус-коподъемных операциях; интенсивные осыпания пород и т.п.).

Градиенты давления (геостатического, пластового, порового, гидроразрыва и поглощения соответственно) используются также при решении различных задач технологии бурения, равны отношению давления к глубине залегания пород:

               (1.28)

Пример 1.7 Вычислить значение р, для условий, приведенных в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Интервал бурения, м	Мощность, м	Пористость,%	Средняя плотность, кг/м3
			твердой фазы породы	пластовой жидкости
0-390	390	35	2680	1013
390-545	155	31	2630	1010
545-670	125	28	2700	1030
670-920	250	27	2655	1005
920-1150	230	25	2600	1005
1150-1450	300	20	2500	1000
1450-1700	250	18	2450	1000
1700-2050	350	19	2490	1010
2050-2400	350	19	2500	1010
2400-3000	600	17	2700	710

Решение. Согласно (1.19)

ρ_п = {390 + [(l1 - 0,31)2630 + 0,31·1010) 55 + [(1-0,28)2700 + 0,28·1030]125 + [(1 - 0,27)2655 + 0,27·1005]250 + 230 + 300 + [(1 - 0,18)2450 + 0,18·1000]250 + [(1 - 0,19)2490 + 0,19 1050]350+ [(1 - 0,19)2500 + 0,19 1010)350 + [(1 -0,17)2700 + 0,17·710]600} /3000= 2220,37 кг/м3.

По формуле (1.18)

р_г=2220,37·9,8·3000=65,3 МПа.

Пример 1.8 Пластовое давление на глубине 1900 м составляет 23 МПа. Требуется оценить коэффициент аномальности пластового давления.

Решение. Приняв р_в=1000 кг/м3, по формуле (1.27) находим

* Современные исследования опровергают закон, по которому пластовое давление с глубиной изменяется по закону гидростатики. Установлено, что пластовое давление только до глубины 1000-2000м. следует закону гидростатики. С глубиной пластовое давление приближается к геостатическому. Благодаря этому породы на большой глубине сохраняют пористость, проницаемость и находится в разуплотненном состоянии, что было убедительно доказано и бурением сверхглубинной скважины СГ-3 на Кольском полуострове.