Геомеханика нефтяных и газовых скважин

Коваленко, Юрий Федорович

Геомеханика нефтяных и газовых скважин тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Коваленко, Юрий Федорович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Геомеханика нефтяных и газовых скважин»

Автореферат диссертации на тему "Геомеханика нефтяных и газовых скважин"

005007071

КОВАЛЕНКО Юрий Федорович

Геомеханика нефтяных и газовых скважин

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 2 ЯН В 2012

Москва-2011

005007071

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

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, профессор

Гольдштейн Роберт Вениаминович доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор Назарова Лариса Алексеевна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Защита состоится 01 марта 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.240.01 при Учреждении Российской академии наук Институте проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН по адресу: 119526. Москва, проспект Вернадского, д. 101, корп. 1, ауд. 237. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМех РАН.

Автореферат разослан декабря 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.240.01 при ИПМех РАН кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные технологии добычи нефти и газа во многом основаны на бурении наклонных и горизонтальных скважин. Однако с их использованием возникли серьезные проблемы. Оказалось, что устойчивость стволов наклонных скважин существенно зависит от деформационных и прочностных характеристик горных пород, наличия и степени их анизотропии, а также от геометрии скважин и давления на их забое. Осложнения при бурении нефтяных и газовых скважин, связанные с потерей устойчивости ствола, как правило, сопровождаются большими затратами средств на ликвидацию их последствий, в связи с чем прогнозирование и предупреждение данного вида осложнений играет немаловажную роль в снижении себестоимости строительства скважин. Кроме того, разрушение стволов скважин является одним из основных факторов, ограничивающих максимальные дебиты скважин.

Традиционным подходом к решению подобных проблем является создание механико-математических моделей и отыскание с их помощью ответов на указанные вопросы. Однако для пород с ярко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств (в частности для слоистых пород) подобный путь сталкивается с большими трудностями. Это связано с тем, что попытки создать адекватную механико-математическую модель, описывающую процессы разрушения породы в окрестности наклонной скважины с учетом изменения угла ее наклона, для сильно анизотропных пород приводят к ее резкому усложнению.

В свою очередь, усложнение модели неизбежно приводит к увеличению числа деформационных и прочностных параметров, входящих в модель. Экспериментальное определение этих параметров для анизотропных

пород само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования. Кроме того, любая математическая модель требует принятия некоторого закона прочности породы, что для анизотропных пород также является отдельной сложной задачей.

Все это приводит к необходимости принятия определенных упрощений и допущений в модели, в результате чего практические выводы, основанные на расчетах по таким моделям, часто носят лишь оценочный характер.

Развитый в диссертации подход кардинально отличается от изложенного выше. В его основе лежит прямое моделирование процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности скважины на уникальном испытательном стенде трехосного независимого нагружения (ИСТИН) под действием реальных напряжений, возникающих в пласте при разной геометрии скважин и разных забойных давлениях. При этом программа нагружения исследуемых образцов, представляющих собой кубики с ребром 40 или 50 мм, определяется на основе механико-математической модели, учитывающей анизотропию деформационных и прочностных свойств горных пород.

Другой важнейшей проблемой, возникающей при разработке нефтяных и газовых месторождений, является повышение продуктивности скважин. Одной из основных причин снижения дебита скважин в процессе их эксплуатации является ухудшение фильтрационных свойств пласта, что связано в основном с загрязнением и заиливанием естественных фильтрационных каналов при эксплуатации скважин.

Применяемые в настоящее время методы воздействия на ПЗП с целью повышения ее проницаемости направлены в основном на «очистку»

существующих фильтрационных каналов от посторонних частиц. Но зачастую это оказывается невозможным.

Имеется принципиально другая возможность восстановления проницаемости призабойной зоны пласта, основанная на инициировании процесса растрескивания и разрушения породы в окрестности скважины.

Идея метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и появлению в пласте искусственной системы множественных макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной системы фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы значительно (на порядок и более) превышает природную проницаемость пласта.

В результате исследований и разработок, представленных в диссертации, разработаны теоретические и экспериментальные положения о процессах деформирования и разрушения анизотропных горных пород, совокупность которых можно квалифицировать как научное достижение, направленное на решение научной проблемы, имеющей важное практическое значение - повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин и увеличения их продуктивности.

Целями работы были:

Разработка нового подхода к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности

нефтяных и газовых скважин под действием возникающих в них напряжений.

Изучение деформационных и прочностных характеристик анизотропных горных пород в условиях трехосного неравнокомпонентного на-гружения образцов породы на установке ИСТИН.

Определение зависимости напряженного состояния, возникающего в окрестности наклонно направленных скважин, бурящихся в анизотропных (слоистых) горных породах, от геометрии скважин и величины давления на их забое.

Прямое моделирование на установке ИСТНН на основе разработанной механико-математической модели процессов деформирования и разрушения горных пород при бурения и эксплуатации скважин.

Экспериментальное определение на установке ИСТНН параметров бурения и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Разработка методики определения параметров бурения нефтяных и газовых скважин (в том числе горизонтальных) на основании результатов одноосных испытаний образцов горных пород.

Апробация развитого подхода для определения оптимальных параметров бурения скважин на конкретных месторождениях.

Разработка нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта.

Разработка технологии реализации метода направленной разгрузки пласта на скважинах нефтяных месторождений.

Проведение опытно-промысловых испытаний метода направленной разгрузки пласта по разработанной технологии на ряде нефтяных месторождений.

Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи:

Экспериментальное изучение на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТИН деформационных и прочностных характеристик анизотропных горных пород.

Создание механико-математической модели устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации, в основе которой лежит положение, что основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных и деформационных свойств горных пород.

Прямое моделирование на установке ИСТИН процессов деформирования и разрушения анизотропных горных пород в окрестности наклонных и горизонтальных скважин.

Экспериментальное изучение на установке ИСТИН влияния трехмерных полей напряжений на фильтрационные свойства горных пород.

Решение задачи о распределении напряжений, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины с учетом процесса фильтрации нефти (газа) и зависимости их вязкости и плотности от давления.

Анализ на основе полученного решения размеров зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое, для различных критериев местного разрушения породы.

Решение задачи о росте трещины под действием давления газа, выделяющегося из нефти при уменьшении горного давления.

Проведение на установке ИСТИН испытаний кернового материала из коллекторов конкретных месторождений с целью определения параметров и режимов реализации на них метода направленной разгрузки пласта.

Проведение опытно-промысловых работ по методу направленной разгрузки пласта на ряде нефтяных месторождений.

Методы исследований. Теоретический анализ проводился с использованием современных представлений и методов теории упругости и теории разрушения. При проведении численных расчетов применялся пакета программ АШУБ, разработанный на основе метода конечных элементов. Для определения упругих и прочностных характеристик горных пород и физического моделирования процессов деформирования и разрушения в окрестности наклонных и горизонтальных скважин использовался уникальный экспериментальный стенд - испытательная система трехосного независимого нагружения, созданная в Институте проблем механики РАН. При реализации метода направленной разгрузки пласта на нефтяных скважинах применялось современное нефтепромысловое оборудование и материалы.

На защиту выносятся следующие основные положения.

Новый подход к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности нефтяных газовых скважин под действием возникающих в них напряжений.

Методика определения на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТИН деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород (в том числе анизотропных).

Механико-математическая модель устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации в анизотропных (слоистых) горных породах.

Методика определения оптимальных параметров бурения и эксплуатации скважин (оптимальных углов наклона скважины и допустимых давлений на ее забое) путем прямого моделирования этих процессов на испытательном стенде ИСТНН.

Новый способ повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждается использованием при анализе фундаментальных законов механики твердого деформируемого тела, применением высокоточного и неоднократно апробированного экспериментального оборудования, соответствием полученных данных по оптимальным параметрам бурения наклонных и горизонтальных скважин наблюдавшимся при разбуривании конкретных месторождений, положительными результатами опытно-промысловых испытаний метода направленной разгрузки пласта на скважинах.

Научная новизна результатов работы и практическая ценность

заключается в том, что развит новый подход к решению геомеханических проблем, возникающих при разработке нефтяных и газовых месторождений. На его основе создана новая методика определения на установке ИСТИН параметров бурения наклонных и горизонтальных скважин и методика определения допустимых депрессий при их эксплуатации. Разработана новая технология повышения дебита нефтяных и газовых скважин -

метод направленной разгрузки пласта. Проведены успешные опытно-промысловые испытания технологии на ряде нефтяных месторождений Западной Сибири, Приобья и Приуралья.

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, Нижний Новгород, 2011); 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, Страсбург, 2010 - серебряная медаль), The 12th International Congress on Rock Mechanics (Beijing, October 18-21,2011).

Публикации. Основные результаты по теме диссертационного исследования изложены в 32 публикации, список которых представлен в конце автореферата, 15 из них представлены в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 122 наименований, содержит 318 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование необходимости разработки нового подхода к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением анизотропных горных пород при разработке нефтяных и газовых месторождений под действием возникающих в них напряжений, и приведен обзор основных исследований в этом направлении. Оп-

ределены цели диссертации и приведены предлагаемые пути их решения. Кратко сформулированы основные результаты работы по главам.

В первой главе приведено подробное описание испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТИН), позволяющей реализовать предложенный в диссертации новый подход к решению поставленных задач.

В настоящее время для определения упругих и прочностных характеристик горных пород главным образом используются экспериментальные установки, в основу которых заложен принцип Кармана. Испытываемые образцы представляют собой цилиндры длиной 70 - 80 мм и диаметром 30 - 40 мм. Нагружение образцов осуществляется сжатием вдоль образующей образца и всесторонним обжатием по боковой поверхности. Таким образом, в установках, основанных на принципе Кармана, можно осуществлять независимое нагружение образцов лишь по двум осям.

Этого оказывается достаточным для определения упругих и некоторых прочностных характеристик горных пород в предположении их изотропности. Для существенно анизотропных пород определение этих параметров на установках с кармановской схемой оказывется невозможным. При этом именно анизотропия упругих и прочностных свойств горных пород является основной причиной ряда серьезных проблем, возникающих при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Важно также отметить, что поскольку в установках, использующих схему Кармана, осуществляется двухосное нагружение образца, то эти установки не позволяют воспроизводить реальные напряженно-деформированные состояния, возникающие в пласте, которые являются существенно трехмерными.

Всех этих недостатков лишена созданная в Институте проблем механики РАН испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Установка ИСТИН представляет собой уникальный исследовательский комплекс для изучения деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород.

Рис.1. Испытательная система трехосного независимого нагружения

Установка ИСТНН позволяет нагружать образцы горных пород в форме куба с ребром 40 или 50 мм независимо по каждому из трех направлений, что достигается благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет' нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствия друг другу.

По сравнению с другими испытательными средствами на сложное нагружение с использованием жестких нажимных плит она обеспечивает равномерное приложение нагрузок по всей площади образца в течение всего процесса деформирования, включая стадию разрушения. Это существенно упрощает анализ результатов экспериментов, так как отпадает необ-

ходимость учета возможности концентрации напряжений вблизи ребра образца. Кроме того, это открывает возможность воссоздавать в ходе испытаний любые напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении скважины, ее освоении и эксплуатации, и изучать их влияние на фильтрационные свойства породы.

ИСТИН относится к классу электрогидравлических испытательных машин с автоматизированной системой управления. Испытательная система представляет собой комплекс, включающий силовой агрегат, маслона-сосную станцию (МНС) с пультом управления, блок автоматического управления, измерительно-информационную систему. Наибольшее давление рабочей жидкости в гидроцилиндре составляет 200 МПа, при этом гидроцшгандр развивает усилие 500 кН. Три пары плит образуют нагружающий узел, в котором нагрузки прикладываются по всей поверхности призматического образца. Нагружающие и опорные плиты снабжены комплектами сменных наконечников, позволяющих проводить испытания образцов в форме куба с ребром 40 мм и 50 мм.

В ИСТИН применена четырехканальная система управления с электрогидравлическими преобразователями (сервоклаланами). В ходе опыта имеется возможность управлять процессом нагружения либо по усилиям, либо по перемещениям по каждому из трех каналов, и реализовать практически любую траекторию нагружения (деформирования) образца, включая процесс разрушения.

Установка ИСТИН позволяет определять деформационные и прочностные характеристики анизотропных горных пород. Дня определения типа анизотропии породы используется специально созданная установка по измерению скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в трех направлениях. После этого путем испытания образцов породы

на установке ИСТИН по специальным программам нагружения определяются упругие модули породы.

Для определения прочностных характеристик горной породы (коэффициента сцепления и угла внутреннего трения) необходимо проведение специальных экспериментов, позволяющих построить круги Мора при различных уровнях нагружения образца. Сложность заключается в том, что желательно все опыты проводить на одном образце. При этом каждое нагружение образца (цикл) необходимо доводить до уровня, когда образец начнет деформироваться пластически, но еще будет оставаться целым. Для этого необходим постоянный контроль за состоянием образца в ходе опыта, чего можно достичь лишь за счет вывода в режиме он-лайн на экран компьютера кривых деформирования образца и одновременного вычисления текущих деформационных характеристик породы. Кроме того, управление нагружением образца должно осуществляться по перемещениям, а не по нагрузке. В противном случае вовремя остановить нагружение образца в пластической области, не доводя его до разрушения, практически невозможно. Испытательная система трехосного независимого нагружения ИСТИН дает возможность проведения подобных работ.

В качестве примера на рис.2 и рис.3 показаны кривая о-е и зависимость касательного модуля от величины действующего по оси керна напряжения, регистрировавшиеся в ходе первого цикла испытания образца из Штокмановского ГКМ.

o t 2 3 4 5 в 7 В В 10 11 12 13 14 ttrtn'1000

Рис.2. Кривая о - е на первом цикле нагружения

0 и fñ ~т т- — - —

О 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 stress, MPS

Рис.3. Изменение касательного модуля на первом цикле нагружения

Важной особенностью установки ИСТИН является возможность исследования зависимости проницаемости горных пород от величины и вида действующих напряжений. Известно, что проницаемость горных пород может как уменьшаться, так и увеличиваться (причем необратимо) в зависимости от возникающих в них напряжений. Тип и уровень этих напряжений определяются конструкцией забоя (наличие или отсутствие обсадки, тип перфорации и так далее) и создаваемыми на забое скважины депрессиями. Установка ИСТИН позволяет моделировать эти условия на образ-

цах породы и непрерывно регистрировать при этом изменение их проницаемости.

На установке ИСТИН реализована схема эксперимента, представляющего большой интерес при решении проблем, связанных с устойчивостью стволов горизонтальных скважин и определению максимально допустимых депрессий на их забое. Такая схема эксперимента практически не используется в практике российских исследовательских организаций. Это опыты по прямому моделированию на установке ИСТНН процесса создания депрессий на забое горизонтальной скважины с целью определения депрессий, при которых начинается вынос песка из скважины и разрушение стенок скважины.

