Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с

ных деформационных и прочностных свойств представляет сложную задачу, поскольку необходимо знать сами свойства, и они могут сильно меняться по пласту.

Экспериментальное моделирование реальных процессов деформирования и разрушения породы в окрестности горизонтальных скважин при наличии и отсутствии бокового распора было выполнено на уникальной экспериментальной установке Института проблем механики РАН – Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Установка позволяет нагружать образцы горных пород кубической формы с ребром 40 или 50 мм независимо по каждому из трех направлений, благодаря чему имеется возможность воссоздавать в образцах любые напряженные состояния, возникающие в пласте при бурении скважины, ее освоении и эксплуатации.

В докладе приведены результаты экспериментов, которые проводились для двух видов природного напряженного состояния – без бокового распора и при наличии бокового распора, когда оба горизонтальных напряжения равны между собойи составляют40 % отвертикального.

Было выполнено прямое физическое моделирование процесса деформирования и разрушения породы в окрестности горизонтальной скважины при создании в ней депрессии. В ходе экспериментов образцы нагружались напряжениями, возникающими в окрестности горизонтальной скважины при понижении давления на ее забое и фиксировались деформации образца по трем осям и изменение проницаемости в радиальном направлении.

Эксперименты по схеме «полый цилиндр» проводились на кубических образцах с центральным отверстием диаметром 10 мм. При отсутствии бокового распора образцы нагружались равномерно со всех сторон, а наличие бокового распора моделировалось неравномерным обжатием образцов в вертикальном и горизонтальном направлениях. В ходе всего эксперимента измерялся вес песка, выносимого через отверстие, и регистрировались деформации образца по трем осям.

На основании проведенных экспериментов был сделан вывод о том, что для правильной оценки допустимых эксплуатационных депрессий необходимо учитывать различие между вертикальной и горизонтальной составляющими горного давления. В противном случае значения допустимых депрессий будут значительно завышены.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 13-01-00823.

51

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ СКВАЖИН С ШИРОКОЙ ВАРИАЦИЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ДУЛИСЬМИНСКОМ НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

К.В. Бузанов, byzanovaltay@mail.ru, К.И. Борисов, kibor@tomline.ru

В докладе представлен анализ проблемы возникновения катастрофических поглощений промывочной жидкости в процессе сооружения направлений на Дулисьминском нефтегазоконденсатном месторождении (ДНГКМ), и сравнительная оценка геологического строения ДНГКМ и На- рыкско-Осташкинской площади Кемеровской области, на которой имеется успешный опыт решения аналогичной проблемы. На основе проведенного анализа предложено технико-технологическое решение по предотвращениюкатастрофическихпоглощенийдляусловийДНГКМ.

The paper focuses on the occurrence of catastrophic mud losses whilst drilling conductor holes in Dulisminskoye oil and gas condensate field and provides an analysis of the geological structure of Narynsko-Ostashkinskaya block, Kemerovo region, and Dulisminskoye oil and gas condensate field. The paper also presents an engineering solution aimed at catastrophic mud loss prevention.

Опыт ведения буровых работ показал, что процесс бурения интервалов скважин (0–300 м) под направления на Дулисьминском месторождении Иркутской области ведется при системном наличии несовместимых условий бурения, которые являются следствием распространения экзогенной трещиноватости горных пород в интервале Литвенцевской и Верхоленской свит. Так, например, на скважине № 1106 катастрофическое поглощение бурового раствора интенсивностью 20 кубических метров в час началось на глубине 50 м, на скважине № 713 с глубины 110 м и до глубины 300 м бурение велось в отсутствии циркуляции промывочной жидкости, на скважине № 202 во время бурения интервала 125–282 м имели место катастрофические поглощения бурового раствора разной степени интенсивности. В итоге общие потери промывочной жидкости за интервал составили 580 м3.

Бороться с серьезными поглощениями, и на такой глубине, облегчением бурового раствора технически не представилось возможным.

