Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

УДК 622.02:531+622.83 ББК 33.36

К12

Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г.

К12 Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 467 с.: ил.

ISBN 978-5-8365-0284-3

ГТТредставлены предмет, методы и основные задачи механики горных пород при разработке месторождений нефти и газа. Описаны модели механики горных пород, наиболее часто используемые для описания на­ пряженно-деформированного состояния пород-коллекторов месторожде­ ний углеводородов. Значительное внимание уделено расчетам параметров процесса сдвижения горных пород, устойчивости нефтяных и газовых скважин, проблемам геодинамики недр. Описаны аналитические и чис­ ленные решения задач уплотнения коллекторов, соответствующего сни­ жения фильтрационно-емкостных свойств и продуктивности скважин. J

Для инженерно-технических работников нефтяной и газовой про­ мышленности, работников научно-исследовательских и проектных инсти­ тутов. Может быть полезна студентам вузов.

Kashnikov Yu.A., Ashikhmin S.G.

Rock mechanics in petroleum industry.

Consideration is given to a subject, methods and basic problems in rock mechanics while development of oil and gas fields. Models of rock mechanics most frequently used for determination of stress-strain state of rock mass, which serve as collectors of hydrocarbon fields, are described. Attention is focused on calculating parameters of rock subsidence, stability of oil and gas wells, problems relevant to geodynamics. Also described are analytical and numerical solution of problems concerning collector sealing, following reduction in filter-capacity performance and well productivity.

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленные и все возрастающие случаи опасных геодинамических и геомеханических явлений, связанные с освоением недр, а именно с добычей твердых полезных ископаемых, разра­ боткой месторождений углеводородного сырья, строительством подземных сооружений и высотных плотин, закачкой отходов производства в глубокие поглощающие горизонты, заставляют рассматривать эти факторы как неотъемлемую характеристику техногенного воздействия человека на недра. Помимо чисто эко­ логических и технологических опасностей, которые приносят данные явления, они становятся в отдельных случаях фактором социально-экономической напряженности региона освоения недр. Вместе с тем, из опыта разработки месторождений твердых по­ лезных ископаемых, строительства подземных сооружений, хо­ рошо известно, что познание геодинамических и геомеханических факторов, умелое управление ими и даже их использование мо­ гут значительно повысить экономичность освоения недр.

Общепризнанно, что один из наиболее существенных видов техногенного воздействия на недра связан с добычей нефти и газа. Разработка нефтяных и газовых месторождений и связан­ ные с ней изменения пластового давления, различные виды воз­ действия на залежь для поддержания пластового давления и по­ вышения нефтеотдачи нарушают природное напряженно-дефор­ мированное состояние недр, создавая предпосылки для возник­ новения сильных и даже катастрофических природно-техноген­ ных явлений, которые приводят к деформациям горного массива и земной поверхности, повреждениям и авариям систем и объек­ тов обустройства, а также скважин и коммуникаций.

Безусловно, сильные и, в ряде случаев, катастрофические геодинамические и геомеханические события природно-техноген­ ного происхождения на разрабатываемых месторождениях угле­ водородов и других природно-технических системах и объектах нефтегазового комплекса представляют сравнительно редкое яв­

ление, опасность которого не стоит преувеличивать, однако не стоит и недооценивать. Прогнозирование этих событий и сниже­ ние масштабов их последствий являются актуальной проблемой, поскольку их возникновение может иметь катастрофические для предприятия и природной среды последствия.

Другой чрезвычайно важный аспект геомеханического поведе­ ния горных пород при освоении недр связан с их использовани­ ем для повышения эффективности добычи нефти и газа. Устой­ чивость скважин тесно связана с геомеханическими характери­ стиками массива, его структурными особенностями и его исход­ ным напряженным состоянием. Продуктивность скважин тес­ нейшим образом зависит от наличия дренажно-канальных тре­ щинных систем в коллекторе и от смыкаемости трещин в ходе падения пластового давления. Фильтрационно-емкостные свой­ ства продуктивных объектов также меняются в ходе изменения пластового давления и в значительной степени определяются происходящими геомеханическими процессами. Познание меха­ нических процессов, происходящих в недрах, может помочь в определении мест заложения новых скважин и в целом опреде­ лении плотности сетки скважин.