Необходимость постановки подобных экспериментов возникла в ходе проведения работ по изучению деформационных и прочностных свойств пород Штокмановского ГКМ, которые велись совместно со специалистами французской компании «Total». Эти эксперименты можно рассматривать как аналоги известным испытаниям цилиндрических образцов по схеме «полый цилиндр».

образец

Рис.4. Схема испытания образца с отверстием

Для испытаний используются специально изготовленные кубические образцы с центральным отверстием (диаметром 10 мм) и две нажимные плиты с центральными каналами, рис.4. В ходе эксперимента через канал в наконечнике верхней активной нажимной плиты, совпадающий с отверстием в образце, продувается воздух под давлением около 0,1 МПа. Прошедший через канал в образце воздух отводится через канал в наконечнике нижней нажимной плиты, совпадающий с отверстием в образце. Через это отверстие по специальной трубке выносимый песок поступает на электронные весы, соединенные с компьютером.

Так же, как и в эксперименте «полый цилиндр», образец равномерно обжимается со всех сторон нагрузкой, периодически поднимавшейся в ходе опыта. Нагружение образца производилось до его разрушения.

В ходе всего эксперимента измеряется вес песка, выносимого через отверстие, и регистрируются деформации образца по трем осям.

На рис.5 приведены результаты испытания одного из образцов. Верхняя кривая - программа нагружения образца, нижняя - зависимость веса вынесенного песка от величины внешнего обжатия.

На рис.6 показаны кривые деформирования образца по трем осям в ходе опыта.

ЗотрЬ Ш-6/2 (1843,42)

.. . г

1-4 4

г1 г - г

г г 1

1-е!

к- № /

к «5 135 1« 159 185 176 185 195 505 215 Яв 335 345 555 285 275 ¡8В

Т1те (пнп)

Рис.5. Зависимость веса вынесенного песка от нагрузки

Батр1еШ-У2Ц»М,42)

Г 1 г

/ у

/ / /

У / /

Рис.6. Кривые деформирования образца в ходе опыта

Таким образом, установка ИСТНН позволяет проводить эксперименты, аналогичные опытам по схеме «полый цилиндр». Более того, испытания на установке ИСТНН обладают значительными преимуществами:

- ИСТНН позволяет нагружать кубический образец независимо по каждой из трех осей по любой программе нагружения, моделирующей реальные напряжения, возникающие в пласте, в том числе и наличие бокового распора.

- ИСТИН позволяет измерять деформации образца по каждой из трех осей и фиксировать начало разрушения стенок отверстия по отклонению кривых деформирования образца от линейности. Как показали опыты, это обстоятельство дает дополнительную важную информацию об устойчивости стенок нефтяных и газовых скважин.

Во второй главе излагается новый подход к анализу процессов деформирования и разрушения горных пород (в том числе анизотропных) под действием возникающих в них напряжений.

Проведенные в последние годы в Институте проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН в лаборатории геомеханики теоретические и экспериментальные исследования показали, что геомеханический подход лежит в основе решения важнейшей проблемы, возникающей при разработке месторождений нефти и газа - устойчивости стволов скважин при их бурении и эксплуатации. Особенно остро этот вопрос встал в последнее время, когда основным инструментом разработки нефтяных и газовых месторождений стала технология бурения наклонных и горизонтальных скважин. При ее реализации возник целый ряд совершенно новых проблем, не имевших место при бурении и эксплуатации вертикальных скважин. На первый план вышли вопросы устойчивости стволов скважин при бурении и ее зависимости от геометрии скважины, вопросы определения допустимых депрессий при эксплуатации горизонтальных скважин и др.

Традиционным подходом к решению подобных проблем является создание математических моделей и попытка с их помощью ответить на указанные вопросы. Однако для пород с ярко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств (в частности для слоистых пород) попытки создать адекватные математические модели с одной стороны приводят к их резкому усложнению, а с другой - к неизбежному увеличению числа де-

формационных и прочностных параметров, входящих в модель, экспериментальное определение которых само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования.

Развиваемый в Институте проблем механики им. А,Ю.Ишлинского РАН подход кардинально отличается от общепринятого. В разработанном подходе математическое моделирование при ответе на вопрос о деформировании и разрушении горной породы под действием приложенных напряжений предлагается заменить прямым моделированием этих процессов на испытательной системе ИСТИН. Оно включает в себя два этапа.

Первоначально на кубических образцах определяется тип анизотропии горных пород и по специальным программам нагружения измеряются их деформационные и прочностные характеристики. Затем рассчитываются напряжения, возникающие в пласте при различных параметрах изучаемых процессов, и определяются наиболее опасные места с точки зрения начала разрушения. Найденные зависимости используются для составления программ нагружения образцов на установке ИСТИН при последующем моделировании.

На втором этапе производится моделирование изучаемых процессов на установке ИСТНН. С этой целью изготавливаются специальные образцы, ориентация которых относительно осей анизотропии соответствует направлению главных напряжений в наиболее опасных местах. Затем образцы нагружаются по программам нагружения, составленным на первом этапе

Разработанный подход использован для решения проблемы устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации.

Ключевой вопрос, который необходимо решить до проведения моделирования на установке ИСТИН - это программы нагружения образцов, отвечающие реальным напряженным состояниям, возникающим в окрестности наклонных скважин при различных углах наклона скважин и давлениях на их забое. Для их выбора необходимо знать наиболее опасные точки на контуре скважины и значения напряжений в этих точках.

С этой целью в работе была разработана механико-математическая модель явления, согласно которой основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных свойств пород, в которых осуществляется проводка скважины. Эта анизотропия обусловлена наличием плоскостей напластования, являющимися по существу поверхностями ослабления, вдоль которых прочностные характеристики значительно понижены по сравнению с другими направлениями. Поэтому можно ожидать, что именно по этим поверхностям в первую очередь будет происходить разрушение породы в ходе проводки скважины под действием возникающих на них касательных напряжений.

Начало разрушения определяется двумя основными факторами:

- величиной касательных напряжений, действующих в плоскостях напластования (ослабления);

- прочностными характеристиками породы, и в первую очередь прочностными характеристиками вдоль плоскостей напластования;

Величина касательных напряжений, действующих на контуре скважины в плоскостях напластования, зависит от угла наклона скважины к этим поверхностям, точки на контуре скважины и давления жидкости в скважине. При незначительном угле наклона скважины касательные напряжения в горизонтальных плоскостях невелики. При увеличении угла наклона скважины растут и касательные напряжения в плоскостях напла-

стования, т.е. опасность разрушения породы на котуре скважины увеличивается.

На рис.7 показан участок наклонной скважины, пробуренной в породе, обладающей горизонтальным напластованием.

Рис.7. Положение опасных точек при малых углах наклона

На рис.7 ось ъ - вертикальная ось, ось ъ - ось скважины, угол 8 -угол наклона скважины к вертикали. Сечение скважины горизонтальной плоскостью (плоскостью напластования) представляет собой эллипс, на рисунке угол 9 - угол между большой полуосью такого эллипса и рассматриваемой точкой.

Абсолютная величина касательных напряжений в плоскости ослаблений (горизонтальной плоскости) может быть вычислена путем преобразований компонент тензора напряжений к системе координат, связанной с плоскостью напластования следующим образом

г = {я - - СОБ22срзт2в (1)

Сжимающие напряжения, нормальные к плоскости напластования, будут

<тп = - рс)соъ2ф%\т?6

(2)

В качестве критерия разрушения породы по плоскостям напластования вполне обоснованно принять обычный для горных пород критерий типа Кулона - Мора, согласно которому разрушение на этих плоскостях происходит при достижении касательным напряжением предельной величины

где к и р - модуль сцепления и угол внутреннего трения породы, являющиеся прочностными характеристиками породы. Здесь и далее сжимающие напряжения считаются отрицательными.

Следовательно, наиболее опасными точками контура будут те точки, для которых комбинация

будет максимальной. Результат получается не очевидным. Величина критического угла <р, условие разрушения (3) и область применения даются следующими формулами для 0<в<,р

[т}= к - а^р

(3)

в(в,<р) = т + апЩр - к = шах

(4)

(3=0

(д - рс)ь¡п0(соз0 + tgps^aв)+ # - к = 0 для

(5) 6)

(7)

(д - рс)$тв^+ р + <? гёр - к = 0

(8)

Таким образом, для малых углов наклона скважины наиболее опасные точки лежат в плоскости, образуемой вертикалью и осью скважины, рис.7. Для больших углов наклона скважины, опасные точки смещаются по окружности на угол, определяемый выражением (7), рис. 8.

Рис.8. Положение опасных точек для больших углов наклона скважины

На рис.9 представлены распределения комбинации напряжений (4) в зависимости от полярного угла <р, для различных углов наклона скважины в. Сплошная линия 9=15°, пунктирная (длинные штрихи) - в = 30°, пунктирная (короткие штрихи) - 0= 45°, штрих-пунктирная - в = 60°, штрих-штрих-пунктирная - в = 75°. Угол внутреннего трения Р был взят равным 15°. Расчеты производились для следующих условий - глубина скважин около 2900 м и плотность бурового раствора 1,12 г/см3, чему соответствует горное давление q = 66,5 МПа и и давление на забое скважины рс = 32,5 МПа.

* > 7

-10

Ч V

ЛЧ-\ I

-15

Рис.9. Распределения комбинаций напряжений (4) в зависимости от полярного угла <р для различных углов наклона скважины в

Из рис.9 следует, что первоначально с увеличением угла наклона скважины величина параметра б растет во всех точках контура скважины, достигая максимума в окрестности точки М, соответствующей <р-0. При некотором угле наклона скважины величина параметра <2 касательное напряжение в точке М достигают предельного значения к. При дальнейшем увеличении угла наклона скважины размер области, в которой параметр £? достигает значения к, увеличивается. Поэтому по мере увеличения наклона скважины зона предельных напряжений расширяется, и, естественно, повышается вероятность разрушения.

В качестве минимального угла наклона скважины, при котором может начаться потеря устойчивости, естественно принять угол, когда в точке М касательные напряжения достигают предела прочности. Согласно (3) и (4) это означает, что в этой точке величина 0 становится равной коэффициенту сцепления к. Для значения коэффициента сцепления 5 МПа (рис.9) это происходит при угле наклона скважины около 50°.

Из рис.9 следует важный вывод, при углах наклона скважины больше 60° вероятность разрушения уменьшается. Это связано с тем, что при углах больше 60° величина параметра С! вблизи точки М начинается уменьшаться, в результате чего зона, в которой касательные напряжения достигают предельного значения, значительно сужается. Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее опасными с точки зрения потери устойчивости скважин являются углы наклона 40° - 60° в зависимости от модуля сцепления и угла внутреннего трения породы.

В качестве программы нагружения образцов при моделировании на установке ИСТИН условий в окрестности скважины при различных углах ее наклона было выбрано изменение напряжений точке М при

изменении давления в скважине.

Поскольку для проницаемых и непроницаемых пород эти напряжения различны, то различными будут и соответствующие программы нагружения. На рис.10 и рис.11 показаны программы нагружения образцов для непроницаемых и проницаемых пород соответственно.

Рис. 10. Программа нагружения для непроницаемых пород

Рис.11. Программа нагружения для проницаемых пород

Изображенные на них напряжения относятся к осям нагру-

жающего узла ИСТИН, в которых по оси 2 напряжение всегда возрастает, т.е. напряжение & является так называемым параметром нагружения. Применительно к осям скважины напряжение & отвечает напряжению Бе, напряжение соответствует радиальному напряжению т.е. равно давлению жидкости в скважине, а напряжение равно Точки А на рис.10 и рис.11 соответствуют напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до пробуривания скважины. Для непроницаемых пород это напряжение равно горному давлению на данной глубине, а в случае проницаемых пород - эффективному напряжению на данной глубине, т.е. разности между горным давлением и пластовым давлением нефти (газа). Различным значениям давлений на забое скважины соответствуют определенные точки напряжения & на рис.10 и рис.11.

Для исследования зависимости устойчивости стенок скважины от угла наклона скважины из кернового материала изготавливаются образцы породы, соответствующие различным углам наклона скважины к вертикали. С этой целью образцы выпиливаются таким образом, чтобы их верти-

кальная ось составляла с осью керна угол, равный углу наклона скважины. Обычно это углы 0°, 15°, 30°, 45°, 60°.

Затем образцы поочередно помещаются в установку ИСТИН и нагружаются по программе, показанной на рис.10, для непроницаемых пород, и по программе, показанной на рис.11, для проницаемых пород.

При значениях нагрузки на образец, отвечающих давлениям на забое скважины в интересующем интервале значений, осуществляется продолжительная выдержка образца при постоянной нагрузке для регистрации деформации ползучести. В ходе каждого опыта регистрируется деформация образца во времени по каждому из трех направлений.

Подобные опыта проводятся для различных давлений на забое скважины. Если при данном давлении на забое ползучесть образца является ограниченной, т.е. его деформация спустя некоторое время перестает нарастать, то это давление на забое скважины считается допустимым. Если ползучесть образца носит установившийся характер, т.е. деформация образца нарастает со временем, то при данном давлении на забое скважины следует ожидать потери устойчивости ствола скважины.

В результате анализа данных экспериментов определяются допустимые параметры бурения скважин (угол наклона, плотность бурового раствора, время устойчивости ствола скважин) и допустимые депрессии при проводке скважин в продуктивных пластах и вмещающих породах.

На основе изложенной методики были выполнены исследования по определению допустимых параметров бурения и эксплуатации скважин более, чем на 10 нефтяных и газовых месторождениях ОАО «Газпром»,ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь».

В качестве примера на рис.12 и рис.13 показаны результаты испытаний по указанной методике двух образцов породы из Рогожниковского ме-

сторождения ОАО «Сургутнефтегаз, вырезанных под углами 30°(рис.12) и 45° (рис. 13) относительно вертикальной оси керна, что отвечает соответствующим углам наклона скважины. На них изображены кривее ползучести образцов в направлении, отвечающем радиусу скважины. Кривые на этих рисунках относятся к различным плотностям бурового раствора.

Рогожинская площадь. Ска.Л»789.0бр.№39(1977-1989м),Угол ЗОград.

§ 0.30

§ 0,25

)

о 0,20

I 0.16

5 1 0,10

О-

0,05

0,00

: А

№

Г 1

500 1000 1500 2000 2500 3000

Время , с

го»1,30«сику6

- го«1,25гУсм1су6

- го=1,20г/емкуб

- го=1.НКеику6

Рис.12. Кривые ползучести образца для угла наклона скважины 30

Рогсжинская площадь. Скв.№7В9,Обр.№46{1977-19Э9м).Угал 45град.

