книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

тивного воздействия флюидов недр над- и подсолевого комплек­ сов на период строительства и эксплуатации нефтяных скважин, а также после физической ликвидации скваадн по окончании их эксплуатации. Это обязательное условие исходит из необходимо­ сти обеспечить сохранность соляной толщи в состоянии, гаран­ тирующем промышленную безопасность и охрану недр на период последующей по времени подземной разработки залежи калий­ ных солей на участках, где соляная толща была вскрыта нефтя­ ными скважинами, ликвидированными до начала строительства предприятий по добыче калийных солей.

Реально удовлетворить указанному условию можно либо ос­ тавив предохранительные целики как под действующую скважи­ ну, либо придать ликвидированной нефтяной скважине состоя­ ние, аналогичное состоянию ликвидированной геологоразведоч­ ной на калийные соли скважине. Возможны также и другие кон­ структивные решения, связанные с удалением на отдельных уча­ стках скважины, испытывающих от подработки наибольшие деформации, элементов крепи и заполнением этих участков по­ датливым материалом, вследствие чего контакт горный массив - скважина выдерживает в целом неизмеримо большие деформа­ ции. Отметим, что эта мера является наиболее часто применяе­ мой при охране от подработки вертикальных шахтных стволов [1].

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы К ГЛАВЕ 5

1.Акимов А.Г., Хакимов Х.Х. Обеспечение безопасной эксплуатации шахтных стволов. - М.: Недра, 1988. - 216 с.

2.Барях А.А., Константинова СА., Асанов В А . Деформирование со­

ляных пород. - Екатеринбург, УрО РАН, 1996. - С. 91-107.

3.Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и зада­ чах. - М.: Недра, 1989. - 270 с.

4.Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М.: Недра, 1982. - 270 с.

5.Войтенко В.С. Управление горным давлением при бурении сква­

жин. - М.: Недра, 1988. - 181 с.

6. Войтенко В.С., Леонов Е.Г., Филатов Б.С. Прогнозирование скоро­ сти сужения ствола и расчет важнейших технологических параметров при пластических деформациях пород, слагающих стенки скважины//Нефтяное хозяйство, 1974. - № 8. - С. 21—24.

7.Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высшая школа, 1978. - 317 с.

8.ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. - М.: Изд-во стандартов, 1984.

9.ГОСТ 21153.3-85. Породы горные. Методы определения предела

прочности при одноосном растяжении. - М.: Изд-во стандартов, 1985. 10. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Методу определения деформа­

ционных характеристик при одноосном сжатии. - М.: Изд-во стандар­ тов, 1991.

11. Даныш Д.В., Леонов Б.Г., Филатов Б.С. Расчет скорости сужения ствола скважины в пластичных породах//Нефтяное хозяйство. - 1972. -

№ 6. - С. 9-12.

12. Еремеев Ю .А., Л е о н о в Е.Г., Филатов Б.С. К расчету обсадных труб на смятие неравномерным давлением соляных пород//РС Бурение газо­ вых и газоконденсатных скважин. - 1974. - № 3. - С. 21-28.

13. Еремеев Ю .А., Леонов Е.Г., Филатов Б.С. О сопротивляемости об­ садных труб неравномерному сминающему давлению соляных пород//Нефтяное хозяйстве. - 1974. - № 1. - С. 21-24.

14.Ержанов Ж .С., Сатинов А.С. и др. Ползучесть осадочных пород. - Алма-Ата: Изд-во «Наука» Казахской ССР, 1970. - 208 с.

15.Инструкция по защите рудников от затопления и охране объек­ тов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. - СПб.:

2004. Методические рекомендации к Инструкции по защите рудников от затопления и охране объектов в условиях Верхнекамского месторожде­ ния калийных солей. - СПб., 2004.

16.Инструкция по приготовлению, контролю качества и использова­ нию магнезиально-фосфатного тампонажного раствора РД 39-2-889-83.

17.Инструкция по расчету' обсадных колонн для горизонтальных

скважин. - М: А О О Т «ВНИИТнефть», 1999.

мышленности/Г.М. Толкачев, Ю.А. Дулепов, А.М. Шилов, В.А. Мордви­ нов. - М., 1987. - 45 с.

20.Кашников Ю .А., Гладышев С.В. Допустимые и предельные дефор­ мации конструкции скважины на нефть, строящейся на территории ВКМКС//Маркшейдерский вестник. - 2002. - № 1. - С. 11-17.

21.Кашников Ю .А., Гладышев С.В., Ашихмин С.Г., Проводников Г.Б.

Геомеханический анализ деформирования и разрушения конструктив­ ных элементов скважин ОАО «Сургутнефтегаз»//Нефтяное хозяйство, 2002. - № 1 1 . - С . 39-43.