Механика горных пород на протяжении двух прошедших де­ сятилетий являлась яркой темой исследований в нефтяной зару­ бежной промышленности. На это указывают серьезные исследо­ вания в данном направлении специалистов фирмы «Шлюмберже», проведение нескольких европейских и мировых конгрессов по проблемам механики горных пород при нефте- и газодобыче («EUROCK-94», «EUROCK-98» и др.), многочисленные публи­ кации в ведущих мировых научных изданиях. Тематика исследо­ ваний чрезвычайно широка, так как практически все аспекты раз­ ведки и добычи углеводородного сырья касаются данной области знаний. Вместе с тем, основное внимание уделяется таким про­ блемам, как прогноз и мониторинг деформаций земной поверх­ ности, прогноз и мониторинг техногенных сейсмических явлений, снижение фильтрационно-емкостных свойств при уплотнении коллекторов и падение продуктивности скважин, устойчивость и разрушение поверхностных нефтепромысловых систем и сква­ жин, гидроразрыв пласта, разрушение призабойной зоны пласта.

Деформации и оседания земной поверхности обнаруживаются чаще всего по достижении ими определенных опасных значений, а также по нарушениям подземных и поверхностных инженер­

ных объектов, когда уже необходимо затратить значительные средства на восстановление поврежденных объектов. Начальные стадии этих процессов можно обнаружить только на основе спе­ циального маркшейдерско-геодезического мониторинга. Сущест­ вующий опыт исследования и прогнозирования просадок земной поверхности свидетельствует о том, что сильные их проявления возможны в случае:

наличия аномально высоких пластовых давлений (АВПД) и разработки продуктивных объектов без поддержания пластового давления;

низких прочностных и деформационных характеристик резер­ вуара;

наличия высокой пористости пород-коллекторов (до 30-

40%); относительно небольшой глубины разрабатываемых залежей

(до 2000 м); значительной суммарной мощности продуктивных отложений.

Для большей части месторождений скорости просадок состав­ ляют умеренные значения - один-два сантиметра в год, а сум­ марные (накопленные) значения просадок земной поверхности не превышают десятков сантиметров. Однако зафиксированный диапазон оседаний поверхности при разработке углеводородов весьма велик - наблюдаются оседания от нескольких миллимет­ ров до нескольких метров, и в связи с этим обстоятельством маркшейдерско-геодезический мониторинг и прогноз деформаци­ онных процессов при разработке месторождений углеводородов являются обязательной нормой цивилизованной эксплуатации природных ресурсов.

При извлечении флюида (воды, нефти или газа) известны многочисленные случаи сейсмических явлений. Механизмов данных явлений может быть несколько: выделение техногенной сейсмической энергии связано с высвобождением основной сейсмической энергии находящегося поблизости сейсмически активного региона (очага); диффузия напряжений, возбуждаю­ щих сейсмические события; локальная реакция типа гидроразры­ ва на закачивание жидкости; восстановление равновесия регио­ нального масштаба, связанное с перемещением жидкости, акти­ визация тектонически активных зон и нарушений.

Среди специалистов существуют разные мнения о возможно­ сти прогноза природных землетрясений, и эти мнения меняются

со временем. Иногда преобладает крайний пессимизм, иногда - крайний оптимизм. Однако совершенно определенно можно ска­ зать, что к началу XXI-го столетия ученые не решили эту фун­ даментальную для человечества проблему. И, тем более, сложнее обстоит дело с прогнозом техногенных землетрясений, которые пока еще представляют единичные явления, появившиеся в по­ следние три десятилетия. Еще не выяснены механизм этих явле­ ний, условия их возникновения, зависимость от природных и технологических факторов.