0,80 8 0,70

5 о.бо

1 0,50 а

I 0.40

I 0,30 ё

» 0,20 #

а- 0,10 0,00

Рис.13. Кривые ползучести образца для угла наклона скважины 45°

Из рис.12 видно, что с уменьшением плотности бурового раствора, т.е. с уменьшением давления на забое скважины, интенсивность ползучести породы в направлении скважины возрастает, однако даже при минимальной плотности бурового раствора 1,14 г/см.куб. ползучесть носила ограниченный характер, т.е. со временем она прекращалась. Это означает, что скважина с углом наклона 30° будет устойчива при всех допустимых плотностях бурового раствора.

Иная картина наблюдалась при испытании образца, вырезанного под углом 45°, рис. 13. Из него видно, что если при плотности бурового раствора 1,25 г/см.куб. ползучесть образца была ограниченной, то при плотности 1,15 г/см.куб., а тем более 1,12 г/см.куб. она уже стала неограниченной, т.е. увеличивалась со временем. Это означает, что при угле наклона скважины

45° и при плотностях бурового раствора 1,15 г/см.куб. или меньше возможно разрушение стенок скважины.

На рис.14 показана фотография образца породы, вырезанного под углом 30° и доведенного в ходе испытаний до разрушения. Из фотографии хорошо видно, что разрушение произошло строго по плоскости напластования, что согласуется с изложенными выше представлениями.

Рис.14. Образец, отвечающий углу наклона скважины 30°, после испытаний

Глава 3 посвящена разработке методики определения параметров устойчивости стволов скважин при испытании образцов горных пород на одноосное сжатие.

В гл.2 приведены методика и результаты определения параметров устойчивости стволов скважин при испытании образцов породы на испытательном стенде трехосного независимого нагружения ИСТИН. Но ИСТИН - это уникальная установка, позволяющая с высокой точностью моделировать реальные напряженные - деформированные состояния, возникающие в окрестности скважин при их бурении и эксплуатации. В то же время желательно иметь возможность определять параметры устойчивости стволов скважин, пусть и с меньшей точностью, на стандартных установ-

ках для испытания цилиндрических образцов горных пород на одноосное сжатие.

Очевидно, что прямое моделирование устойчивости стволов наклонных скважин на такой установке невозможно. Более того, возможность использовать лишь одноосное сжатие цилиндрических образцов значительно осложняет определение деформационных и прочностных характеристик породы.

Тем не менее, результаты многочисленных исследований на установке ИСТИН механических свойств пород из различных нефтяных и газовых месторождений позволили предложить способ оценки устойчивости стволов наклонных скважин на основе одноосного сжатия цилиндрических образцов керна для практически важного и широко распространенного класса пород. Речь идет о породах с выраженным напластованием.

Предложенный в гл.З подход заключается в следующем.

1. Учитывая возможности установок на одноосное сжатие (прессов), разработана достаточно простая механико-математическая модель зависимости устойчивости стволов наклонных скважин от их геометрии. Эта модель основана на предположении о существенной анизотропии упругих и прочностных свойств породы, связанной с наличием напластования. В качестве параметров в эту модель входят модули упругости породы и два прочностных параметра - модуль сцепления и угол внутреннего трения вдоль на поверхностях напластования, которые должны быть определены в результате одноосных испытаний образцов породы на прессе. Отметим, что, несмотря на кажущуюся простоту, предлагаемая механико-математическая модель хорошо описывает поведение реальных пород, что подтвердили многочисленные испытания кернового материала на установке ИСТИН.

2. На основе развитой модели предложен способ определения необходимых для проведения расчетов упругих и прочностных параметров с помощью испытания цилиндрических образцов породы на одноосное сжатие.

3. Создана методика изготовления цилиндрических образцов породы, испытания их на одноосном прессе и обработки полученных результатов с целью определения параметров бурения наклонных скважин, обеспечивающих устойчивость их стволов.

Для тестирования разработанной методики были проведены испытания кернового материала на установке БШМАЕ^и ЦН-300 к№, позволяющей испытывать цилиндрические образцы горных пород в условиях одноосного осевого сжатия. Опыты проводились в Тюменском филиале СургутНИПИнефть, заведующий лабораторией к.т.н. Е.А.Усачев. Испытанные образцы представляли собой цилиндры с диаметром 30 мм и длиной 70 - 80 мм. Угол наклона образцов к вертикальной оси керна составлял 30° и 45°. В ходе экспериментов определялись прочностные характеристики горных пород и проводились расчеты параметров устойчивости скважин по разработанной методике.

Основными расчётными величинами являлись параметры устойчивости - время устойчивости ствола скважины, диапазон плотности бурового раствора, угол наклона оси скважины.

Для оценки времени до разрушения породы необходимо было определить предельную деформацию при одноосном сжатии, при которой происходит разрушение образца, вырезанного под тем же самым углом, что и испытуемый образец, а также среднюю скорость ползучести породы при данной плотности. Для определения предельной деформации изготовленный под требуемым углом образец помещался в установку вШМАТги и

доводился до разрушения при одноосном сжатии. При этом регистрировалась продольная деформация, при которой это разрушение происходило. Затем рассчитывались средние скорости ползучести породы при различных плотностях бурового раствора. Для этого общая деформация образца делилась на общее время его нагружения при рассматриваемой плотности бурового раствора. Искомое время до разрушения породы на стенках скважины находилось как отношение измеренной предельной деформации на одноосное сжатие к вычисленной скорости ползучести.

Если при данной плотности бурового раствора ползучесть образца являлась ограниченной, то есть его деформация спустя некоторое время перестала нарастать, то эта плотность бурового раствора считалась допустимой.

Если ползучесть образца носила установившийся характер, то есть деформация образца нарастала со временем, то при данной плотности бурового раствора следует ожидать потери устойчивости ствола скважины.

Для оценки адекватности разработанной методики аналогичные образцы горных пород были испытаны на трехосное нагружение на испытательной системе ИСТИН.

На основании проведенных исследований и сравнения результатов испытаний на установке ИСТИН и одноосном прессе БШМАТги можно сделать вывод, что разработанная методика определения упругих и прочностных свойств горных пород со слоистой структурой, а также параметров устойчивости скважин на основе испытаний образцов кернового материала в условиях одноосного сжатия позволяет получать достаточно надежные данные и может быть рекомендована к использованию.

В четвертой главе излагается новый метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пла-

ста. При его разработке был использован тот же подход, что и при решении проблемы устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин.

Общепринятая система вскрытия нефтеносных пластов, основанная на использовании затяжеленных буровых растворов, и традиционные режимы освоения скважин неизбежно приводят к значительному ухудшению проницаемости породы в прискважинной зоне пласта (ПЗП). Существует несколько основных причин этого явления - кольматация и проникновение в пласт бурового раствора, загрязнение и заиливание естественных перфорационных каналов, набухание глин и пр. В свою очередь, снижение фильтрационных свойств пласта даже в небольшой окрестности скважины может в несколько раз и даже в десятки раз снижать ее продуктивность.

Применяемые в настоящее время методы воздействия на призабой-ную зону пласта с целью восстановления её естественной проницаемости (вибровоздействие, гидроимпульсное воздействие, циклическое чередование кратковременных депрессий и репрессий и др.) направлены в основном на «очищение» существующих фильтрационных каналов от посторонних частиц. Но зачастую это оказывается невозможным.

В ИПМех РАН группой специалистов под руководством автора был разработан новый способ повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта. В его основе лежат идеи, высказанные академиком С.А. Христиановичем относительно решающего влияния действующих в окрестности скважин напряжений на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит нефтяных и газовых скважин.

Многочисленные испытания кернового материала на установке ИСТНН и опытно-промышленные работы на скважинах полностью под-

твердили справедливость этого положения. Было обнаружено, что для большинства горных пород, слагающих коллектора нефтяных и газовых месторождений, существуют напряженные состояния, при которых в них начинает развиваться процесс трещинообразования, приводящий к резкому увеличению проницаемости породы. Вид и уровень этих напряжений зависит от структуры и деформационных свойств породы, глубины залегания пластов, пластового давления нефти, конструкции забоя скважин и условий их эксплуатации.

Академик С.А.Христианович предложил использовать этот процесс для повышения проницаемости призабойной зоны пласта, и на основе этой идеи был разработан новый метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта. Идея метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и созданию в пласте искусственной системы множественных макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной сетки фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы фильтрационных каналов значительно (на порядок) превышает природную проницаемость пласта.

На рис.15 приведена фотография образца породы после его испытания на установке ИСТИН, в ходе которых моделировалось создание депрессии на забое необсаженной скважины. На ней хорошо видно, как вокруг отверстий образуется система макротрещин. В случае менее прочных пород может происходить даже разрушение породы с выносом в отверстие, рис.16.

Рис.15. Зона трещин вокруг отверстия в прочной породе

Рис.16. Зона трещин вокруг отверстия в слабой породе

Второй важный момент метода направленной разгрузки пласта - это необходимость поддержания требуемого давления на забое скважины в течение достаточно длительного времени, поскольку процесс трещинообра-зования постепенно распространяется вглубь пласта. Это связано, во-первых, с перестройкой воронки депрессии в окрестности скважины, и, во-вторых, с тем, что при больших напряжениях горные породы перестают быть упругими и начинают деформироваться во времени («ползти»).

Из изложенного следует, что для выработки оптимальных режимов эксплуатации скважин важно знать, к каким последствиям с точки зрения изменения проницаемости пласта приводят возникающие в пласте напряжения, и какие давления необходимо поддерживать на забое скважины.

Для ответа на этот вопрос был использован тот же подход, что и при решении проблемы устойчивости стволов скважин. На первом этапе рассчитываются напряжения, действующие в окрестности скважины при различных конструкциях ее забоя, и их изменение при изменении давления на забое, на основании чего составляется программа нагружения образцов.

Затем производится прямое моделирование анализируемой ситуации на установке ИСТИН. С этой целью к образцам породы прикладываются рассчитанные напряжения и регистрируется деформация образца в трех направлениях с одновременным измерением проницаемости образца. В результате определяются напряжения, и соответственно давления на забое скважины, при которых в пласте начинается процесс трещинообразования или разрушения.

Таким образом, разработка технологического регламента работ по повышению продуктивности скважин методом направленной разгрузки пласта на конкретном месторождении включает в себя следующие этапы.

1. Испытания кернового материала из коллектора исследуемого месторождения на экспериментальном стенде ИСТИН.

Результатом испытания образцов породы на стенде ИСТИН является определение величины и вида напряжений, которые необходимо создать в породе в призабойной части пласта, чтобы вызвать в ней процесс микро- и макрорастрескивания или разрушения породы, сопровождающийся необратимым увеличением ее проницаемости.

2. Расчет напряжений, возникающих в призабойной зоне пласта при различных конструкциях забоя скважины.

Проведение расчетов на втором этапе адаптации метода направленной разгрузки пласта к условиям конкретного месторождения должно дать ответ на вопрос, каким образом в окрестности скважины можно создать те на-

пряжения, которые, согласно результатам испытаний образцов породы на первом этапе, необходимы для реализации метода направленной разгрузки пласта.

Для вычисления напряженно-деформированного состояния в призабойной зоне пласта использовался пакет программ АМ8УБ5.7, адаптированный с учетом специфики изучаемой проблемы. Этот пакет программ позволяет на основе метода конечных элементов численно решать пространственные задачи практически любого уровня сложности для исследуемых типов среды и граничных условий.

В качестве примера расчетов на рис.17 и рис.18 приведены примеры расчета напряжений для двух типичных технологических ситуаций: задача о перфорационном отверстии в виде конуса в необсаженной скважине (рис. 17); задача о двух перфорационных отверстиях в виде конуса в необсаженной скважине (рис.18).

На каждом из рисунков показаны изолинии интенсивностей касательных напряжений, отложенные в долях от горного давления, соответствуют максимальной депрессии на забое скважины

Рис.17. Распределение напряжений в окрестности необсаженной скважины с перфорационным отверстием

Рис.18. Распределение напряжений в окрестности необсаженной скважины с двумя перфорационными отверстиями

Результатом проведения расчетов является:

- Определение для различных конструкций забоя скважины на данном месторождении уровней депрессий, необходимых для инициации процесса растрескивания породы.

- Определение размеров зоны трещинообразования и его интенсивности в зависимости от давления на забое скважины. Величина этой зоны, помимо давления на забое скважины, зависит от деформационных и прочностных свойств породы, а также от дебита нефти или газа в скважину.

- Оценка на основе выполненных расчетов ожидаемого эффекта от использования метода направленной разгрузки пласта на данном месторождении.

3. Составление технологического регламента проведения работ по методу направленной разгрузки пласта на скважинах конкретного месторождения.

Метод направленной разгрузки пласта прошел опытно-промышленные испытания на нефтяных месторождениях Западной Сибири, Приуралья и Приобья. Всего было обработано около 20 скважин - при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих скважин и капи-

тальном ремонте нагнетательных скважин. Всем испытаниям предшествовало физическое моделирование на установке ИСТНН процесса воздействия на пласт при использовании метода направленной разгрузки пласта и выбор на его основе технологических параметров реализации метода на конкретных скважинах.

Результаты испытания метода направленной разгрузки пласта показали его эффективность, особенно при освоении скважин и повышении приемистости нагнетательных скважин. На необсаженных стволах удавалось достичь 2-4-х кратного увеличения дебита скважин, на обсаженных стволах -1,5-2 кратного увеличения. Продолжительность сохранения эффекта обычно составляла от нескольких месяцев до года.

Разработанная технология защищена семью российскими патентами и одним евразийским патентом.

В пятой главе проведен механико-математический анализ напряженно-деформированных состояний и размера зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое. Это необходимо для оценки эффективности метода направленной разгрузки пласта, поскольку она напрямую связана с размером возникающих зон грещинообразования. Кроме того, необходимо представлять, какое влияние на указанные параметры оказывает фильтрация нефти из пласта в скважину.

Рассмотрены различные критерии местного разрушения породы. Изучено влияние на величину возникающих напряжений и размер зон разрушения процесса фильтрации нефти (газа) в скважину. Всего было рассмотрено четыре случая: без фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; при наличии фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; без фильтрации при законе Кулона-Мора; при

наличии фильтрации при законе Кулона-Мора. Численные расчеты для радиуса зоны нарушенности с повышенной проницаемостью согласно полученным моделям представлены на рис.19, »•/я.

