книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья
..pdfвие, существенном изменении извлекаемых запасов. Обнаруже ние в 1984 г. уплотнения коллектора и оседаний морского дна на месторождении Экофиск показало, что при гидродинамическом моделировании необходимо учитывать уменьшение порового объема залежи (см. главу 3). Специалисты, занимающиеся про блемами геомеханики и гидродинамики установили, что при па дении пластового давления только часть нагрузки от покрываю щей толщи переносится от пластового флюида на породы кол лектора и окружающий массив. Способность перераспределять нагрузку на окружающий массив зависит от жесткости покры вающих пород.
В реальных условиях покрывающие породы могут иметь раз личную степень жесткости, поэтому на окружающий массив пе реносится некоторая часть нагрузки от вышележащих пород. Это явление обычно называют арочным эффектом. В случае коллек тора Экофиск на величину арочного эффекта влияет жесткость пород и коллектора, распределение падения давления и пористо сти по коллектору, а также геометрия коллектора. Учет всех этих факторов для определения арочного эффекта производится в геомеханической модели оседаний.
Исходными данными для модели оседаний (геомеханической модели) является падение пластового давления из гидродинами ческой модели. Падение пластового давления определялось для 8 зон путем усреднения внутри каждой из зон. Основной результат геомеханического моделирования заключается в том, что нагруз ка от покрывающей толщи уменьшается в центральной части коллектора и увеличивается на флангах.
Гидродинамическая модель коллектора представляет собой трехфазную ЗД-модель единичной (простой) пористости [45]. Основная идея учета деформаций при гидродинамическом моде лировании заключается в необходимости учета уменьшения по рового объема залежи при падении давления путем изменения коэффициента сжимаемости коллектора (с учетом арочного эф фекта). Для использования этих данных в гидродинамической модели были построены зависимости изменения величины ароч ного эффекта со временем.
Поскольку в данном случае арочный эффект учитывается на прямую, были использованы непосредственные лабораторные данные по сжимаемости пород коллектора. Так как в опытах из менение пористости определялось по текущему поровому объему, лабораторные данные были пересчитаны относительно начально го порового объема по соответствующим формулам.
Гидродинамическое моделирование разработки месторожде ния показало положительный эффект от уплотнения коллектора.
Количество добытой нефти вследствие уплотнения по величине оказалось сходно с эффектом от заводнения. Таким образом, специалисты сделали вполне обоснованный вывод о том, что для коллекторов, подверженных деформациям, необходимо должным образом учитывать эффект уплотнения при гидродинамическом моделировании. При этом на месторождении Экофиск положи тельный эффект от уплотнения коллектора наблюдается в тече ние всего периода разработки.
В конкретных гидродинамических расчетах при разработке Технологических схем разработки месторождений учет измене ния фильтрационно-емкостных свойств в результате длительного действия высоких эффективных напряжений в настоящее время выполняется сравнительно редко. Большинство исследователей для аппроксимации связи проницаемости с давлением использу ют упрощенную функцию вида:
К(Р) = К0ехр(аАр),
где Ар - разность между текущим и начальным пластовым дав лением, МПа; а - коэффициент, учитывающий снижение прони цаемости в зависимости от давления, МПа"1; Ко - значение про ницаемости при исходном пластовом давлении.
В данной функции влияние времени действия пластового давления и, соответственно, накопление пластических деформа ций не учитывается. Тем не менее, в ряде расчетов использова ние данной зависимости приводит к положительным резуль татам.
Аналогичную зависимость использовали В.Д. Викторин [4, 5], A. Н. Щипанов, А.В. Распопов [26] для описания снижения тре щинной проницаемости турней-фаменских карбонатных объектов Пермского края, Р.В. Пепеляев при разработке методики гидро динамических расчетов отдельных терригенных объектов Запад ной Сибири с учетом снижения проницаемости, авторы данной работы [12] для прогноза снижения трещинной проницаемости продуктивных объектов АГКМ, а также Р.Н. Дияшев, А.В. Костерин, Э.В. Скворцов при анализе снижения продуктивности скважин, вскрывших трещинно-поровые месторождения Татар стана [7].
Особенно эффективно данная зависимость использована B. Ф. Перепеличенко, В.А. Дербеневым и др. для описания сни жения проницаемости коллектора одного из крупнейших газовых месторождений Китая с АВПД, приуроченного к терригенному типу, при этом дана оценка возможных изменений дебита сква жин с учетом данных о деформации коллектора и физических свойств газа, полученных из испытаний на образцах [22]. Во
ВНИИгазе было проведено экспериментальное исследование за висимости коэффициентов проницаемости и пористости от дав ления по 13 образцам керна. Отметим, что образцу не выдержи вались под нагрузкой длительное время, т.е. деформации ползу чести экспериментально не были получены и в последующем не учитывались. Показано, что неучет фактора снижения продук тивности скважин вследствие падения проницаемости может привести к значительным ошибкам в определение периода рен табельной разработки месторождения, что чревато недопоставка ми запланированных контрактных объемов продукции потреби телю.