Вполне ясно, что на современном уровне знаний о техноген­ ной геодинамике недр невозможно разработать какой-то метод, позволяющий прогнозировать место и время очередного техно­ генного землетрясения. По всей вероятности, в обозримом буду­ щем можно будет лишь ответить на вопросы: возможны ли тех­ ногенные сейсмические явления при разработке конкретного ме­ сторождения и если да, то какой силы, и какой из механизмов присутствует при наведении техногенной сейсмоактивности. Од­ нако, познав механизм данных явлений, можно проектировать превентивные меры, снижающие негативность их проявлений. Безусловно, что это одна из самых важных геодинамических проблем, стоящих перед специалистами нефтегазовой отрасли.

Анализ мирового и отечественного опыта диктует необходи­ мость создания целостной системы геодинамической и геомеханической безопасности освоения углеводородного потенциала, которая должна не только увязать стратегические, оперативные, технические и организационные меры защиты от возможного воздействия современных опасных процессов природно­ техногенного генезиса на природно-технические системы газово­ го комплекса, но и способствовать повышению эффективности разработки месторождения. Основным принципом создания сис­ темы геодинамической безопасности должны стать обеспечение заданного уровня защищенности природно-технических систем нефтегазового комплекса от возможного развития опасных при­ родно-техногенных явлений, а также внедрение конкретных тех­ нических решений, направленных на повышение эффективности разработки месторождения на основе выявленных закономерно­ стей проявления геомеханических и геодинамических процессов.

В процессе эксплуатации добывающих скважин, в результате образования воронки депрессии в прискважинной зоне пласта наблюдается значительное снижение пластового давления. По

мере работы добывающих скважин происходит расширение во­ ронки депрессии, которая может охватывать значительные по площади участки залежи. В результате этого коллекторы пласта, особенно в прискважинной зоне, начинают испытывать дополни­ тельную вертикальную нагрузку, приводящую к деформации порового и трещинного пространства. При этом происходит как упругое, так и необратимое (пластическое) уменьшение емкост­ ных и фильтрационных свойств пород.

Наличие необратимой деформации коллекторов обнаружено на многих месторождениях мира, где в процессе их разработки наблюдалось значительное снижение пластового давления. При этом было выявлено, что значения необратимой деформации коллекторов определяются не только значением падения пласто­ вого давления, но также палеоглубиной залегания пласта, лито­ логическим типом пород и длительностью воздействия дополни­ тельных нагрузок на продуктивные отложения. На примере месторождений Западной Сибири установлено, что необратимая деформация коллекторов приводит не только к замедлению темпов отбора нефти, но и к снижению нефтеотдачи пластов. Проявление необратимой деформации коллекторов на место­ рождениях Западной Сибири, по мнению специалистов, при­ вело к потере десятков миллионов тонн извлекаемых запасов нефти.

Особую чувствительность к действующим нагрузкам испыты­ вают коллекторы трещинного и трещинно-порового типов, кото­ рыми представлены глубокозалегающие продуктивные объекты. Для них характерны сравнительно быстрое и равномерное сни­ жение пластового давления при использовании редкой сетки разведочных скважин, непредсказуемая динамика обводненности скважин, существенно неравномерная продуктивность скважин. Все эти явления связаны с механическими особенностями пове­ дения под нагрузкой трещиноватых пород-коллекторов. К сожа­ лению, на современном этапе проектирования вскрытия и разра­ ботки продуктивных объектов трещинно-поровых и даже чисто поровых коллекторов особенности их поведения под нагрузкой учитываются весьма слабо. Особенности учета деформирования пористых консолидированных и, тем более, деформируемых тре­ щиноватых сред практически не учитываются в гидродинамиче­ ском моделировании и создании технологических схем разработ­ ки месторождений.

