Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационный процесс и дебит скважин

На правах рукописи

КАРЕВ Владимир Иосифович

Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационный процесс и дебит скважин

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН

Официальные оппоненты:

академик, доктор технических наук,

профессор Матвеенко Валерий Павлович

доктор технических наук,

профессор Кузнецов Сергей Васильевич

доктор технических наук,

профессор Мельников Борис Евгеньевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт горного дела СО РАН

Защита состоится 30 сентября 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Учреждении Российской академии наук Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр., В.О., д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ИПМаш РАН.

Автореферат разослан “___” _____________ 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук В.В. Дубаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение дебита нефтяных и газовых скважин всегда было и остается важнейшей проблемой нефтегазодобывающей отрасли. На величину дебита скважины конкретного месторождения прежде всего влияет состояние призабойной зоны скважины (ПЗС) с точки зрения ее фильтрационных свойств. Ухудшение проницаемости даже в небольшой окрестности скважины существенно снижает ее продуктивность. Традиционно считается, что основными факторами, определяющими это ухудшение, являются кольматация при бурении и загрязнение фильтрационных каналов в процессе эксплуатации в результате их заиливания, запарафинивания. Однако, существует еще одна важная причина значительного изменения проницаемости в окрестности скважины – это влияние напряжений на фильтрационные свойства породы. Роль напряжений, возникающих в окрестности скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, в формировании фильтрационных свойств ПЗС в настоящее время исследована мало, хотя в нефтяной и газовой промышленности при разведке и эксплуатации месторождений, особенно на больших глубинах, выявлено, что концентрации напряжений в прискважинной зоне существенно влияют на проницаемость пластов, процессы фильтрации и, соответственно, на интенсивность нефтегазопритоков в скважину.

Исследованиям фильтрационных процессов в окрестности скважины и влияния на них напряженно-деформированного состояния посвящена данная работа. Они начаты под руководством академика Христиановича и основаны на идее о том, что фильтрационные течения в горных породах определяются их микро-трещиноватопористой структурой и решающую роль играют действующие в породе напряжения, изменения которых могут приводить как увеличению проницаемости, так и к ее уменьшению, причем необратимому. Растрескивание, разрыхление породы и необратимое увеличение проницаемости можно вызвать, используя упругую энергию, запасенную самой природой - горное давление и энергию пластовой жидкости, осуществляя направленную разгрузку пласта.

Проведенные исследования актуальны как в общенаучном плане – являются вкладом в развитие механики нефтяного пласта, так и с точки зрения практических приложений – для выбора оптимальных способов повышения нефтегазоотдачи пластов, продуктивности скважин и разработки новых экологически чистых и эффективных методов.

Целями работы были:

экспериментальное исследование влияния напряженно-деформированного состояния горных пород, составляющих коллектора нефтяных и газовых месторождений, на фильтрационные свойства;

теоретический анализ фильтрации углеводородного флюида в скважину с учетом структурных изменений, которые могут происходить в породе при изменении напряженного состояния в окрестности скважины.

развитие научно обоснованного подхода к разработке новых эффективных, экологически чистых и экономичных методов повышения продуктивности скважин и нефте- газоотдачи пластов, основанных на использовании природных сил – горного давления и давления пластового флюида.

Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи:

проведение анализа напряженного состояния в окрестности скважины при различных конструкциях забоя;

разработка методики экспериментального исследования фильтрационных свойств горных пород для определения оптимального с точки зрения повышения дебита скважины воздействия на пласт;

установление зависимости фильтрационных свойств различных типов горных пород от вида и уровня напряженно-деформированного состояния;

разработка математической модели фильтрации двухфазной углеводородной смеси в скважину с учетом зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине;

разработка новой технологии повышения дебитов нефтяных и газовых скважин, основанной на использовании упругой энергии массива горных пород за счет направленной разгрузки пласта.

Методы исследований. Анализ напряженного состояния проводился известными методами теории упругости с использованием пакета программ ANSYS, разработанного на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на уникальной установке, созданной в Институте проблем механики Российской академии наук, – Испытательной системе трехосного независимого нагружения. Фильтрационный процесс рассчитывался с использованием известных методов механики сплошных сред и программы MATHEMATIKA. Эффективность разработанной технологии подтверждена опытно-промысловыми испытаниями.

На защиту выносятся следующие основные положения.