Представленные три примера, естественно, но исчерпывают всего многообразия уже имеющихся подходов к учету снижения ФЕС в гидродинамических расчетах. Однако они показывают важность учета геомеханического фактора в расчетах продуктив ности нефтяных и газовых скважин.
6.1.2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФЕС ТЕРРИГЕННЫХ ПРОДУКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ
ПРИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ п о в ы ш е н н о г о ЭФФЕКТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ
На рис. 6.1.4 представлен общий график изменения параметра (пористости, проницаемости) при действии эффективного давле ния. Участок АВ соответствует падению параметра по мере роста эффективного давления, участок ВС соответствует падению па раметра в процессе действия постоянного эффективного напря жения, наконец, участок CD соответствует восстановлению пара метра в процессе снятия напряжений, т.е. в процессе разгрузки образца. Отметим некоторые характерные черты каждого участка.
Обычно выполаживание участка АВ наступает при превыше нии эффективных напряжений над природными на 30-40 %. Не обходимое время нагружения образца до эффективного давления, соответствующего природному, превышение которого уже не приводит к дальнейшему падению ФЕС (пористости и прони цаемости), как показали результаты аналогичных испытаний ав торов данной работы для Ачимовских отложений Западной Си бири, составляет 5-6 ч. При этом величина относительного изменения пористости и проницаемости определяется литологи ческими характеристиками пород-коллекторов, их степенью уп лотнения под влиянием общей истории формирования пород, сла гающих регион, и изменяется обычно в пределах 10~20 % отно сительных значений пористости. Отметим, что для терригенных коллекторов месторождений Соликамской депрессии (север
А
1
Lv' Harpyзка
в "—
аононнное |
|
ение |
Разгрузка |
давл( |
|
|
------ 14" D |
Время, ч
Рис. 6.1.4. Принципиальная схема изменения пористости (проницаемости) при действии переменной (участок АВ) и постоянной (участок ВС) нагрузки
Пермского края) полученная величина относительного измене ния пористости (точка В), как будет показано ниже, составляет в среднем 10 %, средняя величина относительного изменения про ницаемости - 30 %.
Участок ВС наиболее интересен для учета влияния деформа ций продуктивных объектов на изменение ФЕС, так как он ха рактеризует падение соответствующего параметра ФЕС при дей ствии пониженного пластового давления продолжительное время. Результаты опытов специалистов СургутНИПИнефть по опреде лению закономерностей необратимого уменьшения пористости и проницаемости образцов керна III—V классов коллекторов при их перегрузке в течение длительного времени (20(Ь2200 ч) пока зали, что максимальная скорость деформации происходит в тече ние первых 200-250 ч. В последующем скорость деформации резко снижается. За весь период перегрузки происходит необра"
385
13 — 996
тимое уменьшение пористости на 10-16 %, а проницаемости - на 20-45 %. Отмечается значительно более интенсивное снижение проницаемости, нежели пористости [27]. При этом даже 2200 ч оказалось недостаточно для полного выполаживания кривых па дения проницаемости и пористости.
Участок CD - участок восстановления пористости и прони цаемости в процессе разгрузки образца. Обычно разгрузка образ ца занимает несколько больше времени, чем нагрузка - 10-12 ч. Характерным является то, что кривая разгрузки не выходит в начало кривой нагрузки, т.е. возникают пластические деформа ции. В частности, участок ВС является величиной пластической (остаточной) деформации, выраженной в параметре пористости или проницаемости, соответствующий уровню эффективных на пряжений, при которых получен участок ВС. При этом конечная величина пластической деформации при полной разгрузке образ ца (участок СЕ), как правило, превышает участок ВС, т.е. угол наклона ветви нагрузки превышает угол наклона ветви разгруз ки. Обычно соотношение углов наклона ветвей нагрузки и раз грузки образцов используют для определения «параметра уплот нения», который используется в «шатровой» модели деформиро вания коллектора, используемой для расчетов уплотнения и по следующей оценки оседаний земной поверхности.
При выполнении длительных экспериментов всегда встает во прос определения конечной величины деформации при полном затухании процесса ползучести, так как для этого требуются весьма длительные опыты. Очевидно, что держать образцы под нагрузкой свыше 1-2 мес чрезвычайно трудоемко и дорого. В связи с этим встает вопрос определения конечного значения де формаций при ограниченном времени выдержки образца под по стоянной нагрузкой.
