В данной статье указаны дополнительные факторы, оказывающие влияние на точность получаемой геологической модели; перечислены основные типы моделей, используемые в технологии геомеханического моделирования.

Ключевые слова: геомеханическое моделирование, геомеханика, прочность, дилатансия, разрушение, эффект Ребиндера, упругая модель, неупругая модель, модель деформирования в процессе падения пластового давления.

Основная цель разработки месторождений — наиболее полное извлечение полезных ископаемых с помощью рациональных геолого-технологических мероприятий. Ввиду того, что углеводороды накапливаются в поровых пространствах, а продвигаться к скважине способны лишь по системам открытых пор и трещин, то открытые поры и трещины и представляют собой основные элементы оперирования.

Насыщенную пористую среду с точки зрения механики сплошной среды можно рассматривать как двухфазную: одна фаза — флюид, другая — твердые частицы скелета. При этом все пространство элементарного макрообъема заполнено двумя сплошными средами, которые проникают друг в друга. Вывод уравнений состояния твердой фазы среды осложняется наличием двух систем напряжений, одна из которых представляет гидростатическое сжатие сплошного материала под действием порового давления, вторая — деформацию скелета имеющимися в нем напряжениями. [1]

Экспериментально доказано, что увеличение порового давления приводит к снижению прочности горных пород при любых величинах напряжений. Снижение прочности происходит нелинейно благодаря образующимся заполненным и незаполненным площадкам отрыва.

Давление флюида Рф, создаваемое в трещинах отрыва b, противодействует напряжению и снижает его воздействие. При полной проницаемости материала, когда каждая микротрещина b, входящая в плоскость w, доступна для создания в ней давления флюида Рф, прочностная характеристика материала определяется величиной эффективного напряжения [13]:

где — эффективное напряжение, — минимальное напряжение,

Рф — поровое давление.

При прочность материала равна прочности при одноосном сжатии.

Уравнение состояния твёрдой фазы состоит из гидростатического сжатия под действием порового давления с одной стороны и деформации скелета под напряжениями с другой:

где Gij — полные средние напряжения в двухфазной среде; n — средняя пористость среды; — средние напряжения в скелете; Рг — давление газа.

Пористость, трещиноватость определяются не только лишь исходным состоянием горной породы, но и взаимовоздействием условных участков друг на друга. Под воздействием нормальных напряжений происходит сжатие, уменьшение пористости. Но ввиду деформируемости пород процесс не столь однозначен. Дилатансия (пластическое разрыхление пород) составляет конкуренцию сжатию и объём пор наоборот может увеличиваться от новообразований трещин и полых пространств, образуется дополнительная пористость.

В предельном состоянии горных пород величина пористости равна сумме значений пористости в начальный момент времени и дополнительной пористости, обусловленной процессом деформационного разупрочнения. [1]

Способность к разрушению, а следовательно, и изменению ФЕС, регулируется так же и химическими процессами. А именно, контактирование содержащегося флюида с кристаллической решёткой скелетообразующего материала вносит в прочностные способности некоторые коррективы.

Яркий представитель химического воздействия на прочностные характеристики горных пород — эффект Ребиндера, расклинивающий эффект. Флюид, проникая в тонкие трещины, способен играть роль клина и раздвигать стенки. При сближении твёрдых веществ, погруженных в жидкость, расклинивающий эффект также имеет место быть.

Эффект Ребиндера — изменение механических свойств твёрдых тел вследствие физико-химических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела, что может приводить к деформации. [2]

Природа эффекта Ребиндера связана с уменьшением удельной свободной поверхностной энергии (УСПЭ) разрушаемых минералов горной породы при избирательной физической адсорбции молекул жидкости на возникающих свежих поверхностях адгезионного или когезионного происхождения. [3]

В основе все актуальные модели механики горных пород основаны на механике сплошной среды. Характерна некоторая идеализация основных свойств пород под нагрузкой таких как упругость, пластичность, ползучесть.

Упругая модель — основа для более сложных моделей. В ней предполагается, что оказываемые напряжения не превышают предела прочности, соответственно происходят лишь упругие обратимые деформации.

Неупругие модели. Напряжения зачастую оказывают отпечаток на горной породе в виде деформаций и трещин, требуется введение моделей, учитывающих эти изменения. Граничное состояние между упругой и неупругой деформацией определяется методом Кулона-Мора

Однако же, породы не обладают изотропностью настолько, чтобы можно было обходиться данным законом. Для учёта простейшей анизотропности — слоистости, систему уравнений приводят в матричный вид с последующим доучётом неоднородности. Образуется система именуемая как модель транверсально-изотропного упругого тела.

Жесткопластическая модель — модель, учитывающая лишь фазу пластических деформаций, пренебрегая упругими деформациями. В жесткопластическую модель так же введены жёсткие элементы, которые не подвергаются деформации в принципе.

Упругопластическая модель учитывает и упругие деформации.

Упруговязкопластическая модель включает в себя как упругий, вязкий элементы и элемент трения. Вязкий элемент добавляет эффект замедления деформации, деформация растёт не моментально увеличению напряжений, а с течением времени. Вводится производная деформации по времени.

Модель деформирования впроцессе падения пластового давления. Вкачестве базовой модели деформирования применяется шатровая модель. К ней добавляются различные модификации для типов грунтов и пород, реализуется механика сплошных сред. К расчётам вводятся следующие величины: эффективное гидростатическое напряжение; минимальное эффективное напряжение; максимальное эффективное напряжение; девиаторное напряжение; коэффициент пористости; модуль разупрочнения.

Вывод: важной частью геомеханического моделирования является знание не только лишь текущих напряжений пород, но и зависимости деформаций от нагрузок. Химическое воздействие вносит коррективы в прочностные свойства. Математика геомеханических локальных процессов основывается на упругой, неупругой моделях. В формате пласта действует модель деформирования в процессе падения пластового давления, основанная на шатровой модели.

Литература:

1. Протосеня А. Г. Предельное состояние насыщенных горных пород и прогноз устойчивости добывающих скважин // Нефтяное хозяйство. — 2015. — № 2. — С. 24.
2. Эффект Ребиндера // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Ребиндера (дата обращения: 16.10.2018)
3. Евсеев В. Д. Природа эффекта Ребиндера при разрушении горных пород // Нефтяное хозяйство. — 2011. — № 2. — С. 38.