Методика экспериментального исследования деформационных, прочностных и фильтрационных свойств горных пород на Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН).

Классификация горных пород различного состава и структуры с точки зрения влияния напряжений на их проницаемость. Научно обоснованный подход к выбору оптимальных для конкретного месторождения методов повышения продуктивности скважин и нефтегазоотдачи пластов.

Решение задачи о фильтрации газоконденсатного флюида в скважину при наличии ретроградной конденсации и зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине.

Новая эффективная, экологически чистая технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин, основанная на направленной разгрузке пласта – метод георыхления.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждается натурными испытаниями разработанной технологии при проведении опытно-промысловых работ на скважинах, использованием при анализе механических процессов фундаментальных законов механики сплошных сред и хорошо апробированных пакетов программ при проведении численных расчетов.

Научная новизна результатов работы и практическая ценность заключается прежде всего в том, что развит новый подход к созданию эффективных методов разработки нефтяных и газовых месторождений, основанный на управлении напряженным состоянием пласта в окрестности скважины. Он позволяет создавать эффективные, экономичные, экологически чистые технологии. Впервые разработана классификация горных пород по характеру зависимости их фильтрационных свойств от напряженно-деформированного состояния. Разработана новая технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин – метод георыхления. Показана эффективность его применения на газоконденсатных месторождениях, несмотря на наличие ретроградной конденсации.

Метод георыхления успешно применялся на ряде месторождений Западной Сибири и Урала при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих скважин и капитальном ремонте нагнетательных скважин. Опытно-промысловые испытания разработанной технологии дали кратное увеличение дебита скважин.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались, обсуждались и представлялись на международных и российских форумах и конференциях: VIII и IX Всероссийских съездах по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001, Нижний Новгород, 2006); научно-практических конференциях по бурению и повышению нефтеотдачи скважин (Москва, 2003, 2004, 2005), международных салонах изобретений и инноваций (Брюссель, 2007 - серебряная медаль, Страсбург, 2009 – золотая медаль), научных чтениях, посвященных 100-летию С.А.Христиановича, Каспийском энергетическом форуме (Москва, 2009).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 81 наименования, содержит 151 страницу, 5 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проведен краткий обзор исследований по проблеме влияния напряженного состояния горных пород на фильтрационный процесс. Работа основывается и является продолжением исследований Христиановича, Николаевского, Райса и других исследователей механики насыщенных пористых сред. Определены цели данного исследования, сформулированы основные результаты работы, кратко изложено ее содержание по главам.

В первой главе рассмотрено напряженное состояние в окрестности скважины и его изменение при увеличении депрессии для различных вариантов конструкции забоя: открытый ствол, обсаженный ствол, наличие перфорации, горизонтальных, вертикальных щелей. Дано описание экспериментальной установки – Испытательной системы трехосного независимого нагружения, на которой осуществлялось физическое моделирование процессов, происходящих в окрестности скважины при проведении технологических операций, и исследовалось влияние изменения напряжений на фильтрационные свойства различных типов пород. Приведены описания основных программ нагружения, использовавшихся при моделировании.

До пробуривания скважины на грунтовый скелет продуктивного пласта действуют начальные эффективные напряжения, по абсолютной величине равные разности между горным давлением и начальным давлением пластового флюида. После пробуривания скважины в ее окрестности происходит перераспределение напряжений. Радиальные напряжения падают, кольцевые растут, осевые остаются на том же уровне.

Возможны два основных варианта конструкции скважины: открытый ствол и обсаженный ствол. Напряжения в грунтовом скелете, возникающие в окрестности открытого ствола скважины, определяются известным из теории упругости решением задачи Ламэ для цилиндрической полости, находящейся под действием всестороннего сжатия внешним давлением и внутреннего давления заполняющей ее жидкости.

где - компоненты напряжений в радиальном, тангенциальном и осевом направлениях, – горное давление ( – давление в скважине, – давление на расстоянии от скважины (> 0), – радиус скважины, – доля площадок контактов относительно всей поверхности зерна грунтового скелета.