Для решения этой задачи можно воспользоваться методом экстраполяции, который применили специалисты компании «Phillips Petroleum Со» при изучении физико-механические свойств мелового коллектора месторождения Экофиск [42]. В разделе 3.3 уже упоминалось, что деформации порового про странства пород этого месторождения имеют выраженную зави симость от времени, т.е. уплотнение продолжается в течение дли тельного времени после приложения нагрузки.
В ходе опытов на ползучесть было установлено, что экспери ментальные данные в инверсионных координатах (1/время), (1/АКПор) хорошо аппроксимируются прямой линией (рис. 6.1.5). Это дает возможность оценить предельную величину деформа ции путем экстраполяции прямой на начало координат, что соот ветствует бесконечному времени нагружения. Для проверки точ-
Рис. 6.1.5. Определение конечной величины изменения пористости методом инверсии при бесконечном времени действия постоянного давления (по данным работы [42]):
1 - точки, полученные экспериментально; 2 - аппроксимирующая прямая
ности такого метода экстраполяции специалистами Phillips Petro leum Со была выполнена серия длительных испытаний на ползу честь, когда нагрузка 41,1 МПа действовала на образцы в тече ние 24 мес. После нагружения затухание деформаций происхо дило в течение 2-3 недель. В результате было установлено, что замеренные величины деформации всегда несколько меньше, чем найденные путем экстраполяции (см. рис. 6.1.5). Т.е. данный ме тод дает максимально возможную величину деформации при данном уровне нагрузки. Кроме того, было установлено, что для эффективного давления 50 МПа чаще всего требуется 10-20 ч времени нагружения, чтобы начало проявляться указанное ли нейное поведение деформирования образца.
Таким образом, используя сравнительно небольшие сроки на гружения, с помощью данного инверсионного метода (назовем его методом «инверсии») можно оценить конечную величину деформации, соответствующую полному затуханию процесса ползучести.
Величина участка ВС - участка уплотнения образца коллек тора под постоянной нагрузкой зависит не только от времени действия нагрузки, но и от степени исходного уплотнения про дуктивного объекта. Очень часто для объектов, залегающих на значительных глубинах (3-4 км и более) величина данного уча стка весьма незначительна, уже при нагружении в течение 5060 ч наступает полное выполаживание кривой падения пористо сти или проницаемости и исследователю становится ясно, что дальнейшего уплотнения образца не предвидится. Покажем это на примере продуктивных объектов Астраханского ГКМ и ачимовских отложений Уренгойского НГКМ.
Для АГКМ исследования выполнялись по следующей про грамме на 6 образцах керна (3 образца для пористости и 3 об разца для проницаемости), отобранных из скв. 823.
Для пористости:
1.Измерения пористости, модуля упругости, коэффициента Пуассона в условиях, близких к атмосферным.
2.Нагружение образца до эффективного давления 60 МПа в течение 5 ч. Измерения пористости, модуля упругости, коэффи циента Пуассона при давлениях 12, 24, 36, 48, 60 МПа.
3.Выдержка образца под нагрузкой 60 МПа в течение 180 ч. Каждые 24 ч измерения пористости, модуля упругости, коэффи циента Пуассона.
4.Разгрузка образца до эффективного давления 30 МПа в те чение 10 ч. Измерение пористости, модуля упругости, коэффици
ента Пуассона при эффективных давлениях 55, 50, 45, 40, 35,
30МПа.
Итого 195 ч на образец.
Для проницаемости:
1.Измерение проницаемости в условиях, близких к атмо сферным.
2.Нагружение образца до эффективного давления 60 МПа в течение 5 ч. Измерение проницаемости при давлениях 12, 24, 36, 48, 60 МПа.
3.Выдержка образца под нагрузкой 60 МПа в течение 180 ч. Каждые 24 ч измерение проницаемости.
4.Разгрузка образца до эффективного давления 30 МПа в те чение 10 ч. Измерение проницаемости при эффективных давле ниях 55, 50, 45, 40, 35, 30 МПа.
Итого 195 ч на образец.
Испытания проводились в институте «ТюменНИИгипрогаз». Основная цель проведенного эксперимента - получение пласти ческих (необратимых) величин деформаций образцов, характер ных для длительного действия эффективных напряжений. В
данных экспериментах эффективное давление 60 МПа действо вало на образец в течение 180 ч, т.е. 7,5 сут. Эффективное давле ние 60 МПа выбрано из условия, что пластовое давление упало
до 35-30 МПа. |
J |
На рис. 6.1.6 и 6.1.7 показаны |
графики изменения пористости |
и проницаемости для образцов № 5 2 и № 28 3 соответственно, а на рис. 6.1.8 представлено определение предельного снижения пористости по методу инверсии. Обобщение результатов испыта ний изменения фильтрационно-емкостных свойств при длитель ном действии эффективных напряжений представлено в табл. 6.1.1 и 6.1.2.