22.Кашников Ю.А., Гладышев С.В., Катошин А .Ф ., Нефедов Н .И. На­ пряженно-деформированное состояние конструкции скважин Верхне­ камского месторождения калийно-магниевых солей//Нефтяное хозяйст­ во, 2001. - № 4. - С. 31-35.

23.Колотое А.В., Кошелев А.Т. Причины нарушения целостности экс­ плуатационных колонн в группах скважин на нефтяных месторождениях Западной Сибири. - Обзорная информ. Сер. Техника и технология обу­

стройства нефтяных месторождений. - М.: В Н И И О Э Н Г, 1999.

24.Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. - М.: Недра, 1978. - 494 с.

25.Методика расчета размеров предохранительных целиков вокруг

глубоких скважин в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (В К М К С ). - Пермь, 1996.

26. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. - М.: М И Р «Эльф-Акитен», 1994.

28.Правила промышленной безопасности при освоении месторожде­ ний нефти на площадях залегания калийных солей. Постановление Гос­ гортехнадзора России от 4.02.2002 за № 8.

29.Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. - Киев: Наукова думка, 1968.

30.Сидоров В.Л., Хитрое В.М., Кузьмин KD.Q. Концеп^я геодинамической безопасности освоения углеводородного потенциала недр Рос­ сии. - М.: Изд-во МГГРИ, 1998.

31.СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. Гос­ строй СССР. - М., 1984.

32.Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и

разрушения горных пород. - М.: Недра, 1992. - 223 с.

33.Charlez Fairhurst, Philippe. Rock Mechanic^. Volume 1,2. Petroleum applications. Teditions Technip. 27 rue Ginoux 75737 Paris 'oedex 15. 1997.

34.EUROCK-98. Rock Mechanics in Petroliiim Industry. Trondheim,

1998.

35.Rock at great depth - Rock mechanics and rock physics great depth/Proceedings of an international symposium, Pau, 28-31.08.89 1989. 1620 pp., 3 volumes, 295. - A.A.Balkema, P.O.Box 1675, Rotterdam, Nether­ lands.

36. Wittke, W.: Tunnelstatik. Grundlagen. W B I ~ Print 4. Verlag Glueckauf GmbH. Essen. - 1999.

ГЛАВА 6

ДЕФОРМИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРОВ

ВПРОЦЕССЕ ОТБОРА ФЛЮИДА

ИПРОДУКТИВНОСТЬ СКВАЖИН

В процессе эксплуатации добывающих скважин, в результате образования воронки депрессии в прискважинной зоне пласта наблюдается снижение пластового давления на 3,0-15,0 МПа. В случае отставания нагнетания воды для поддержания пласто­ вого давления или слабой сообщаемости нагнетательных и добы­ вающих скважин происходит расширение воронки депрессии, которая может охватывать значительные по площади участки залежи. В результате этого коллекторы пласта, особенно в при­ скважинной зоне, начинают испытывать дополнительную верти­ кальную нагрузку, приводящую к деформации порового про­ странства. При этом происходит как упругое, так и необратимое (пластическое) уменьшение емкостных и фильтрационных свойств пород. На возможность необратимого характера дефор­ мации песчано-алевролитовых пород в процессе эксплуатации скважин указывают многие исследователи [4, 16, 23, 24, 27, 38, 39].

Наличие необратимой деформации коллекторов обнаружено на многих месторождениях мира, где в процессе их разработки наблюдалось значительное снижение пластового давления. При этом было выявлено, что величина необратимой деформации коллекторов определяются не только величиной падения пласто­ вого давления, но также палеоглубиной залегания пласта, лито­ логическим типом пород и длительностью воздействия дополни­ тельных нагрузок на продуктивные отложения. На примере ме­ сторождений Западной Сибири установлено, что необратимая деформация коллекторов приводит не только к замедлению тем­ пов отбора нефти, но и к снижению нефтеотдачи пластов, что особенно ярко проявляется в низкопродуктивных залежах с не­ предельным нефтенасыщением коллектора или с высоким давле­ нием насыщения нефти газом, близким по величине к начально­ му пластовому давлению. Проявление необратимой деформации

коллекторов на месторождениях Западной Сибири привело, как отмечают специалисты института «СургутНИПИнефть», к поте­ ре десятков миллионов тонн извлекаемых запасов нефти. Вместе с тем они отмечают и целый ряд положительных моментов, свя­ занных с целенаправленным использованием деформации про­ дуктивных объектов [27, 30, 31, 32]. Данный вопрос подробно изучался также на месторождениях Северного моря при оценке уплотнения коллекторов и прогнозе оседаний морского дна, как описано в разделе 3.3.