52

Закачивание кольматационного материала в трещиноватые пласты также не принесли требуемого эффекта. В результате, срок сооружения секции направления на скважинах Дулисьминского месторождения составляет до 20 дней.

Был изучен имеющийся успешный опыт внедрения пневмоударного способа разрушения горной породы в условиях бурения НарыкскоОсташкинской площади (Кемеровская область) и результаты бурения компании ООО «Интес» с применением погружного пневмоударника на Куюмбинском месторождении (Красноярский край).

Проанализированы литолого-геологическая обстановка рассматриваемых месторождений, состав пород, слагающих проблемные интервалы свит, генезис, условия залегания.

Полученные в ходе исследования результаты анализа тектонической обстановки региона, литологической характеристики пород, слагающих разрез скважины, состава пород, процесса формирования геологической площади, а также схожесть геологических условий Дулисьминского НГКМ, Куюмбинского нефтяного месторождения и На- рыкско-Осташкинской площади на предмет наличия трещиноватости, изломов, окремнелости в породах и успешность опыта применения пневмоударного способа разрушения горной породы при бурении с продувкой воздушным аэрозолем на Нарыкско-Осташкинской площади и Куюмбинском месторождении нельзя не отнести в пользу решения проблемы сооружения направлений на Дулисьминском НГКМ внедрением опережающего ударно-вращательного бурения с применением продувки газообразным рабочим агентом.

53

ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГЕОМЕХАНИКИ НЕФТИ И ГАЗА

М.А. Карасев, rock_mechanics_2015@mail.ru

В докладе представлены методы решения задач геомеханики, которые могут быть успешно применены для решения задач гидроразрыва скважины или пласта с учетом распространения давления жидкости в формируемую трещину, исследования деформирования и разрушения горной породы и других задач механики разрушения.

Традиционно к задачам геомеханики нефти и газа можно отнести обоснование параметров устойчивости стенок скважины и обсадных труб, выбор параметра бурового раствора при бурении скважин, Прогноз деформаций породного массива и земной поверхности при разработке месторождений жидких и газообразных углеводородов, оптимизация процессов разработки месторождения, прогноз мгновенной и длительной устойчивости камер для хранения нефти и газа, обоснование параметров подземных магистральных трубопроводов в сложных инже- нерно-геологических условиях и другие сложные геомеханические проблемы. Для решения большинства из них применяются стандартные широко себя зарекомендовавшие себя методы, основанные на уравнениях механики сплошной среды, такие как метод конечных элементов, метод граничных интегральных уравнений, метод конечных разностей.

Область применения этих методов имеет ограничение, и для решения ряда задач геомеханики нефти и газа необходимо применять новые для данной области знаний методы и подходы. Так, для решения задач в больших деформациях, где относительные деформации расчетной области превышают на порядки деформации при решении стандартных задач, традиционные сеточные методы испытывают проблемы со сходимостью, что обусловлено значительным искажением расчетной сетки. Для решения таких задач могут быть использованы методы, основанные на решении уравнений в Эйлеро–Лагранжевой постановке или методе сглаженных частиц. Применения таких методов оправдано для решения следующих практических задач: оценки влияния внедрения в морское дно айсбергов на напряженно-деформированное состояние подводных трубопроводов или решения задач по моделированию установки опор нефтяной платформы и оценки ее эксплуатационной надежности.

54

Еще одним направлением решения задач геомеханики нефти и газа, где традиционные методы весьма ограничены в применении являются задачи моделирования роста трещин и разрушения пород под внешним воздействием или за счет изменения естественного поля напряженного состояния. Для решения этих задач может применяться расширенный метод конечных элементов, который за счет введения фантомных узлов позволяет искусственно виртуально разделить элемент при выполнении определенных критериев и моделировать рост одной или нескольких непересекающихся друг с другом трещин. Распространение трещины определяется изменением напряженно-деформированного состояния, а направление роста трещины не предопределено. Перестроение конеч- но-элементной сетки в процессе роста трещин не требуется, что в значительной степени снижает трудоемкость решаемой задачи.