т с-а

а г-х

5 м и го г: зо Рис.19. Радиус зоны разрушения в зависимости от угла внутреннего трения р для разных значений давления на забое скважины ЬРс'Ро (4Рс-понижение давления в скважине,Рц- давление в пласте):

- пунктирная линия (длинные штрихи) - без фильтрации при законе Кулона-Мора, АРс/Ро^О;

- пунктирная линия (средние штрихи) - при наличии фильтрации при законе Кулона-Мора, АРСIРо~ 0.5;

-пунктирная линия (короткие штрихи) - при наличии фильтрации при законе Кулона-Мора, &РС IРо~1",

Один из важных выводов, который можно сделать на основании проведенного анализа, состоит в том, что с увеличением градиента давления, вызывающего приток флюида (газа) в скважину, увеличивается величина зоны разрушения.

Рассмотрено влияние сжимаемости флюида (газа) и зависимости его вязкости от давления на распределение давления флюида и напряжений в окрестности скважины. Показано, что при определенных условиях фильт-

рация нефти или газа может оказывать значительное влияние на величину зон нарушенности породы в окрестности скважин.

На рис.20 представлена зависимость градиента давления на контуре скважины (отнормированного к градиенту давления при отсутствии зависимости параметров от давления) от давления в скважине для различных значений обобщенного параметра сжимаемости (сплошная линия - отсутствие сжимаемости).

Рис.20. Зависимость градиента давления на контуре скважины (отнормированного к градиенту давления при отсутствии зависимости параметров от давления) от давления в скважине для различных значений обобщенного параметра сжимаемости (сплошная линия - отсутствие сжимаемости)

Расчеты показали, что в зависимости от деформационных и прочностных характеристик горных пород радиус зоны трещинообразования с повышенной проницаемостью составляет от двух до более десятка калибров скважины. Выполненный анализ необходим для оценки эффективности использования метода направленной разгрузки пласта на конкретном месторождении.

Решена задача о росте трещины под действием давления газа, выделяющегося из нефти при уменьшении горного давления. Основанный на

этом механизм разрушения пород-коллекторов нефтяных месторождений может давать дополнительный вклад в растрескивание и разрушение горных пород при реализации метода направленной разгрузки пласта. Кроме того, аналогичный механизм может быть одной из причин разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений при подъеме их на поверхность.

В заключении перечислены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработана методика определения на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТНН деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород (в том числе анизотропных), используемых при определении параметров устойчивости стволов нефтяных и газовых скважин.

Разработан новый подход к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности нефтяных и газовых скважин под действием возникающих в них напряжений. При его использовании математическое моделирование при ответе на вопрос о деформировании и разрушении горной породы под действием приложенных напряжений заменяется прямым моделированием этих процессов на испытательной системе ИСТНН. Это позволяет избежать принятия приближенных и упрощающих предположений относительно деформационных и прочностных свойств изучаемых горных пород и дать не только качественный, но и количественный ответ на поставленные вопросы.

Создана механико-математическая модель устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации, в

основе которой лежит положение, что основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных и деформационных свойств горных пород, в которых осуществляется проводка скважин. Ее разработка необходима для моделирования явления на установке ИСТИН и выработки программы нагружения образцов, адекватной реальной ситуации проводки скважин.

Выполнено прямое моделирование на установке ИСТИН на основе разработанной математической модели процесса бурения и эксплуатации наклонно направленных и горизонтальных скважин, в том числе и на депрессии.

Разработаны методики экспериментального определения на установке ИСТИН параметров бурения наклонных и горизонтальных скважин и методики определения допустимых депрессий при их эксплуатации.

Разработаны методики определения допустимых депрессий при бурении нефтяных и газовых скважин (в том числе горизонтальных) на основании результатов одноосных испытаний образцов горных пород.

Развитый подход апробирован на конкретных месторождениях для определения оптимальных параметров бурения скважин.

Разработаны физические основы нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта.

На его основе разработана технология реализации метода направленной разгрузки пласта на скважинах нефтяных месторождений.

Проведены опытно-промысловых испытания метода направленной разгрузки пласта по разработанной технологии на ряде нефтяных месторождений. Результаты показали эффективность разработанного метода,

особенно при освоении скважин и повышении приемистости нагнетательных скважин.

Решена задача о распределении напряжений, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины с учетом процесса фильтрации нефти (газа) и зависимости их вязкости и плотности от давления;

На основе полученного решения выполнен анализ размеров зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое, для различных критериев местного разрушения породы;

Решена задача о росте трещины под действием давления газа, выделяющегося из нефти при уменьшении горного давления. Основанный на этом механизм разрушения пород-коллекторов нефтяных месторождений может давать дополнительный вклад в растрескивание и разрушение горных пород при реализации метода направленной разгрузки пласта. Кроме того, аналогичный механизм является одной из причин разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений при подъеме их на поверхность

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах, первые 15 из списка входят в перечень ВАК:

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об Об измерении давления газа в угольных пластах// ФТПРПИ. 1988. № 3.

2. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об увеличении нефтеотдачи нефтяных пластов//Нефтяное хозяйство. 1988. № б.

3. Христианович СЛ., Коваленко Ю.Ф. Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения// ФТПРПИ. 1990. №1.

4. Коваленко Ю.Ф. О механизме разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений//ФТПРПИ. 1990. №3

5. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., ОдинцевВ.Н. Механика гидрогазоим-пульсного воздействия на трещиновато-пористую породу при скважин-ной гидродобыче // ФТПРПИ. 1995. № б.

6. Харламов К.Н., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Усачев Е.А. О необходимости учета прочностных характеристик горных пород при определении оптимального пространственного положения скважины // Бурение и нефть. 2008. № 10. С. 18 - 21.

7.Климов Д.М.,Тер-Саркисов Р.М, Чигай С.Е.,Коваленко Ю.Ф.,Рыжов А.Е. Определение прочностных характеристик пород Штокмановского ГКМ и оценка рисков выноса песка при его разработке//Газовая промышленность. 2010. № П.

8. Карев В.И., Коваленко Ю. Ф. Геомеханика нефтяных и газовых скважин//Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И.Лобачевского. 2011. №4. ч.2. с.448-450.

9. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. и др. Способ вскрытия продуктивного пласта. - Патент РФ№2110664 от 10.05.1998.

10. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ вызова или увеличения притока флюида в скважинах. - Патент РФ № 2163666 27.02.2001.

11. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. - Патент РФ №2179239 от 10.02.2002.

12. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ ремонта скважин. - Патент РФ № 2188317 от 27.08.2002.

13. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. - Евразийский патент № 003452 от 26.06.2003.

14. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ обработки нагнетательной скважины. — Патент РФ № 2213852 от 10.10.2003.

15. Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф. и др. Способ обработки призабойной зоны скважины. -Патент РФ № 2285794 от 20.10.2006.

16. Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Метод георыхления - Новый подход к проблеме повышения продуктивности скважин // Технологии ТЭК. 2003. №1. С. 31-35.

17. Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Реализация метода георыхления для увеличения приемистости нагнетательной скважины // Технологии ТЭК. 2003. № 4. С. 59-64.

18. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увели чение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхления // Нефть и газ Евразия, 2000, № 2, - с. 90-94.

19. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Негомедзянов В.Р., Харламов К.Н. Исследо вание и прогнозирование устойчивости горных пород в горизонтальных скважинах баженовских отложений, бурящихся в условиях депрессии // Технологии ТЭК. 2004. № 5. С. 18-23.

20. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Прихно М.А. Определение деформационных и прочностных свойств горных пород применительно к баженовским отложениям // Технологии ТЭК. 2005. № 3. С. 17-21.

21. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород при проходке наклонно-направленных скважин // Технологии ТЭК. 2006. № 5. С.22-27.

22. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Зависимость проницаемости приза-бойной зоны пласта от депрессии и конструкции забоя для различных типов горных пород // Технологии ТЭК. 2006. № 6. С.59 -63.

23. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Развитие модели фильтрации газа в газонасыщенных угольных пластах.- Труды VIII международной научной школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках". Симферопольский государственный университет. 1998. С.57-58.

24. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увеличение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхления // Нефть и газ Евразия. 2000. № 2. С. 90-94.

25. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Христианович С.А. Взаимовлияние деформационных и фильтрационных процессов в коллекторах нефтяных и газовых месторождений и создание новых технологий // Тезисы докл. на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Пермь. 2001. С.309-310.

26. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород в окрестности наклонно направленных нефтяных и газовых скважин с учетом анизотропии упругих и прочностных свойств пород // Тезисы докл. на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Нижний Новгород. 2006.

27. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование устойчивости наклонных и горизонтальных скважин в анизотропных породах. Препринт ИПМех РАН № 879,2008,24 с.

28. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Об устойчивости наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. В

Сб. Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 2009. С.455-469.

29. Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б., Галанин А.А. Анализ напряженного состояния и разрушения породы в окрестности нефтяной скважины. Препринт ИПМех РАН № 919,2009,36 с.

30. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Роль напряжений в формировании эксплуатационных свойств скважин. В Сб. Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела - М.: Наука, 2009. С.470-476.

31. Коваленко Ю.Ф., Харламов К.Н., Усачев Е.А. Устойчивость скважин Среднего Приобья. 2011.- Тюмень-Шадринск, 2011.174 с.

32. Karev V., Kovalenko Yu. Triaxial loading system as a tool for solving problems of oil and gas production // The 12th International Congress on Rock Mechanics (Beijing, October 18-21,2011).

Коваленко Юрий Федорович

Геомеханика нефтяных и газовых скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Подписано к печати «08» декабря 2011 г. Заказ № 32-2011г. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе Учреждения Российской академии наук Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

119526 Москва, пр. Вернадского, 101, кор. 1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Коваленко, Юрий Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД НА ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ТРЕХОСНОГО НЕЗАВИСИМОГО НАГРУЖЕНИЯ ИСТИН.

1.1 Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН).

1.2 Определение на установке ИСТНН деформационных характеристик анизотропных горных пород.

1.3 Определение на установке ИСТНН прочностных характеристик горных пород.

1.4. Проведение на установке ИСТНН испытаний по схеме «по схеме полый цилиндр».

1.5. Моделирование деформирования и разрушения породы в окрестности горизонтальной скважины при наличии бокового распора.

1.6. Испытания по схеме «полый цилиндр» при наличии бокового распора.

1.7. Влияние масштабного эффекта на механические свойства горных пород.

ГЛАВА 2. МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ПРЯМОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОВОДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НАКЛОННЫХ И

ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН.

2.1 Механико-математическая модель устойчивости наклонных скважин в слоистых горных породах.

2.2 Прямое моделирование на установке ИиТНН устойчивости наклонных скважин.

2.2.1. Программа нагружения образцов при моделировании проводки наклонных скважин.

2.2.2. Методика моделирования проводки наклонной скважины.

2.3. Определение параметров бурения, обеспечивающих устойчивость стволов наклонных скважин Рогожинского месторождения.

2.3.1. Данные об образцах.

2.3.2. Результаты прямого моделирования бурения наклонных скважин на установке ИСТИН.

2.4. Результаты испытаний образцов породы из скв.789 Рогожниковского месторождения на установке ИСТИН.

2.4.1. Напряжения в окрестности горизонтальной скважины.

2.4.2. Программа нагружения образцов при моделировании бурения горизонтальных скважин.

2.5. Определение допустимых депрессий при бурении горизонтальных скважин на пласте ЮС-2 Русскинского месторождения.

2.5.1. Данные об испытанных образцах.

2.5.2. Данные по ультразвуковому прозвучиванию образцов.

2.5.3. Результаты испытаний образцов.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛОВ СКВАЖИН В ОПЫТАХ НА ОДНООСНОЕ

СЖАТИЕ.

3.1 Определение упругих констант слоистых горных пород в опытах на одноосное сжатие.

3.2 Определение прочностных констант горных пород в опытах на одноосное сжатие.

3.3 Пример определения параметров бурения.

3.4. Оценка устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин в опытах на одноосное сжатие.

3.5. Методика проведения экспериментов по изучению деформационных и прочностных свойств в условиях одноосного сжатия.

3.6. Определение прочностных характеристик образцов кернового материала продуктивных пластов при одноосном сжатии на установке 8ШМАЕ)2и, расчёт параметров устойчивости.

ГЛАВА 4. МЕТОД НАПРАВЛЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ПЛАСТА - НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН.

4.1. Экспериментальное изучение влияния напряжений на фильтрационные свойства пород коллекторов нефтяных и газовых месторождений.

4.1.1. Результаты испытаний на установке ИСТНН кернового материала из Нижнечутинского месторождения.

4.2. Метод направленной разгрузки пласта.

4.3. Методика проведения работ по повышению продуктивности скважин методом направленной разгрузки пласта.

4.4. Результаты опытно-промысловых работ по методу направленной разгрузки пласта.

ГЛАВА 5. МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ И РАЗМЕРОВ ЗОН НАРУШЕННОСТИ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ОКРЕСТНОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВА

ЖИН С УЧЕТОМ ФИЛЬТРАЦИИ НЕФТИ (ГАЗА).

5.1. Расчеты напряженного состояния без учета влияния сжимаемости флюида и зависимости его вязкости от давления.

5.2. Влияние сжимаемости флюида (газа) и зависимости его вязкости от давления на распределение напряжений и размер нарушенной зоны в окрестности скважины.

5.3. Механико-математическая модель ращрушения кернов горных пород при их отборе из коллекторов нефтяных месторождений.

Введение диссертация по механике, на тему "Геомеханика нефтяных и газовых скважин"

Современные технологии добычи нефти и газа во многом основаны на бурении наклонных и горизонтальных скважин. Однако с их использованием возникли серьезные проблемы. Оказалось, что устойчивость стволов наклонных скважин существенно зависит от деформационных и прочностных характеристик горных пород, наличия и степени их анизотропии, а также от геометрии скважин и давления на их забое. Осложнения при бурении нефтяных и газовых скважин, связанные с потерей устойчивости ствола, как правило, сопровождаются большими затратами средств на ликвидацию их последствий, в связи с чем прогнозирование и предупреждение данного вида осложнений играет немаловажную роль в снижении себестоимости строительства скважин. Кроме того, разрушение стволов скважин является одним из основных факторов, ограничивающих максимальные дебиты скважин.

Экспериментальное определение этих параметров для анизотропных пород само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования. Кроме того, любая механико-математическая модель требует принятия некоторого закона прочности породы, что для анизотропных пород также является отдельной сложной задачей.

Все это вынуждант принимать определенные упрощения и допущения в модели, в результате чего такой подход позволяет провести лишь качественный анализ, но не может обеспечить практического решения проблемы устойчивости стволов скважин для конкретных месторождений.

Другой важнейшей проблемой, возникающей при разработке нефтяных и газовых месторождений, является повышение продуктивности скважин. Одной из основных причин снижения дебита скважин в процессе их эксплуатации является ухудшение фильтрационных свойств пласта в призабойной зоне скважин (ПЗП), что связано в основном с загрязнением и заиливанием естественных фильтрационных каналов в ПЗП при эксплуатации скважин.