Устойчивость скважин при их строительстве и в процессе по­ следующей эксплуатации - традиционная проблема механики горных пород. Точные аналитические решения механики горных пород не потеряли своей актуальности, но с появлением числен­ ных методов стали вытесняться из инженерной практики. При большом разнообразии строения и свойств горных пород, кото­ рые пересекает ствол скважины в процессе ее проходки, после­ дующего крепления и работы чрезвычайно трудно разработать модель, которая могла бы описать напряженно-деформированное состояние вскрытых разновидностей горных пород и использо­ вать ее в качестве основы проекта. Такая модель должна быть достаточно простой, чтобы разработанные на ее основе методы исследований устойчивости и разрушения горных пород можно было применять с уверенностью и без чрезмерных затрат труда. В связи с этим одно из центральных мест в механике горных пород при разработке месторождений углеводородов занимает создание модели деформирования горного массива.

Создание модели деформирования горного массива примени­ тельно к разработке углеводородов является более сложной про­ блемой, чем решение аналогичной проблемы при разработке твердых полезных ископаемых, строительстве подземных соору­ жений или возведении высотных плотин. В данном случае ис­ следователь если и проникает в недра Земли, то это проникнове­ ние определяется всего лишь диаметром скважины. Все осталь­ ные возможности познания массива пород (геофизические и др.) несут косвенную, требующую умелой интерпретации, информа­ цию. Дополнительные сложности вносят эффекты консолидации массива при его вскрытии и извлечении флюида, термические напряжения, а также, чаще всего, полная неопределенность с ис­ ходным полем напряжений.

Знание исходного тензора напряжений, его ориентации и ве­ личины, имеет фундаментальное значение в нефтяной промыш­ ленности, так как этот параметр влияет на многие аспекты раз­ ведки и разработки углеводородов. Достаточно отметить, что трещина гидроразрыва пласта (ГРП) растет в направлении наи­ большего сжатия, следовательно, зная направление максимально­ го главного напряжения, и тем более, его значение, можно гораз­ до более эффективно проектировать и выполнять ГРП. Овализация ствола скважины, ее разрушение являются также следствием действия высоких анизотропных напряжений. Явления разруше­

ния призабойной зоны, или пескопроявления, наносящие боль­ шой ущерб оборудованию нефте- и газопромыслов, также явля­ ются следствием действия природного поля напряжений, при этом, естественно, накладываются эффекты консолидации кол­ лекторов, слабость их прочностных свойств.

Изучение физико-механических и компрессионных свойств продуктивных объектов - чрезвычайно сложный раздел механи­ ки горных пород. Как учесть при определении геомеханических параметров продуктивных объектов на образцах керна, добывае­ мого из скважин на глубинах 4 км и более, многочисленные эф­ фекты, связанные с разгрузкой образца от действующих высоких, чаще всего анизотропных напряжений, анизотропию свойств са­ мого образца, влияние высоких температур, насыщенность по­ ристой среды и целый ряд еще не менее значимых проблем? В связи с этим параметрическое обеспечение самых оригинальных численных моделей деформирования горного массива чаще всего становится непреодолимой преградой при практической реализа­ ции этих моделей. В этих условиях исследователь вынужден ис­ пользовать, порой, наиболее простые модели и подбирать входя­ щие в них коэффициенты на основе эмпирических знаний. Од­ нако использование простых моделей, например, в оценке устой­ чивости ствола скважины в процессе бурения не позволяет вы­ явить истинные сложные механизмы деформирования пород. Многочисленные работы А. Гено, Ф.Ж. Сантарелли, В. Мори, И.Т. Брауна показали это.

Сложность проблем, представленных в данной книге, опреде­ ляется недостаточной разработкой теоретических и методических основ процессов деформирования горных пород, недостаточным количеством накопленной информации, многовариантностью по­ лучаемых решений и сложностью происходящих в недрах про­ цессов. Определенные трудности в реализации задач связаны также с нестабильностью финансирования, в результате чего большой объем исследований остается незавершенным и теряет­ ся значительная часть необходимой информации.

Книга написана по материалам многочисленных исследова­ тельских работ, выполненных в Пермском государственном тех­ ническом университете. Авторы не претендуют на широту охвата и завершенность исследований, так как фактически это первая в отечественной литературе книга по механике горных пород при