Другой метод для решения задач геомеханики разрушения, который активно развивается на кафедре СГПиПС, является метод дис- кретно-сплошной среды для моделирования сложных процессов статического и динамического разрушения среды произвольной формы с наличием неоднородностей и включений. Данный метод позволяет разделить описание процессов деформирования в допредельной стадии и запредельной естественным образом. Процессы деформирования до момента разрушения описываются на основании теории упругости или упругопластического течения. Формирование микро- и макротрещин их рост, распространения и формирование магистральных трещин выполняется в рамках механики разрушения. Плоскости ослабления не предопределены, а формируются в процессе расчета с учетом методов механики разрушения твердого хрупкого тела. Возможность в явном виде учесть наличие существующих трещин, других видов дефектов, неоднородностей, а также рост трещин между ними.

Представленные выше методы могут быть успешно применены для решения задач гидроразрыва скважины или пласта с учетом распространения давления жидкости в формируемую трещину, исследования деформирования и разрушения горной породы и других задач механики разрушения.

Появление новых метод, нетрадиционных для решения задач геомеханики нефти и газа позволяют по-новому, с более высокой степенью достоверности моделировать отдельные геомеханические процессы и решать сложные задачи, математическое решение которых раньше отсутствовало или выполнялось со значительным количеством допущений.

55

ОПЫТ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ СТРОИТЕЛЬСТВА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКВАЖИН КОВЫКТИНСКОГО ГКМ

С.В. Кожевников, S.Kozhevnikov@gazpromgeofizika.ru, Р.Д. Ахметсафин, r.ahmetsafin@gazpromgeofizika.ru

Представлено краткое описание горно-геологической среды имеющегося объема и качества исходной геолого-геофизической и геологотехнологической информации, и этапы построения геомеханической модели Ковыктинского ГКМ. Описаны механизмы замещения недостающих для моделирования данных. Приведена технология, позволившая построить модель применением отечественных инструментальных программных средств. По результатам геомеханического моделирования представлены рекомендации по строительству эксплуатационных скважин в сложных горно-геологических условиях Ковыктинского ГКМ.

Experience geomechanical modeling of wells Kovykta gas condensate

field.

Description of the geological environment, the available amount and quality of the original geological, geophysical and geotechnical information, and the steps of constructing a geomechanical model of the Kovykta gas condensate field is presented in this work. Describes the mechanisms of substitution for missing data modeling. The technology that allowed building a model using domestic software tools. According to the results of geomechanical modeling recommendations for the construction of production wells in complex geological conditions of the Kovykta gas condensate field is presented.

Одним из основных факторов при бурении скважин в сложных горно-геологических условиях является учет напряженно-деформи- рованного состояния толщи вскрываемых пород. Применение геомеханического моделирования позволяет оценить и спрогнозировать ре- жимно-технологические параметры при составлении проектов на строительство скважин. Для Ковыктинского ГКМ сложность горногеологических условий определяется разломной тектоникой, рапопроявлениями, зонами поглощения бурового раствора и АВПД.

При решении задач геомеханического моделирования коллективисполнителей в составе ООО «Газпром георесурс», ООО НПО «Союзнефтегазсервис», ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта, ООО «ЦАСД МГУ им. М.В. Ломоносова» столкнулся с основной трудностью – неполнотой исходных данных. Это прежде всего:

56

Отбор керна по 37 скважинам Ковыктинского месторождения производился только из парфеновского горизонта. Анализ для вышележащих толщ не проводился.

На момент выполнения работ по геомеханике имелась 2D-сейсмика и всего 70 км2 3D-сейсмики. В условиях сложнопостроенной геологической среды проведение динамического анализа по данным 2D однокомпонентных сейсмических исследований представлялось нецелесообразным.

Ряд ГИС, таких как ГГК, представлен только в продуктивных интервалах. Современные методы ГИС (кросс-дипольная акустика и сканирующие методы) применялись лишь в единичных скважинах.