Применяемые в настоящее время методы воздействия на ПЗП с целью повышения ее проницаемости направлены в основном на «очистку» существующих фильтрационных каналов от посторонних частиц. Но зачастую это оказывается невозможным.

Имеется принципиально другая возможность восстановления проницаемости призабойной зоны пласта, основанная на том же подходе, что и при решении проблемы устойчивости стволов скважин в процессе их бурения и эксплуатации. При решении проблемы устойчивости стволов скважин задача заключается в том, чтобы не допустить растрескивание и разрушение породы в окрестности скважины. Однако процесс растрескивания и разрушения породы в окрестности скважины может быть использован и во благо. Академик С.А.Христианович предложил использовать этот процесс для повышения проницаемости призабойной зоны пласта, и на основе этой идеи был разработан новый метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта.

Идея метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и созданию в пласте искусственной системы множественных мико- и макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной системы фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы значительно (на порядок и более) превышает природную проницаемость пласта.

Целями работы были: Разработка нового подхода к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности нефтяных и газовых скважин под действием возникающих в них напряжений.

Изучение деформационных и прочностных характеристик анизотропных горных пород в условиях трехосного неравнокомпонентного нагружения образцов породы на установке ИСТНН.

Прямое моделирование на установке ИСТИН на основе разработанной механико-математической модели процессов деформирования и разрушения горных пород при бурении и эксплуатации скважин.

Экспериментальное определение на установке ИСТИН параметров бурения и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи:

Экспериментальное изучение на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТИН деформационных и прочностных характеристик горных пород;

Изучение зависимости напряженного состояния, возникающего в окрестности наклонно направленных скважин, бурящихся в анизотропных (слоистых) горных породах, от геометрии скважин и величины давления на их забое;

Моделирование на установке ИСТИН процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности наклонных и горизонтальных скважин;

Экспериментальное изучение на установке ИСТИН влияния напряжений на фильтрационные свойства горных пород и определение параметров реализации метода направленной разгрузки пласта для условий конкретных месторождений;

Проведение на установке ИСТИН испытаний кернового материала из коллекторов нефтяных и газовых месторождений с целью определения параметров и режимов реализации на них метода направленной разгрузки пласта;

Проведение опытно-промысловых работ по методу направленной разгрузки пласта на ряде нефтяных месторождений;

Исследованиям механических процессов в горных породах при ведении в них горных работ и проходке выработок посвящено большое количество работ. Этими вопросами занимались такие известные ученые, как Христианович С.А., Шемякин Е.И., Садовский М.А., Ганиев Р.Ф., Щелкачев В.Н., Мирзаджанзаде А.Х., Желтов Ю.П., Гузь А.Н., Николаевский В.Н., Баренблатт Г.И., Тер-Саркисов P.M., Басниев К.С., Черепанов Г.П., Быков В.Г., Капустянский С.М., Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г., Добрынин В.М., Маскет М., Друккер Д., Пра-гер В., Джегер Ч., Терцаги, Маскет. М и др.

В последние годы нефтяные добывающие компании стали уделять все больше внимания вопросам деформирования и разрушения горных пород для оценки осложнений, возникающих во время бурения и добычи. Это связано с тем, что истощение запасов и высокие цены на нефть стимулируют бурение все более глубоких скважин во все более сложных геологических условиях. Кроме того, падающая добыча нефти и газа на месторождениях с большим сроком эксплуатации вынуждает искать новые технологии поддержания дебита скважин.

Типичными примерами проблем, которые могут возникать при бурении, являются неустойчивость ствола скважины и растрескивание пласта.

Несмотря на достаточно большое число работ, посвященных вопросу устойчивости стволов скважин при бурении и эксплуатации, геомеханический аспект проблемы остается практически не затронутым, что может иметь очень серьезные последствия. Бурение скважин и добыча нефти и газа приводят к изменению напряжений в пластах, достигших перед этим равновесия на протяжении геологических времен. Неустойчивость стволов скважин, смятие или сдвиг обсадных колонн, проседание земной поверхности, вынос песка при эксплуатации скважин - все это может быть проявлением изменяющихся напряжений в пласте.

Влияние геомеханических факторов может распространяться за пределы прискважинной области. Депрессия на пласт, создаваемая для обечпечения притока в скважину, сопровождается снижением давления в скважине ниже уровня порового давления в пласте, увеличивая риск разрушения горной породы. При уменьшении пластового давления нагрузка от горного давления перераспределяется таким образом, что напряжения, действующие в грунтовом скелете, увеличиваются. Это может привести к дополнительным деформациям или разрушению породы, проявляющимся в пластической деформации, разрушении цемента на контактах между зернами, прорастании существующих или образовании новых трещин [1]. В результате изменения в скелете породы под действием напряжений, возникающих в процессе эксплуатации месторождения, могут привести к закрытию пор и уплотнению пласта-коллектора [2]. Другие примеры возможных осложнений при понижении пластового давления - снижение пористости и проницаемости, растрескивание пласта, вынос песка из скважин.

Эффекты деформирования и разрушения горных пород существенно проявляются в подземных хранилищах газа, где периодические процессы закачки и извлечения приводят к изменениям давления в поровом пространстве пласта-коллектора. При этом повышение давления ведет к уменьшению эффективных сжимающих напряжений, действующих на грунтовый скелет горной породы, а его снижение увеличивает нагрузку на скелет, что повторяется периодически в каждом цикле закачки и извлечения газа. Если создаваемые напряжения превысят предел упругости породы, то пористость и проницаемость могут необратимо уменьшиться. Более того, так как окружающие породы испытывают постоянные циклические нагрузки, то в них могут образовываться новые трещины, что крайне не желательно [3].

Таким образом, можно сделать вывод, что возникающие в породе напряжения при бурении и эксплуатации скважин являются важным фактором, влияющим на эффективность разработки нефтяных и газовых месторождений. Однако надо понимать, что сами по себе поля напряжений, их ориентация и величина, имеют небольшое значение без привязки к самой породе, в которой они возникают.

Реакция породы на приложенные напряжения выражается в различных деформациях, которые могут привести как к уплотнению породы, так и к ее растрескиванию и разрушению. При этом поведение разных пород может очень сильно отличаться друг от друга. Помимо величины действующих напряжений реакция породы существенно зависит от ее типа, сцементированности, пористости и других факторов. Деформация в песчаниках зависит от размера, формы и количества площадок контакта между отдельными зернами породы, а в известняках - от структуры и прочности его скелета [4], [5].

С увеличением глубин и в связи с интенсификацией добычи нефти и газа эти вопросы становятся особенно острыми, поскольку правильное понимание механизма разрушения горных пород позволяет в определенной мере прогнозировать неблагоприятные ситуации. Особенно эти вопросы актуальны для участков скважин, расположенных в интервалах геологического разреза, характеризующихся слабыми глинистыми породами [6].

Учет взаимного влияния геологических характеристик, ориентации ствола скважины и изменений напряжения, вызванных бурением или добычей углеводородов, является сложной задачей. Традиционный подход, применявшийся для моделирования пласта и происходящих в нем геомеханических процессов, не учитывал неоднородность и анизотропию упругих и прочностных свойств коллекторских и вмещающих пород. Механические свойства горных пород считались одинаковыми в каждой точке пласта и одинаковыми по всем направлениям, т.е. горная порода рассматривалась как однородная и изотропная среда. Кроме того, возникали сложности, обусловленные с одной стороны чрезмерно упрощенным описанием поведения породы, а с другой стороны - ограниченными возможностями моделирования и анализа, что связано с отсутствием достаточного количества экспериментальных данных о свойствах пород.

Такой подход неизбежно приводил к недооценке роли деформационно-прочностных свойств пород. Сейчас ситуация меняется, и в нефтегазовой отрасли начинают осознавать важность знания механических свойств горных пород и необходимость учитывать при исследованиях их изменение. Современные, более совершенные методы моделирования неизбежно требуют расширенного набора входных данных. Сложное поведение пород, их изменяющиеся и неоднородные свойства требуют более совершенных методов моделирования и программного обеспечения и более высокого качества данных, особенно кер-новых.

Механическое состояние массива горных пород определяется совокупностью показателей, характеризующих деформируемость, прочность устойчивость массива [7-15].

Изучение механических свойств горных пород в лабораторных условиях включает целый комплекс исследований, в которых особое место занимают испытания по определению их основных деформационных и прочностных свойств. За последние десятилетия большое развитие получили методы испытаний горных пород с разрушением образцов. Наиболее распространенным видом испытаний горных пород являются испытания на сжатие в одноосно напряженном состоянии. Данные испытания проводятся на испытательных машинах сжатия (прессах). В процессе опыта регистрируются деформация и прочность образца и определяются механические свойства породы - модуль упругости, коэффициент Пуассона и прочность на одноосное сжатие.

Горные породы в массиве, в условиях естественного залегания, находятся в объемном напряженном состоянии. Поэтому для наиболее полного изучения их механических свойств проводят испытания на специальных лабораторных установках.

В настоящее время для определения упругих и прочностных характеристик горных пород главным образом используются экспериментальные установки типа Т.Кармана, в которых усилием пресса создают вертикальное давле ние на образец, а боковое давление по периметру образца создают гидравлическим путем с помощью гидромультипликатора. Подобные установки, называемые стабилометрами, позволяют создавать в испытываемом образце напряжен ные состояния, характеризуемые следующим соотношением главных нормальных напряжений <тх > сг2 = сг3.

На рисунке приведена схема конструкции одного из стабилометров. Нагрузки на образец осуществляются всесторонним сжатием до заданных пределов и последующим приложением возрастающей осевой сжимающей нагруз ки при неизменном значении боковой.

Испытание образцов пород в объемном напряженном состоянии. а - схема установки типа Т. Кармана; б - конструкция стабилометра КП-3 (ВНИМИ).

1 - корпус; 2 - образец породы; 3 - плунжер осевого сжатия; 4 - плунжер гидромультиплика-тора; 5 - штуцер боковой нагрузки; 6-манометры для определения осевой и боковой нагрузок; 7 - шаровые шарниры; 8 - поршень осевого сжатия; 9 - штуцер осевой нагрузки; 10 - насос; 11 - редукторы.

Испытываемые образцы представляют собой цилиндры длиной 70 - 80 мм и диаметром 30 - 40 мм. Нагружение образцов осуществляется сжатием вдоль образующей образца и всесторонним обжатием по боковой поверхности. Подвергая образец породы одновременно с механическим нагружением нагреву с помощью специальных устройств, монтируемых в стабилометр, можно определять механические свойства пород при высоких всесторонних давлениях и температурах, моделируя тем самым условия нахождения пород на больших глубинах.

Таким образом, в установках, основанных на принципе Кармана, можно осуществлять независимое нагружение образцов лишь по двум осям.

Этого достаточно для определения упругих и некоторых прочностных характеристик горных пород в предположении их изотропности. Для существенно анизотропных пород определение этих параметров на установках со схемой Кармана оказывается невозможным. При этом именно анизотропия упругих и прочностных свойств горных пород является основной причиной ряда серьезных проблем, возникающих при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Кроме того, важно отметить, что поскольку в широко распространенных установках, использующих схему Кармана, осуществляется двухосное нагру-жение образца, то эти установки не позволяют воспроизводить реальные напряженно-деформированные состояния, возникающие в пласте, которые являются существенно трехмерными. Между тем совершенно очевидно, что для решения геомеханических проблем необходимо иметь возможность прямого измерения деформационных и прочностных свойств анизотропных горных пород при истинно трехосном нагружении.

Попытки создания установок, позволяющие реализовывать на образцах горной породы так называемое «истинное трехосное нагружение» предпринимались достаточно давно. Для трехосных испытаний обычно используются кубические образцы горных пород с гранью 50 мм или больше. Основными требованиями, предъявляемыми к установкам на трехосное сжатие, является возможность создания трехосного независимого нагружения образца и обеспечение однородности полей напряжений и деформаций в образце.

Существующие в настоящее время установки на трехосное независимое нагружение образцов можно разделить на три типа:

1. Установки, использующие шесть жестких плит для нагружения образца в трех ортогональных направлениях.

В этих установках была реализована идея использования шести скользящих друг относительно друга плит для нагружения кубических образцов в трех ортогональных направлениях [16-19]. Позднее эта же идея была развита и использована в других установках [20-24].

Основными достоинствами испытательных систем, использующих принцип скользящих нагружающих плит, является:

- перемещения, вызываемые каждой из нагружающих плит, одинаковы по поверхности образца в силу жесткости плит;

- отсутствует взаимовлияние граней образца;

- три главных напряжения могут произвольно изменяться в ходе эксперимента;

Основными недостатками этого типа испытательных машин является то обстоятельство, что в них сложно избавиться от трения между соприкасающимися плитами, а также между плитами и образцом, что затрудняет получения достоверных экспериментальных данных. По этой причине в настоящее время в установках на трехосное независимое нагружение практически не используются шесть скользящих нагружающих плит. Более широкое применение нашло использование трех пар жестких нагружающих плит с зазорами между двумя плитами [25], [26].

2. Установки с шестью гибкими нагружающими элементами.

В этих установках для нагружения кубического образца в трех ортогональных направлениях используются гибкие мембраны, заполненные под давлением водой. Первым предложил такой принцип нагружения образца Bell в 1965 г. [27]. Смысл нагружения образцов посредством заполненных жидкостью резиновых мембран заключается в том., что при их использовании трение между нагружающей поверхностью, т.е. резиновой мембраной, и поверхностью образца относительно невелико. Однако такого типа установки обладают существенными недостатками, связанными с тем, что резиновая нагружающая мембрана закрывает только 60% грани образца. Это приводит к тому, что в ходе опыта невозможно обеспечить однородность деформации внутри образца, особенно вблизи его граней. Кроме того, во время эксперимента невозможно создать в образце большие деформации, поскольку при этом начинает проявляться взаимовлияние концевых зон образца. Тем не менее, такие установки и их модификации используются в ряде исследовательских центров [28-33].

3. Установки смешанного типа.

Green в 1969 г. [34] предложил использовать установки смешанного, в которых в двух направлениях нагрузка кубического образца осуществляется жесткими плитами, а в третьем направлении - гибкими резиновыми мембранами. При этом между жесткими плитами оставляется зазор, чтобы исклюсить их взаимодействие. Идея заключалась в том, чтобы попытаться совместить достоинства двух предыдущих типов установок на трехосное независимое нагруже-ние и одновременно избавиться от присущих им недостатков. Однако во всех этих установках оставался главный недостаток - нажимные элементы не закрывали всей поверхности образца, что неизбежно приводит к неоднородности полей деформаций и напряжений внутри образца в ходе эксперимента. Такие установки были созданы рядом исследователей [35-39], однако широкого распространения они не получили, поскольку они обладают прежними недостатками, хотя и в меньшей степени, однако при изготовлении и эксплуатации они оказались значительно сложнее и не надежнее.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время за рубежом практически нет установок, позволяющих осуществлять независимое трехосное образцов горных пород, обеспечивая при этом в них однородность полей деформаций и напряжений. В России такие установки отсутствуют.