Особую чувствительность к действующим нагрузкам испыты­ вают коллектора трещинного и трещинно-порового типов, кото­ рыми представлены карбонатные продуктивные объекты. Для них характерно быстрое и равномерное снижение пластового давления, массовое и порой резкое падение продуктивности скважин в начальный период эксплуатации, существенно нерав­ номерная продуктивность скважин по площади. Авторам на­ стоящей работы представляется, что многие пути решения задач сохранения и повышения продуктивности скважин, их рацио­ нального размещения связаны с механическими особенностями поведения под нагрузкой трещиноватых пород - коллекторов. К сожалению, на современном этапе проектирования вскрытие и разработка продуктивных объектов трещинно-поровых коллекто­ ров, особенности гидродинамического моделирования их разра­ ботки с учетом смыкаемости трещин и соответствующего паде­ ния трещинной составляющей проницаемости учитываются весьма слабо.

Остановимся вначале на основных закономерностях измене­ ния фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) поровых терригенных продуктивных объектов в процессе падения пластового давления. Очевидно, что основные закономерности изменения ФЕС продуктивных объектов в процессе падения пластового давления выявляются на основании гидродинамических исследо­ ваний скважин и на образцах керна в соответствующих опытах. Очень важным моментом при этом является методика проведе­ ния эксперимента и используемое оборудование. Отметим также, что наиболее подробные исследования влияния длительного дей­ ствия повышенных эффективных напряжений на снижение ФЕС терригенных коллекторов и последующую продуктивность сква­ жин, естественно, были выполнены для основных нефте- и газодобывающих регионов мира. В связи со сложностью и высокой стоимостью оборудования и программного обеспечения подобные эксперименты и последующий учет выявленных геомеханических эффектов в гидродинамических расчетах оказался возможным только в последние годы.

6.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

НА ФИЛЬТРАЦИОННО-ЕМКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРРИГЕННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

6.1.1. ОТДЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СНИЖЕНИЯ ФЕС ПРОДУКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ НА РАЗРАБОТКУ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Наиболее подробные и обстоятельные экспериментальные и теоретические исследования уплотнения коллекторов и соответ­ ствующего снижения ФЕС в России были выполнены для ме­ сторождений Западной Сибири [27, 30, 31, 32]. Они отмечают, что для месторождений Западной Сибири вопрос необратимой деформации коллекторов является весьма актуальным, так как продуктивные пласты сложены восприимчивыми к нагрузкам глинистыми песчано-алевритовыми породами полимиктового состава, содержащими неустойчивые зерна выветренных полевых шпатов и обломков пород. Глубина залегания продуктивных пла­ стов является максимальной за все время их геологического су­ ществования, поэтому породы не являются переуплотненными. Для выявления возможности необратимого снижения емкостно­ фильтрационных свойств коллекторов были проведены лабора­ торные исследования на керне в условиях, приближенных к пла­ стовым. Образцы керна, предварительно насыщенные керосином, подвергались как всесторонней, так и одноосной длительной пе­ регрузке давлениями, превышающими природные эффективные на 7,0-15,0 МПа. Результаты испытаний песчано-алевролитовых коллекторов III и IV классов представлены на рис. 6.1.1. Умень­ шение пористости и проницаемости коллекторов V класса имеет аналогичный вид. Из приведенных на рис. 6.1.1 результатов не­ обратимого уменьшения пористости и проницаемости коллекто­ ров при их перегрузке в течение длительного времени (2002200 ч) видно, что максимальная скорость деформации происхо­ дит в течение первых 200-250 ч. В последующем скорость де­ формации резко снижается. За весь период перегрузки происхо­ дит необратимое уменьшение пористости на 10-16 %, а прони­ цаемости - на 20-45 %. Отмечается значительно более интен­ сивное снижение проницаемости по сравнению с пористостью.

С целью использования оценки уменьшения емкостных свойств коллекторов при снижении пластового давления в зале­ жи или ее участках авторы работ [27, 30, 31, 32] пошли по пути установления зависимости пористости от эффективного давле-

Время нагружения lg /, ч

Рис. 6.1.2. Зависимость относительного изменения пористости от времени на­ гружения для песчаных пород I литотипа

проницаемости от величины уменьшения пористости. При этом величина уменьшения пористости от повышения нагрузки на породы пласта определяется с помощью предложенной зависи­ мости.

На величину деформации пород-коллекторов, кроме повыше­ ния давления, оказывает значительное влияние время действия дополнительных нагрузок. Поэтому при оценке величины уменьшения пористости при снижении пластового давления не­ обходимо учитывать продолжительность воздействия дополни­ тельных нагрузок на породы продуктивного пласта. Для этой цели в первом приближении можно использовать результаты исследований деформации коллекторов в течение длительного времени. По результатам этих исследований была построена за­ висимость относительной величины изменения пористости кол­ лекторов от времени действия дополнительной нагрузки для раз­ личных литотипов пород (рис. 6.1.2).