По результатам эксперимента наблюдается характерное изме нение как пористости, так и проницаемости по мере роста эф фективных напряжений в образце. Изменение пористости при этом составляет 0,7-1,1 % абсолютного значения или 6-8,6 % относительного значения.
После стабилизации нагрузки величиной 60 МПа происходит медленное, слабо затухающее сокращение пористости. Так для образца № 5_2 оно составило 0,11 % . абсолютного значения или 1,21 % от относительной величины. Для образца № 10_2 оно со ставило 0,06 % абсолютного значения или 0,47 % от относитель-
Рис. 6.1.6. Зависимость пористости образца № 5_2 скв. 823 АКГМ от эффек тивного давления
Эффективное давление, МПа
Рис. 6.1.7. Зависимость проницаемости образца № 28_3 скв. 823 АГКМ от эф фективного давления
ной величины, для образца № 242 - 0,14 % абсолютного значе ния или 0,88 % от относительной величины.
Изменение проницаемости при росте эффективных напряже ний намного существеннее. Общее, как абсолютное, так и отно сительное уменьшение проницаемости также значительно выше, чем для пористости. После стабилизации нагрузки величиной
1/ДАГп
*7П
•
60
50
40
30
20 |
|
|
|
|
Рис. |
6.1.8. |
Определение |
10 |
|
|
|
|
предельного |
снижения по |
|
|
|
|
|
ристости образца № 5_2 |
|||
|
|
|
|
|
скв. 823 АГКМ методом ин |
||
0 |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
версии при Д#п. ши = 0,25 % |
||
1// |
(у = 835,4* + 4,01) |
390
Результаты испытаний изменения пористости образцов Астраханского ГКМ при длительном действии эффективного давления 60 МПа
Но |
Глубина |
Исход |
Порис |
6л |
Порис |
Дп |
ная по |
тость при |
абсо |
||||
мер |
отбора, |
рис |
тость |
отно |
длитель |
лют |
об |
м |
тость, |
при |
ситель |
ном дей |
ное, |
разца |
|
% |
Оэфф» % |
ное, % |
ствии |
% |
|
|
|
|
СГэфф, % |
||
|
|
|
|
|
|
Ап
отноДл пре сидель тельное, ное, %
%
10_2 |
3907 |
12,66 |
11,57 |
8,61 |
11,51 |
0,06 |
0,47 |
0,72 |
5_2 |
3907 |
9,12 |
8,39 |
8,00 |
8,28 |
0,11 |
1,21 |
3,50 |
24_2 |
3960 |
15,95 |
15,00 |
5,96 |
14,86 |
0,14 |
0,88 |
1,58 |
60 МПа происходит медленное затухающее снижение проницае мости. Для образца № 28_3 оно составило 0,014 мД (2,66 % абсо лютного значения); для образца № 31_3 - 0,005мД (1,89 % абсо лютного значения); для образца № 92 - 0,017 мД.
Полученные величины относительного и абсолютного умень шения пористости и проницаемости при действии продолжи тельной нагрузки величиной 60 МПа в течение 7,5 сут являются практически величинами остаточных (необратимых) или пласти ческих деформаций, выраженных в параметре пористость и про ницаемость. Воспроизведенный в эксперименте ход разгрузки образцов и фиксирования пористости и проницаемости показал, что кривая разгрузки идет практически параллельно кривой на грузки. В табл. 6.1.1 и 6.1.2 представлены также результаты пре дельного снижения пористости и проницаемости относительно начала действия эффективного давления 60 МПа, определенные методом инверсии. Эти значения сравнительно невелики, и вы явленное снижение ФЕС не должно приводить к масштабному падению продуктивности скважин с течением времени, которое
Таблица 6.1.2
Результаты испытаний изменения проницаемости образцов Астраханского ГКМ при длительном действии эффективного давления 60 МПа
|
|
Исход |
Прони |
АК |
Прони |
ДК |
АК |
АК |
|
Но |
Глубина |
ная |
цае |
цаемость |
отно- |
||||
отно- |
абсо |
пре |
|||||||
мер |
отбора, |
прони |
мость |
си- |
при дли |
лют |
си- |
дель |
|
об |
м |
цае |
при |
тель- |
тельном |
ное, |
тель- |
ное, |
|
разца |
мость, |
(Тэфф, |
действии |
ное, |
|||||
|
ное, % |
мД |
% |
||||||
|
|
мД |
мД |
|
СТэфф, мД |
|
% |
|
|
28_3 |
3960 |
0,526 |
0,437 |
16,92 |
0,423 |
0,014 |
2,66 |
4,81 |
|
31__3 |
3960 |
0,264 |
0,155 |
41,28 |
0,150 |
0,005 |
1,89 |
6,77 |
|
9_2 |
3907 |
1,096 |
0,817 |
25,46 |
0,800 |
0,017 |
1,55 |
3,79 |