Как отмечалось выше, среди множества задач, которые необходимо решать в процессе разбуривания и эксплуатации месторождения, важнейшими являются обеспечение устойчивости стволов скважин при бурении и эксплуатации и повышение дебита скважин.

В нашей стране впервые проблема потери естественной устойчивости пород, слагающих стенки буровых скважин, возникла на ряде нефтяных месторождений юга страны, где при освоении глубокозалегающих горизонтов происходили обвалы горных пород. Известно множество случаев массовых выходов из строя нефтяных и газовых скважин, вскрывших соляные и глинистые породы. Подтверждением этому могут служить нефтяные месторождения Западной

Сибири, на некоторых из которых наблюдались нарушения как отдельных скважин, так и целых кустов скважин.

В результате работ по изучению причин обрушения горных пород появились различные гипотезы, объясняющих эти причины. Долгое время в качестве основной причины обвалов в скважинах рассматривали набухание глин, слагающих стенки скважины, вследствие поглощения воды из бурового раствора [40]. В работе А.Н. Динника [41] при изучении вопроса устойчивости стенок скважин состояние приствольной зоны скважины рассматривается в процессе проводки скважины, так как именно образование горной выработки, сопровождающееся объемным неравномерным сжатием окружающих пород и физико-химическим воздействием жидкости на них, влечет за собой неустойчивость пород.

Для случая, когда скважина заполнена жидкостью, которая создает противодавление на стенки, С.Г. Лехницким [42] были предложены формулы для определения трех главных нормальных напряжений.

Анализируя причины осложнений при бурении скважин в Башкирии, М.И. Исаев [43] приходит к выводу, что основной причиной обвалов пород при бурении является горное давление, а роль гидратации и размокания при взаимодействии с промывочными жидкостями сводится к изменению механических свойств пород и, следовательно, к уменьшению или увеличению степени проявления горного давления.

Ю.Н. Васильев и И.Н. Дубинина [44] причинами, по которым возникают напряжения, разрушающие горную породу в призабойной зоне скважины, называют следующие: перераспределение напряжений, обусловленных весом горных пород; снижение пластового давления; фильтрация жидкости или газа к стволу скважины. В работе оцениваются напряжения, вызываемые всеми перечисленными причинами.

И.М. Петухов и А.П. Запрягаев [45] экспериментально исследовали деформации стенок незакрепленных скважин различного диаметра в зависимости от вида напряженного состояния горного массива. Полученные ими результаты предлагается использовать для определения устойчивости стенок незакрепленных скважин на различных глубинах при решении вопроса о прочности пород, определяемой с учетом коэффициента структурного ослабления, температурного фактора и консистенции бурового раствора.

Блохин B.C. и Терентьев В.Д. [46] предложили метод расчета величины и характера распределения нормальных напряжений и перемещений в приствольной зоне вертикальной скважины. Метод разработан с использованием замеренных в естественных условиях давлений гидроразрыва. В работе Кацауро-ва И.Н. [47] приведена формула для определения радиуса области неупругих деформаций, с учётом сцепления породы в области неупругих деформаций.

Повреждения ствола скважины во время бурения могут происходить по различным механизмам [48,49]. На устойчивость ствола скважины влияют различные факторы, основными из которых являются соотношение между наклоном скважины, углом падения пласта, различие прочностных свойств породы по направлению вдоль плоскостей напластования и по нормали к ним [50]. Это связано с тем, что бурение и эксплуатация скважин влияют на локальное напряженно-деформированное состояние в пласте. По мере того, как напряжения на стенках скважины перераспределяются, при определенных условиях касательные напряжения могут превысить предел прочности породы, что приводит в процессе бурения скважины к разрушению горной породы и потере устойчивости ствола скважины, а при ее эксплуатации - к выносу песка из скважины. При этом характер потери устойчивости будет зависеть от механических свойств материала, а также видов распределения начальных напряжений.

Таким образом, из анализа состояния вопроса на сегодняшний день можно сделать вывод, что методические разработки по прочностным расчетам ствола скважины выполнены в настоящее время главным образом для вертикальных скважин. В то же время основным инструментом разработки нефтяных и газовых месторождений постепенно становится бурение наклонных и горизонтальных скважин, в том числе на депрессии. Особенность таких задач устойчивости заключается в том, что для них на первый план выходит анизотропия деформационных и прочностных свойств горных пород, в которых осуществляется проводка скважины. Кроме того, горизонтальные участки скважины принципиально отличаются от вертикальных тем, что напряженное состояние прилегающих к ним горных пород не осесимметрично относительно оси скважины. Эти вопросы сегодня изучены совершенно недостаточно и требуют всестороннего исследования.

Другой важнейшей проблемой, возникающей при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, является задача повышения продуктивности скважин.

Одной из главных причин снижения дебита нефтяных и газовых скважин является ухудшение проницаемости породы в призабойной зоне пласта (ПЗП) [51-58]. Традиционно считалось, что основной причиной этого на этапе бурения является проникновение глинистых частиц бурого раствора в поровое пространство продуктивного пласта, приводящее к закупорке пор и трещин, к набуханию и уплотнению глинистых частиц, а в процессе эксплуатации скважин - заиливание, запарафирование фильтрационных каналов.

Существующие в настоящее время методы интенсификации добычи нефти и газа можно условно разбить на три основные группы.

1. Физические методы, направленные на восстановление, хотя бы частичное, естественной проницаемости породы в призабойной части пласта. К физическим методам относятся методы, использующие в качестве источника воздействия на пласт различные физические процессы. Это методы вибрационного воздействия на пласт, ультразвуковые методы, метод гидроимпульсного воздействия, имплозия пласта, тепловое воздействие и т.п. [59,60]

Цель применения этих методов - «прочищение» естественных фильтрационных каналов, загрязненных в процессе бурения и эксплуатации скважин.

Однако для пластов с очень низкой проницаемостью и тонкими фильтрационными каналами зачастую сделать это оказывается невозможно, в результате чего эффективность применения указанных методов на таких пластах мала.

2. Химические методы обработки пласта кислотами и другими химическими реагентами.

При использовании этих методов в пласт закачивается кислота (обычно соляная с добавлением плавиковой кислоты) или другой химический реагент. Цель метода - растворить засоряющие фильтрационные каналы примеси или саму породу с тем, чтобы повысить проницаемость пласта в прискважинной области [61-64].

Эти методы получили сейчас довольно широкое распространение, однако они дают хороший эффект на карбонатных коллекторах, или на песчаниках с большим содержанием карбонатов, что связано с хорошей растворимостью карбонатов кислотой. Такие коллекторы в Западной Сибири практически отсутствуют.

3. Значительно более эффективным направлением увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта представляется образование в этой области искусственных трещин, играющих роль новых фильтрационных каналов высокой проницаемости. Рост трещин происходит за счет направленного создания в пласте напряжений, необходимых для растрескивания породы.

Особое место среди традиционных способов повышения дебита скважин занимает гидроразрыв пласта [65-67].

Метод гидроразрыва пласта заключается в том, что за счет создания на забое скважины давления, сравнимого по величине со значением горного давления на данной глубине, в пласте образуют трещину гидроразрыва, протяженность которой может достигать десятков и даже сотен метров. Порода продуктивного пласта разрывается по плоскостям минимальных напряжений горного давления и за счет продолжающейся закачки жидкости образовавшаяся трещина увеличивается в размерах. Далее этой же жидкостью транспортируется в трещину расклинивающий агент (проппант), который удерживает ее в раскрытом состоянии после снятия избыточного давления. В результате создается создается высокопроводящий канал для поступления в скважину дополнительной нефти. Эффект достигается прежде всего за счет значительного увеличения поверхности фильтрации, т.е. поверхности, через которую нефть из пласта поступает в скважину.

Трещины, образующиеся при ГРП, имеют вертикальную и горизонтальную ориентацию. Протяженность трещин достигает нескольких десятков метров, ширина - от нескольких миллиметров до сантиметров.

Теория гидравлического разрыва пласта зародилась в России в конце 50-х годов прошлого столетия. Основоположниками ее стали советские ученые С. А. Христианович и Ю. П. Желтов. Они описали математическую модель вертикальной трещины и дали теоретическое обоснование данному методу [68]. Их формулы до сих пор используются в расчетах проектирования трещины гидроразрыва.

Еще одним методом повышения дебита скважин, использующим направленное создание в пласте требуемых напряжений, является метод щелевой разгрузки пласта (ЩРП) [69]. Но в отличие от гидроразрыва пласта, основанном на образовании искусственной протяженной трещины за счет создания в пласте больших (сравнимых с горны) напряжений, метод ЩРП направлен на разгрузку пласта от касательных напряжений, вызывающих пластическое течение рассеянной в породе глины и затекание тем самым естественных фильтрационных каналов.

Основой рассматриваемой технологии ЩРП является возможность управления величиной касательных напряжений возникших в прискважинной зоне за счет горного давления в результате бурения скважины. При этом разгружающая полость формируется вдоль вертикальной оси скважины путем прорезания в продуктивном пласте щели, ориентированной перпендикулярно главным напряжениям в горном массиве. Вследствие этого при достаточной толщине разгружающей полости касательные напряжения снимаются полностью и в дальнейшем не восстанавливаются. Зона разгрузки охватывает практически весь пласт.

Таким образом, создание в продуктивном пласте вертикальных, диаметрально расположенных щелей приводит к разгрузке пород в прискважинной зоне, а вследствие этого, к увеличению ее проницаемости, выходу за пределы зоны кольматации пород и дополнительному вымыванию глинистых частиц, к увеличению площади фильтрации. Все это вызывает резкое возрастание производительности скважин.

Сущность способа в том, что при помощи гидропескоструйной перфорации по обе стороны от ствола скважины в диаметрально противоположных направлениях на всю мощность пласта создаются линейные горные выработки (щели) шириной каждая с диаметр скважины и длиной 700-1000 мм. За счёт этого происходит разгрузка прискважинной зоны, чем обеспечивается улучшение ее коллекторских свойств.

Одним из основных факторов, определяющих состояние и производительность нефтяных скважин, являются действующие в их окрестности напряжения. Это относится как к вопросам устойчивости стенок скважин при бурении и эксплуатации, так и влиянию напряжений на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит скважин. В связи с этим необходимо иметь представление о величине действующих в окрестности скважины напряжений и их влиянии на размер возникающих зон разрушения породы в призабойной зоне пласта. Кроме того, необходимо представлять, насколько сильно влияет на величину напряжений и размер зон разрушения градиент давления флюида, его сжимаемость и вязкость как функции давления.

Эти вопросы в той или иной мере затрагивались разными исследователями [70-80]. Ранее проводились исследования напряженного состояния, процессов деформирования и разрушения породы в окрестности горных выработок применительно главным образом к проблемам разработки месторождений твердых полезных ископаемых [70-80]. Однако, естественно вопросы влияния фильтрации: градиента давления, сжимаемости, вязкости в этих работах не рассматривались.

Структура работы следующая,

В гл.1 приведено подробное описание испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТИН), позволяющей реализовать предложенный в диссертации новый подход к решению поставленных геомеханических задач.

В настоящее время для определения упругих и прочностных характеристик горных пород главным образом используются экспериментальные установки, в основу которых заложен принцип Кармана Нагружение цилиндрических образцов в этих установках осуществляется сжатием вдоль образующей образца и всесторонним обжатием по боковой поверхности. Таким образом, в установках, основанных на принципе Кармана, можно осуществлять независимое нагружение образцов лишь по двум осям.

Этого оказывается достаточным для определения упругих и некоторых прочностных характеристик горных пород, да и то в предположении их изотропности. Для существенно анизотропных пород определение этих параметров на установках с кармановской схемой оказывется невозможным. При этом именно анизотропия упругих и прочностных свойств горных пород является основной причиной ряда серьезных проблем, возникающих при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Кроме того, важно отметить, что поскольку в широко распространенных установках, использующих схему Кармана, осуществляется двухосное нагружение образца, то эти установки не позволяют воспроизводить реальные напряженно-деформированные состояния, возникающие в пласте, которые являются существенно трехмерными.

Всех этих недостатков лишена созданная в Институте проблем механики РАН испытательная система треосного независимого нагружения (ИСТИН). Установка ИСТНН представляет собой уникальный исследовательский комплекс для изучения деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород. Она позволяет нагружать образцы горных пород в форме куба с ребром 40 или 50 мм независимо по каждому из трех направлений, что достигается благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствия друг другу.

Такая конструкция узла нагружения является отличительной особенностью ИСТНН. По сравнению с другими испытательными средствами на сложное нагружение с использованием жестких нажимных плит она обеспечивает равномерное приложение нагрузок по всей площади образца в течение всего процесса деформирования, включая стадию разрушения. Это существенно упрощает анализ результатов экспериментов, так как отпадает необходимость учета возможности концентрации напряжений вблизи ребра образца. Кроме того, это открывает возможность воссоздавать в ходе испытаний любые напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении скважины, ее освоении и эксплуатации, и изучать их влияние на фильтрационные свойства породы.

Установка ИСТНН позволяет определять деформационные и прочностные характеристики анизотропных горных пород. Для определения типа анизотропии породы используется специально созданная установка по измерению скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в трех направлениях. После этого путем испытания образцов породы на установке ИСТНН по специальным программам нагружения определяются упругие модули породы. При трансверсальном типе анизотропии, который характерен для большинства горных пород и связан с наличием напластования, упругое деформирование породы описывается пятью упругими модулями.

Важной особенностью установки ИСТНН является возможность исследования зависимости фильтрационных свойств горных пород от величины и вида действующих в них напряжений. Известно, что проницаемость горных пород может как уменьшаться, так и увеличиваться (причем необратимо) в зависимости от возникающих в них напряжений. Тип и уровень этих напряжений определяются конструкцией забоя (наличие или отсутствие обсадки, тип перфорации и так далее) и создаваемыми на забое скважины депрессиями. Установка ИСТНН позволяет моделировать эти условия на образцах породы и непрерывно регистрировать при этом изменение их проницаемости.

На установке ИСТНН реализована схема эксперимента, представляющего большой интерес при решении проблем, связанных с устойчивостью стволов горизонтальных скважин и определению максимально допустимых депрессий на их забое. Это опыты по прямому моделированию на установке ИСТНН процесса создания депрессий на забое горизонтальной скважины с целью определения депрессий, при которых начинается вынос песка из скважины и разрушение стенок скважины. Эти эксперименты можно рассматривать как аналоги известным испытаниям цилиндрических образцов по схеме «полый цилиндр». Такая схема эксперимента практически не используется в практике российских исследовательских организаций.