Максимальные касательные напряжения равны:

В случае обсаженного ствола стальная труба эксплуатационной колонны цементируется на всю пробуренную глубину, включая продуктивный пласт. Гидродинамическая связь с коллектором осуществляется путем создания перфорационных отверстий. С учетом того, что жесткость стали на порядок выше, чем породы, напряжения в окрестности скважины можно считать независящими от давления в скважине за исключением областей вокруг перфорационных отверстий. Радиальные напряжения, действующие на стенку обсаженной скважины, будут зависеть от качества цементирования. При идеальном качестве, учитывая, что удельный вес цемента близок к среднему удельному весу горных пород, на стенке скважины восстановится горное давление. При наличии в цементном слое пустот и трещин или в случае усадки цемента при застывании, радиальные напряжения будут составлять некоторую долю от горного давления. Расчеты были проведены для значений , равных 1 и 0,5. Перфорационное отверстие, длина которого обычно на порядок больше его диаметра, можно рассматривать как скважину с открытым стволом и распределение напряжений вокруг него (за исключением концевого участка) будет описываться приведенными выше формулами.

Для определения напряжений, действующих вокруг кончика перфорационного отверстия, можно воспользоваться известным решением для сферической полости, заполненной жидкостью или газом под давлением и нагруженной вдали всесторонней сжимающей нагрузкой .

где - компоненты напряжения в радиальном и двух окружных направлениях, - радиус перфорационного отверстия.

В общем случае для определения напряжений в призабойной зоне скважины, имеющей произвольную конструкцию забоя, использовался пакет программ ANSYS.

Граничные условия ставились следующие:

• на стенке необсаженной скважины и на стенках перфорационных отверстий нормальное эффективное напряжение ;
• на стенке обсаженной скважины ;
• на границе расчетной области .

Были проведены расчеты для изотропной среды с коэффициентом Пуассона .

На рис. 1 представлены распределения максимальных главных напряжений в окрестности открытого ствола скважины с двумя перфорационными отверстиями в виде конусов для разных величин депрессии. Изолинии напряжений отложены в долях от горного давления.

а) б)

0.4 0.6 0.8 1. 1.1 1.2 1.4 1.5 10

Рис.1. Поле максимальных главных напряжений

- депрессия в скважине, - пластовое давление.

На рис. 2 показаны изолинии интенсивности касательных напряжений , ответственных за разрушение, в окрестности обсаженной скважины с горизонтальной щелью.

( - главные напряжения)

Рис.2. Интенсивность касательных напряжений в окрестности обсаженной скважины с горизонтальной щелью ,

Для многих горных пород характерна анизотропия упругих свойств, связанная с их слоистой структурой, наличием трещиноватости. Для таких пород упругие и деформационные характеристики в направлении перпендикулярном слоям могут сильно отличаться от характеристик в плоскостях напластования. Такие породы могут быть описаны, как трансверсально изотропная среда. Деформирование трансверсально-изотропного упругого материала характеризуется пятью независимыми упругими константами: - модули Юнга в плоскости изотропии и перпендикулярно ей; - коэффициенты Пуассона в плоскости изотропии и перпендикулярно ей; - модуль сдвига для любой плоскости, перпендикулярной плоскости изотропии. Как показали многочисленные экспериментальные исследования1

, для большинства горных пород можно указать приближенную формулу, связывающую модуль сдвига с остальными упругими константами: . На рис. 3 приведены распределения интенсивности касательных напряжений в окрестности скважины с перфорационными отверстиями в изотропной (рис.3а) и трансверсально изотропной среде (рис.3б) при .

а) изотропная среда б) трансверсально изотропная среда

Рис.3. Интенсивность касательных напряжений при депрессии

Для трансверсально изотропной среды брались следующие значения упругих модулей: ; ; (по приближенной формуле). Как видно из рис. 4-5, наличие анизотропии с учетом приближенной зависимости незначительно влияет на напряжения. Поэтому при анализе напряженно-деформированного состояния в окрестности скважины, имеющей произвольную конструкцию забоя, расчеты проводились для изотропной среды.

Таким образом, в окрестности скважины возникают области повышенных касательных напряжений, ответственных за разрушение. Их конфигурация и уровень напряжений зависят от конструкции забоя, свойств среды и величины давления в скважине. Чем ниже давление на забое по сравнению с пластовым, т. е. чем выше депрессия, тем больше напряжения. Под действием напряжений порода деформируется, сначала упруго, при достижении касательных напряжений определенной величины - неупруго с необратимым изменением структуры. Изменения структуры влекут за собой изменение фильтрационных свойств породы.