Решение проблемы неполноты данных осуществлялось по двум направлениям:

Поиск материалов по механическим свойствам пород аналогичных месторождений и геологических сред и представление их в виде корреляционных зависимостей как для отдельных типов пород (песчаников, доломитов, известняков и др.), так и в обобщенном виде.

Построение регрессионных зависимостей, позволяющих дополнять необходимый набор физико-механических параметров для геомеханического моделирования.

На первом этапе работ создана методика построения геомеханической модели с максимальным использованием отечественных программных продуктов. Далее проведено районирование исследуемой территории по степени прогнозной достоверности геомеханической модели на основании анализа представимости исходных данных. Каркас модели построен по данным 2D-сейсморазведки, включает в себя 7 опорных горизонтов, а также разломные нарушения.

В результате построена базовая геомеханическая модель месторождения. На основе оригинальной методики выполнен анализ напряжений, деформаций и поровых давлений на всех структурных уровнях, установлены места возникновения пластических деформаций. Расчетное распределение поровых давлений согласуется с оценками распределения аномальных зон порового давления, полученными на основе анализа сейсмических данных. Модель позволяет выполнять расчет прочности и устойчивости скважин, а также в дальнейшем оценивать изменение напряженного состояния коллектора в процессе разработки месторождения.

57

ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД

АНДРЕЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

А.А. Предеин, Andrej.Predein@pnn.lukoil.com, П.И. Клыков, Pavel.Klykov@pnn.lukoil.com

Проведен сбор и анализ геологической и геофизической информации по Андреевскому месторождению. Были исследованы процессы изменения состава, структуры и физико-механических свойств отложений девонской системы под воздействием буровых растворов. Проведена оптимизация состава и свойств растворов, используемых для бурения горизонтальных скважин на девонские отложения. Построена геомеханическая модель для Андреевского месторождения, определено безопасное окно плотности бурового раствора, даны рекомендации по выбору траектории ствола скважины.

Performed analysis of geological and geophysical information on the Andreevskoe oil field. Analyzed processes of the changes in composition, structure and physico-mechanical properties of the Devonian deposits under influence of drilling fluids. Mud formulation was optimized for drilling horizontal wells through the Devonian deposits. Performed geomechanical model for the Andreevskoe field, determined safety mud weight window, offers advice on selecting the borehole trajectory.

Добыча трудноизвлекаемых запасов девонской системы – перспективное направление геологоразведочных работ в Пермском крае. Региональным флюидоупором девонских залежей служат аргиллиты и глинистые породы тиманского горизонта. Бурение наклонно-нап- равленных скважин в этих отложениях зачастую сопровождается осложнениями, связанными с неустойчивостью стенок скважины. Целью работы явилась разработка комплексной технологии безаварийной проводки скважин с горизонтальным окончанием на отложения девонской системы (на примере Андреевского месторождения). Комплексный подход в данном случае подразумевает решение двух основных задач: построение геомеханической модели устойчивости пород девонской системы с выдачей рекомендаций по подбору плотности бурового раствора и наиболее безопасной траектории скважины; исследование процессов изменения состава, структуры и физико-механических свойств отложений девонской системы под воздействием буровых растворов с выдачей рекомендаций по оптимизации состава и свойств

58

растворов, используемых для бурения горизонтальных скважин на девонские отложения. Отработана технология построения геомеханической модели на примере Андреевского месторождения с использованием программного обеспечения Drillworks компании Halliburton.

В результате выполненной работы определены физико-меха- нические и прочностные свойства пород тиманского терригенного горизонта; изучена ориентация горизонтальных напряжений и определен наиболее безопасный азимут для бурения скважин на Андреевском месторождении; предложен компонентный состав инвертно-эмульсион- ного раствора с использованием комплекса микрокольматантов. Раствор рекомендован для строительства горизонтальных скважин на девонские отложения в Пермском крае.

59