В гл.2 излагается новый подход к анализу геомеханических процессов, в основе которых лежат процессы деформирования и разрушения анизотропных горных пород под действием возникающих в них напряжений.

Суть его заключается в том, что механико-математическое моделирование при ответе на вопрос о деформировании и разрушении горной породы под действием приложенных напряжений предлагается заменить прямым моделированием этих процессов на испытательной системе ИСТНН. Оно включает в себя два этапа.

Первоначально на кубических образцах определяется тип анизотропии горных пород и по специальным программам нагружения измеряются их упругие и прочностные характеристики. Затем, используя найденные упругие модули пород, рассчитываются напряжения, возникающие в пласте при различных параметрах изучаемых процессов, и определяются наиболее опасные места с точки зрения начала разрушения. Найденные зависимости ипользуются для составления программ нагружения образцов на установке ИСТИН при последующем прямом моделировании.

На втором этапе производится прямое моделирование изучаемых процессов на установке ИСТИН. С этой целью изготавливаются специальные образцы, ориентация которых относительно осей анизотропии соответствует направлению главных напряжений в наиболее опасных местах. Затем образцы нагружаются по программам нагружения, составленным на первом этапе и отвечающим реальным изменениям напряженного состояния в рассматриваемых точках пласта в ходе протекания изучаемых процессов.

Разработанный подход использован в диссертации для решения проблемы устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации.

При бурении наклонных скважин, как показывает практика, для ряда месторождений при достижении угла наклона скважины определенной величины (для разных пород она может быть различной) возникают осложнения при бурении. Происходит остановка проходки и вынос большого количества шлама, что свидетельствует о разрушении и осыпании стенок ствола скважины. Аналогичные проблемы возникают и при бурении горизонтальных скважин на депрессии. При достижении определенных депрессий, значения которых также различны для разных пород, начинается разрушение породы в окрестности скважины и скважина теряет устойчивость.

Для прямого моделирования на установке ИСТИН процесса проводки наклонной скважины необходимо знать, какие напряжения, соответствующие тому или иному углу наклона скважины, следует прикладывать к граням образцов в ходе моделирования. С этой целью была разработана механикоматематическая модель явления, согласно которой основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных свойств пород, в которых осуществляется проводка скважины. Эта анизотропия обусловлена наличием плоскостей напластования, являющимися по существу поверхностями ослабления, вдоль которых прочностные характеристики значительно понижены по сравнению с другими направлениями. Поэтому можно ожидать, что именно по этим поверхностям в первую очередь будет происходить разрушение породы в ходе проводки скважины под действием возникающих на них касательных напряжений.

Начало разрушения определяется двумя основными факторами:

- величиной касательных напряжений, действующих в плоскостях напластования (ослабления);

Следующим шагом после выбора программы нагружения является изготовление образцов для прямого моделирования на установке ИСТИН условий, возникающих на контуре наклонной скважины, и исследования зависимости устойчивости стенок скважины от угла наклона скважины. Для зтого из керно-вого материала изготавливаются образцы породы, соответствующие различным углам наклона скважины к вертикали. С этой целью образцы выпиливаются таким образом, чтобы их вертикальная ось составляла с осью керна угол, равный углу наклона скважины. Обычно это углы 0°, 15°, 30°, 45°, 60°.

Затем образцы поочередно помещаются в установку ИСТИН и нагружаются по разработанной программе нагруження. При значениях нагрузки на образец, отвечающих давлениям на забое скважины в интересующем интервале значений, осуществляется продолжительная выдержка образца при постоянной нагрузке для регистрации деформации ползучести.

В ходе каждого опыта регистрируется деформация образца во времени по каждому из трех направлений. Подобные опыты проводятся вплоть до разрушения образца.

В результате обработки и анализа данных экспериментов определяются допустимые параметры бурения скважин (угол наклона, плотность бурового раствора, время устойчивости ствола скважин) и допустимые депрессии при проводке скважин в продуктивных пластах и вмещающих породах.

В заключение в гл.2 приводятся результаты использования разработанной методики для определения параметров бурения наклонных и горизонтальных скважин на конкретных месторождениях.

Глава 3 посвящена разработке методики определения параметров устойчивости стволов скважин при испытании образцов горных пород на одноосное сжатие. В гл.2 приведены методика и результаты определения параметров устойчивости стволов скважин при испытании образцов породы на испытательном стенде трехосного независимого нагружения ИСТИН. Но ИСТИН -это уникальная установка, позволяющая с высокой точностью моделировать реальные напряженные - деформированные состояния, возникающие в окрестности скважин при их бурении и эксплуатации. В то же время желательно иметь возможность определять параметры устойчивости стволов скважин, пусть и с меньшей точностью, на стандартных установках для испытания цилиндрических образцов горных пород на одноосное сжатие.

Тем не менее, результаты многочисленных исследований на установке ИСТНН механических свойств пород из различных нефтяных и газовых месторождений позволили предложить способ оценки устойчивости стволов наклонных скважин на основе одноосного сжатия цилиндрических образцов керна для практически важного и широко распространенного класса пород. Речь идет о породах с выраженным напластованием.

Предложенный в гл.З подход заключается в следующем.

1. Учитывая возможности установок на одноосное сжатие (прессов), разработана достаточно простая механико-математическая модель зависимости устойчивости стволов наклонных скважин от их геометрии. Эта модель основана на предположении о существенной анизотропии упругих и прочностных свойств породы, связанной с наличием напластования. В качестве параметров в эту модель входят модули упругости породы и два прочностных параметра -модуль сцепления и угол внутреннего трения вдоль на поверхностях напластования, которые должны быть определены в результате одноосных испытаний образцов породы на прессе. Отметим, что, несмотря на кажущуюся простоту, предлагаемая механико-математическая модель хорошо описывает поведение реальных пород, что подтвердили многочисленные испытания кернового материала на установке ИСТНН.

Гл.4 посвящена изложению разработанного под руководством автора нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта (НРП).

Общепринятая система вскрытия нефтеносных пластов, основанная на использовании затяжеленных буровых растворов, и традиционные режимы освоения скважин неизбежно приводят к значительному ухудшению проницаемости породы в прискважинной зоне пласта. Существует несколько основных причин этого явления - кольматация и проникновение в пласт бурового раствора, загрязнение и заиливание естественных перфорационных каналов, набухание глин и пр. В свою очередь, снижение фильтрационных свойств пласта даже в небольшой окрестности скважины может в несколько раз и даже в десятки раз снижать ее продуктивность.

Применяемые в настоящее время методы воздействия на призабойную зону пласта с целью восстановления её естественной проницаемости (вибровоздействие, гидроимпульсное воздействие, циклическое чередование кратковременных депрессий и репрессий и др.) направлены в основном на «очищение» существующих фильтрационных каналов от посторонних частиц. Но зачастую это оказывается невозможным.

В основе метода направленной разгрузки пласта лежат идеи, высказанные академиком С.А. Христиановичем относительно решающего влияния действующих в окрестности скважин напряжений на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит нефтяных и газовых скважин. Как показали исследования на установке ИСТИН образцов породы из коллекторов многочисленных месторождений, для большинства пород существуют напряженные состояния, при которых в них начинает развиваться процесс трещинообразования, приводящий к резкому увеличению проницаемости породы. Это явление было названо георыхлением. Если реализовать такие напряженные состояния в призабой-ной зоне пласта, то возникающие при этом трещины будут играть роль новых фильтрационных каналов, что приведет к резкому необратимому повышению проницаемости породы в призабойной зоне пласта.

Суть метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и созданию в пласте искусственной системы множественных макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной сетки фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы фильтрационных каналов значительно (на порядок) превышает природную проницаемость пласта.

Метод направленной разгрузки пласта прошел опытно-промышленные испытания на нефтяных месторождениях Западной Сибири, Приуралья и При-обья. Всего было обработано около 20 скважин - при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих скважин и капитальном ремонте нагнетательных скважин. Всем испытаниям предшествовало физическое моделирование на установке ИСТНН процесса воздействия на пласт при использовании метода направленной разгрузки пласта и выбор на его основе технологических параметров реализации метода на конкретных скважинах.

Разработанная технология защищена семью российскими патентами и одним евразийским патентом.

Для оценки эффективности метода направленной разгрузки пласта необходимо иметь представление о размере возникающих в окрестности величине действующих в окрестности скважины напряжений и их влияния на размер возникающих зон разрушения породы в призабойной зоне пласта. Кроме того, необходимо представлять, насколько сильно на указанные параметры влияет процесс фильтрации нефти из пласта в скважину.

С этой целью в гл.5 проведен механико-математический анализ напряженных состояний и размера зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое. Рассмотрены различные критерии местного разрушения породы. Изучено влияние на величину возникающих напряжений и размер зон разрушения процесса фильтрации нефти в скважину. Всего было рассмотрено четыре случая: без фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; при наличии фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; без фильтрации при законе Кулона-Мора; при наличии фильтрации при законе Кулона-Мора.

Один из важных выводов, который можно сделать на основании проведенного анализа, состоит в том, что с увеличением градиента давления, вызывающего приток флюида в скважину, увеличивается величина зоны разрушения.

Рассмотрено влияние сжимаемости флюида (газа) и зависимости его вязкости от давления на распределение напряжений в окрестности скважины. Показано, что при определенных условиях фильтрация нефти или газа может оказывать значительное влияние на величину зон нарушенности породы в окрестности скважин. Расчеты показали, что в зависимости от деформационных и прочностных характеристик горных пород радиус зоны трещинообразования с повышенной проницаемостью составляет от двух до более десятка калибров скважины. Выполненный анализ необходим для оценки эффективности использования метода направленной разгрузки пласта на конкретном месторождении.

В заключение в гл.5 приводится решение задачи о росте трещины под действием давления газа, выделяющегося из нефти при уменьшении горного давления. Основанный на этом механизм разрушения пород-коллекторов нефтяных месторождений может давать дополнительный вклад в растрескивание и разрушение горных пород при реализации метода направленной разгрузки пласта. Кроме того, аналогичный механизм может быть одной из причин разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений при подъеме их на поверхность.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

Создана механико-математическая модель устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации, в основе которой лежит положение, что основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных и деформационных свойств горных пород, в которых осуществляется проводка скважин. Ее разработка необходима для моделирования явления на установке ИСТНН и выработки программы нагружения образцов, адекватной реальной ситуации проводки скважин;

Выполнено прямое моделирование на установке ИСТНН на основе разработанной механико-математической модели процесса бурения и эксплуатации наклонно направленных и горизонтальных скважин, в том числе и на депрессии;

Разработаны методики экспериментального определения на установке ИСТНН параметров бурения наклонных и горизонтальных скважин и методики определения допустимых депрессий при их эксплуатации;

Развитый подход апробирован на конкретных месторождениях для определения оптимальных параметров бурения скважин;

Разработаны физические основы нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта;

На его основе разработана технология реализации метода направленной разгрузки пласта на скважинах нефтяных месторождений;

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, Нижний Новгород, 2011); 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, Страсбург, 2010 - серебряная медаль), International Workshop on True Triaxial Testing of Rocks in Beijing CHINA, 2011.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах, первые 15 из списка входят в перечень ВАК:

1. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об Об измерении давления газа в угольных пластах// ФТПРПИ. 1988. № 3.

2. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об увеличении нефтеотдачи нефтяных пластов// Нефтяное хозяйство. 1988. № 6.

3. Христианович С. А., Коваленко Ю.Ф. Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения// ФТПРПИ. 1990. №1.

4. Коваленко Ю. Ф. О механизме разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений//ФТПРПИ. 1990. №3

5. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Одинцев В.Н. Механика гидрогазоимпулъс ного воздействия на трещиновато-пористую породу при скважинной гидродобыче // ФТПРПИ. 1995. № 6.

6. Харламов КН., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И, Усачев Е.А. О необходимости учета прочностных характеристик горных пород при определении оптимального пространственного положения скважины //Бурение и нефть. 2008. №10. С. 18 - 21.

7. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. и др. Способ вскрытия продуктивного пласта. — Патент РФ № 2110664 от 10.05.1998.

8. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ вызова или увеличения притока флюида в скважинах. - Патент РФ № 2163666 2 7.02.2001.

9. Коваленко Ю. Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. - Патент РФ № 2179239 от 10.02.2002.

Ю.Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ ремонта скважин. - Патент РФ № 2188317 от 27.08.2002.

11 .Коваленко Ю. Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. - Евразийский патент № 003452 от 26.06.2003.

12. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ обработки нагнетательной скважины. - Патент РФ№ 2213852 от 10.10.2003.

1 З.Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф. и др. Способ обработки призабойной зоны скважины. — Патент РФ № 2285794 от 20.10.2006.

14.Климов Д.М., Тер-Саркисов Р.М, Чигай С.Е.,Коваленко Ю. Ф.,Рыжов А.Е. Определение прочностных характеристик пород Штокмановского ГКМи оценка рисков выноса песка при его разработке//Газовая промышленность. 2010. № 11.

15.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханика нефтяных и газовых скважин/Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И.Лобачевского. 2011. №4. ч.2. с. 448-450.

16.Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Метод георыхления - Новый подход к проблеме повышения продуктивности скважин // Технологии ТЭК. 2003. № 1. С. 31-35.

17.Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Реализация метода георыхления для увеличения приемистости нагнетательной скважины // Технологии ТЭК. 2003. № 4. С. 59-64.

18.Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увели чение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхления // Нефть и газ Евразия, 2000, № 2, - с. 90-94.

19.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Негомедзянов В.Р., Харламов К.Н. Ис-следо вание и прогнозирование устойчивости горных пород в горизонтальных скважинах баженовских отложений, бурящихся в условиях депрессии // Технологии ТЭК. 2004. № 5. С. 18-23.

20.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Прихно М.А. Определение деформационных и прочностных свойств горных пород применительно к баженовским отложениям // Технологии ТЭК. 2005. № 3. С. 17

21.Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород при проходке наклонно-направленных скважин // Технологии ТЭК. 2006. № 5. С.22-27.

22.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Зависимость проницаемости призабойной зоны пласта от депрессии и конструкции забоя для различных типов горных пород // Технологии ТЭК. 2006. № 6. С.59 -63.

23.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Развитие модели фильтрации газа в газонасыщенных угольных пластах.- Труды VIII международной научной школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках". Симферопольский государственный университет. 1998. С.57-58.

24.Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увеличение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхления // Нефть и газ Евразия. 2000. № 2. С. 90-94.

25.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Христианович С.А. Взаимовлияние деформационных и фильтрационных процессов в коллекторах нефтяных и газовых месторождений и создание новых технологий // Тезисы докл. на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Пермь. 2001. С.309-310.

26.Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород в окрестности наклонно направленных нефтяных и газовых скважин с учетом анизотропии упругих и прочностных свойств пород // Тезисы докл. на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Нижний Новгород. 2006.