Для выявления зависимости изменения проницаемости от ве­ личины изменения пористости при снижении пластового давле­ ния в залежи были проведены лабораторные исследования на специально сконструированной и изготовленной установке, кото­ рая позволяет одновременно определить пористость и проницае­ мость образцов керна при различных уровнях всестороннего дав­ ления. Были изучены образцы пород-коллекторов продуктивных пластов месторождений центральной части Западной Сибири, залегающих в интервале глубин 2000-2800 м. На основании по­ лученных результатов были построены зависимости изменения проницаемости от величины изменения пористости для разных литологических групп коллекторов (рис. 6.1.3).

Изменение проницаемости, доли ед.

Рис. 6.1.3. Зависимость изменения проницаемости от пористости при сжатии песчаных пород I литотипа в компрессионных приборах (шифр кривых - глу­ бина залегания пласта)

Данные зависимости при оценке возможного уменьшения фильтрационных свойств коллекторов продуктивных пластов при снижении пластового давления можно использовать при глубине их залегания в интервале 1750,0-2750,0 м. Для построе­ ния аналогичных зависимостей для глубин выше 1750,0 и ниже 2750,0 м необходимо проведение дополнительных лабораторных исследований на керне пластов, залегающих в этих интервалах. Таким образом, проведенные исследования однозначно указыва­ ют на то, что коллектора месторождений Западной Сибири при образовании воронки депрессии в ПЗП и при падении в целом в залежи пластового давления испытывают необратимое снижение коллекторских свойств.

Используя полученные зависимости падения проницаемости и пористости в процессе длительного действия пониженного пла­ стового давления, а так же измененную формулу Дюпюи, можно провести оценку влияния на дебит и продуктивность скважин необратимого снижения коллекторских свойств пород как в при­ забойной зоне пласта при возникновении воронки депрессии, так и при снижении пластового давления в зоне дренирования пласта.

Использование полученных зависимостей позволило выяс­ нить, что применение высоких депрессий для пластов с прони­ цаемостью коллекторов менее 0,05-0,03 мкм2 может привести не к повышению продуктивности, а к ее снижению. На основании

проведенных исследований можно так же уверенно сказать, что падение пластового давления в зоне дренирования пласта суще­ ственно и необратимо снижает продуктивность скважин. Осо­ бенно это важно для залежей неоднородного строения с низко­ проницаемыми коллекторами, разработка которых при сущест­ вующей системе воздействия на пласт не позволяет сохранить неизменным пластовое давление в зонах дренирования скважи­ нами.

Проведенные В.П. Соничем, Н.А. Черемисиным и др. расчеты на модельных задачах для залежей с различными параметрами показали, что изменение извлекаемых запасов нефти определяет­ ся не только величиной необратимой деформации коллекторов, но и их начальными свойствами. Так для низко и среднепрони­ цаемых коллекторов (Кпр <0,1 мкм2) снижение пластового дав­ ления ведет к потере извлекаемых запасов нефти, а для высоко­ проницаемых коллекторов - к их росту. Расчеты КИН для низ­ копроницаемых коллекторов с учетом изменения пористости и проницаемости деформируемого коллектора показали, что доля добытой или недобытой нефти за счет неупругой деформации коллектора может достигать 20-30 %.

Оказалось также, что деформация пластов, отрицательно влияющая на их разработку на начальной стадии, может исполь­ зоваться как метод повышения нефтеотдачи на завершающей стадии. На завершающей стадии разработки, когда подвижна в основном вода, необратимая деформация коллектора увеличивает не только текущую насыщенность коллектора за счет уменьше­ ния порового объема, но и долю неподвижной или слабоподвиж­ ной воды, а, следовательно, приводит к кажущемуся уменьшению начальной остаточной нефтенасыщенности коллектора. Теорети­ ческие работы и эксперименты по вытеснению нефти водой, а также анализ промысловых данных подтверждают, что деформа­ ция коллектора на поздней стадии повышает фазовую проницае­ мость коллектора для нефти и снижает фазовую проницаемость для воды, а также и остаточную нефтенасыщенность.

По сути дела проведенные специалистами института «СургутНИПИнефть» эксперименты для месторождений Западной Сибири явились пионерными для всех остальных месторождений России. Они показали важность учета снижения фильтрационно­ емкостных свойств терригенных объектов в процессе падения пластового давления.

Результаты специалистов СургутНИПИнефти подтверждают­ ся исследователями, изучавшими деформирование месторожде­ ний нефти Северного моря, с той разницей, что в данном случае речь идет о сильном сокращении пористости и, как следст­