27.Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование устойчивости наклонных и горизонтальных скважин в анизотропных породах. Препринт ИПМех РАН № 879, 2008, 24 с.

28.Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Об устойчивости наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. В Сб. Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела. - М.: Наука, 2009. С.455-469.

29.Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б., Галанин А.А. Анализ напряженного состояния и разрушения породы в окрестности нефтяной скважины. Препринт ИПМех РАН № 919, 2009, 36 с.

30.Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Роль напряжений в формировании эксплуатационных свойств скважин. В Сб. Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела - М.: Наука, 2009. С.470-476.

31.Коваленко Ю.Ф., Харламов К.Н., Усачев Е.А. Устойчивость скважин Среднего Приобья. - Тюмень-Шадринск, 2011. 174 с.

32. Karev V., Kovalenko Yu. Triaxial loading system as a tool for solving problems of oil and gas production // The 12th International Congress on Rock Mechanics (Beijing, October 18-21, 2011).

Заключение диссертации по теме "Механика деформируемого твердого тела"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния напряженных состояний, возникающих в коллекторах и вмещающих породах нефтяных и газовых месторождений, на процессы деформации и разрушения горных пород, а также на их фильтрационные свойства.

Разработана методика определения на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТИН деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород (в том числе анизотропных), используемых при определении параметров устойчивости стволов нефтяных и газовых скважин.

Разработан новый подход к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности нефтяных и газовых скважин под действием возникающих в них напряжений. При его использовании математическое моделирование при ответе на вопрос о деформировании и разрушении горной породы под действием приложенных напряжений заменяется прямым физическим моделированием этих процессов на испытательной системе ИСТИН. Это позволяет избежать принятия приближенных и упрощающих предположений относительно деформационных и прочностных свойств изучаемых горных пород и дать не только качественный, но и количественный ответ на поставленные вопросы.

Создана механико-математическая модель устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации, в основе которой лежит положение, что основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных и деформационных свойств горных пород, в которых осуществляется проводка скважин. Ее разработка необходима для моделирования явления на установке ИСТИН и выработки программы нагружения образцов, адекватной реальной ситуации проводки скважин.

На основе полученного решения выполнен анализ размеров зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое. Рассмотрены различные критерии местного разрушения породы. Всего было рассмотрено четыре случая: без фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; при наличии фильтрации при законе максимальных касательных напряжений; без фильтрации при законе Кулона-Мора; при наличии фильтрации при законе Кулона-Мора.

Изучено влияние на величину возникающих напряжений и размер зон разрушения процесса фильтрации нефти в скважину. Один из важных выводов, который можно сделать на основании проведенного анализа, состоит в том, что с увеличением градиента давления, вызывающего приток флюида в скважину, увеличивается величина зоны разрушения.

Список источников диссертации и автореферата по механике, доктора физико-математических наук, Коваленко, Юрий Федорович, Москва

1. Sayers С.М., Shutjens P.M.//An Introduction to Reservoir geomechanics. The Leading Edge 26. No.5/ 2007. pp.597 601.

2. Andersen M.A. Petroleum Research in North Sea Chalky/Joint Chalk Research Monograph. RF-Rogaland Research. Stavanger. 1995.

3. Cook J, Fuller J, Marsden J.R. Geomachanics Challenges in Gas Storage and Production// Proceedings of 3rd Workshop on Geodynamic and Environmenal Safety in the Development. Storage and Transport of Gas. St. Peterburg, Russia. 2001. June 27-29.

4. Scott Т.Е. The Effects of Stress Paths on Acoustic Velocities and 4D Seismic Imaging// The Leading Edge 26. No.5. 2007. pp.602-608.

5. Новиков B.C. Устойчивость глинистых пород при бурении скважин.- М. ОАО «Издательство недра». 2000. 270 с.

6. Ржевский В. В. Основы физики горных пород. М.: Недра. 1984.

7. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра. 1985. 271 с.

8. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра. 1979. 301 с.

9. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М: Недра. 1984. 252 с.

10. Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л.: Изд. ЛГУ. 1978.

11. Спивак А.И., Попов А.И. Разрушение горных нород нри бурении скважин. -М.: Недра. 1979.

12. Jaeger J. С., and Cook N. G. W. Fundamentals of Rock Mechanics. New York. Chapman and Hall. 1979. 593 pp.

13. Haimson B. True Triaxial Stresses and the Brittle Fracture of Rock// Pure and AppliedGeophysics. 2006. 163. pp. 1101-1113.

14. Liao J. J., Yang M. T. & Hsieh, H. Y. Direct tensile behavior of a transverselyiso-tropic rock // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 1997. 34(5). pp. 831-849.

15. Hambly E.C. A new triaxial apparatus// Geotechniqe, 19(2). pp. 307-309.

16. Pearce J.A. A new true triaxial apparatus//In Stress-Strain Behaviour of Solids, Proceedings of the Roscoe Memorial Symposium, Cambridge. UK. 1971.pp. 330-339.

17. Wood D.M. Some aspects of the mechanical behaviour of kaolin under truly triaxial conditions of stress and strain//Ph.D.thesis. University of Cambridge. Cambridge. UK. 1974.

18. Airey D.W. and Wood D.M. The Cambridge true triaxial apparatus/An Advanced triaxial testing of soil and rock. ASTM STP 977. American Society for Testing and Materials. Philadelphia, pp. 796-805.

19. Sture S. Development of multiaxial cubical test device with pore water pressure monitoring facilities//Department of Civil Ehgineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blaksburg. Va. Report No. VPI-E-79.18. 1979.

20. Arthur J.R.F. Cubical devices: versatibility and constraints//In Advanced triaxial testing of soil and rock. STP 977. ASTM, Philadelphia. Pa. 1988. pp. 743-765.

21. Ibsen L.B. and Praastrup U. The Danish rigid boundary true triaxial apparatus for soil testing//Geotechnical Testing Journal. 25(3). 2002. pp. 1-12.

22. Wood D.M. Multiaxial testing at Boulder and elsewhere// In Proceedings of the1.augural International Conference of the Engineering Mechanics Institute, 19-21 May 2008, Minneapolis. Minn. American Society of Civil Ehgineers. Reston. Va. p. 31 Abstr.

23. Alexeev, A.D., Rewa, V.N., Alyshev, N.A. & Zhitlyonok, D.M. True triaxial loading apparatus and its application to coal outburst prediction// International Journal of Coal Geology. 2004. 58. pp.245-250.

24. Matsuoka H. and Sun D.A. Extension of spatially mobilized plane (SMP) to frictional and cohesive materials and its application to cemented sands//Soils and Foundations. 35(4). 1995. pp. 63-72.

25. Matsuoka H., Sun D.A., Kogane A., Fukuzawa N., Ichihara W. Stress-strain behaviour of unsaturated soil in true triaxial tests//Canadian Geotechnical Journal, 39(3). 2002. pp. 608-619.

26. Bell J.M. Stress-strain characteristics of cohesionless granular materials subjected to statically applied homogeneous loads in an open system// Ph.D.thesis. California Institute of Technology. Pasadena, Calif. 1965.

27. Sture S. and Desai C.S. Fluid cushion truly triaxial or multi-axial testing device// Geotechnical Testing Journal. 2(1). 1979/ pp. 20-33.

28. Wawersik, W.R., Carlson, L.W., Holcomb, D.J. & Williams, R.J., 1997. New method for true-triaxial rock testing// International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1997. 34(330). pp. 3-4.

29. Mandeville D. and Penumadu D. True triaxial testing system for clay with proportional-integral-differential control // Geotechnical testing Journal. 27(2). 2004. pp. 1-11.

30. Prashant A. and Penemadu D. Effect of intermediate principal stress on overcon-solidated kaolin clay// Geotechnical testing Journal, 130(3). 2004. pp. 284-292.

31. Choi С., Arduino P. and Harney M.D. Development of a true triaxial apparatus for sands and gravels // Geotechnical testing Journal. 31(1), 2007. pp. 1-13.

32. Green G.E. Strength and compressibility of granular materials under generalizedstrain conditions // Ph.D.thesis. University of London. London. 1969.

33. Green G.E. Strength and defjrmation of sand measured in an independent stresscontrol cell // In Stress-Strain Behaviour of Soils, Proceedings of the Roscoe Memorial Symposium. Cambridge. UK. 1971. pp. 285-323.

34. Hayno K., Koeski J., Sato T. and Totsuoka F. Small strain deformation characteristics of sedimentary soft mudstone from true triaxial tests // In Pre-failure deformation characteristics of geomaterials. Vol.1. 1999. pp. 191-198.

35. AnhDan 1., Koseki J and Sato T. Evaluation of quasi-elastic properties of gravelusing a large-scale true triaxial apparatus//Geotechnical testing Journal. 29(5). 2006. pp. 374-384.

36. Shapiro S. and Yamamuro J.A. Effects of silt on three-dimansional stress-strain behaviour of loose sand//Lournal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 129(1). 2003. pp. 1-11.

37. Alshibli K.A. and Williams H.S. A true triaxial apparatus for soil testing with mixed boundary conditions // Geotechnical testing Journal. 28(6). 2005. pp. 534543.

38. Ржаницын Б.А., Царевич K.A. Химические методы борьбы с обвалами в нефтяных скважинах// Нефтяное хозяйство. № 4. 1936.

39. Динник А. Н. О давлении горных пород и расчет крепи круглой шахты// Инженерный работник. №7. 1925.

40. Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом, изотропном массивевблизи вертикальной цилиндричесой выработки кругового сечения// Известия АН СССР. ОТН. № 7. М. 1938.

41. Исаев М.И. Об устойчивости стенок скважин при бурении//Известия вузов. Сер. «Нефть и газ». № 10. 1958.

42. Васильев Ю.Н., Дубинина Н.И. Модель напряженного состояния призабойной зоны// Нефть и газ. 2000. №4. №4. с. 44-47.

43. Петухов И.М., Запрягаев А.П. Устойчивость скважин разного диаметра в зависимости от напряженного состояния пород//Нефтяное хозяйство. 1984. № 5. с. 22-25.

44. Блохин B.C., Терентьев В.Д. Метод оценки устойчивости стенок скважи-ны//Нефтяное хозяйство. 1984. №7. с. 12-15.

45. Кацауров И.Н. Горное давление Вып. 2.»Механика горных пород».- М.: Недра. 1972.

46. Addis Т, Last N, Boutler D, Roca-Ramisa L, Plumb D// The Quest for Borehole Stability in the Cusiana Field, Colombia. Oilfield Review 5. no. 2&3. 1993, pp.33-43.

47. Спивак A.M., Попов A.H. Разрушение горных пород при бурении скважин.-М.: Недра, 1994.261 с.

48. Aoki Т, Tan С.Р., Bamford W.E. Stability Analysis of Inclined Wellbores in

49. Saturated Anisotropic Shales// Computer Methods and Advances in Geomechanics: Proceedings of the Eighth International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics, Morgantown, West Virginia, USA, May 22-28,1994, pp. 2025-2030.

50. Булатов А.И., Качмар Ю.Д., Макаренко П.П., Яремийчук Р.С. Освоение скважин. М.: Недра, 1999. 472с.

51. Ибатуллин P.P., Ибрагимов Н.Г., Тахаутдинов Ш.Ф., Хисамов Р.С. Увеличение нефтеотдачи на поздней стадии разработки месторождений. М.: Недра. 2004. 292 с.

52. Лысенко В.Д., Грайфер В.И. Рациональная разработка нефтяных месторождений. М.: Недра, 2005. 607 с.

53. Кашик А.С., Билибин С.И., Лисовский Н.Н. О полноте нефтеизвлечения при добычи углеводородов (геологические модели и нефтеизвлечение) // Вестник ЦКР Роснедра, 2005. №1. с. 27 32.

54. Михайлов H.H. Физика нефтяного и газового пласта. М.:МАКС Пресс, 2008. 446 с.

55. Булатов А.И., Макаренко П.П., Будников В.Ф., Басаргин Ю.М. Теория и практика заканчивания скважин: в 5 т. М., ОАО «Издательство «Недра», 1998-т.5-375 с.

56. Тер-Саркисов P.M. Повышение углеводородоотдачи пласта нефтегазокон-денсатных месторождений. -М.: Недра, 1995.

57. Вяхирев Р.И. Гриценко А.И. Тер-Саркисов P.M. Разработка и эксплуатация газовых месторождений. М.: Недра, 2002. 880с.

58. Байбаков Н.К., Гарушев А.Р. Тепловые методы разработки нефтяных месторождений.- М.: Недра, 1977. 238 с.

59. Дыбленко В.П., Камалов Р.Н., Шарифуллин Р.Я., Туфанов И.А. Повышение продуктивности и реанимация скважин с применением виброволнового воздействия. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. 381 с.

60. Гриценко А.И., Тер-Саркисов P.M., Шандрыгин А.Н., Подюк В.Г. Методы повышения продуктивности газоконденсатных скважин. М.: Недра, 1997. 364 с.

61. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т. Интенсификация добычи нефти. М.: Недра, 1996.

62. Сучков Б.М. Интенсификация работы скважин. М.: НИЦ «РХД», 2007. 612с.

63. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. М: Нефть и газ, 2003.

64. Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта. М.: Недра, 1986.

65. Каневская Р.Д. О комплексном подходе к проектированию разработки месторождений с применением гидравлического разрыва пласта // Нефтегазовая вертикаль. 2001. № 13.

66. Каневская Р.Д. Зарубежный и отечественный опыт применения гидроразрыва пласта. М.: ВНИИОЭНГ, 1998. 40 с.

67. Христианович С.А., Желтов Ю.П. О гидравлическом разрыве нефтеносного пласта// Изв/ АН ССР. ОТН. 1955. №5. с.З 41.

68. Иванов А.Н. Интенсификация и восстановление производительности глубоких скважин управлением напряженным состоянием горных пород в прис-кважинной зоне по технологии ЩРП. www.asbur.ru/files/1120565702 48481.doc.

69. Добрынин В.М. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра. 1970. 239 с.

70. Зайцев М.В., Михайлов Н.Н. Влияние околоскважинной зоны на продуктивность скважины // Нефт. хоз-во. 2004. № 1. С. 64-66.

71. Ostensen R.W. The effect of stress-dependent permeability on gas production and well testing // SPEFE. 1986. June. 227-35; Trans., AIME 284.

72. Wu Y.S., Pruess K., Witherspoon P.A. Integral solutions for transient fluid flow through a porous medium with pressure-dependent permeability // Intern. J. Rock Mech. Min. Sci. 2000. Vol. 37. P. 51-61.

73. Zaitsev M.V., Mikhailov N.N. Effect of residual oil saturation on the flow through a porous medium in the neighborhood of an injection well // J. Fluid Dyn. 2006. July. P. 568-573.

74. Барабанов B.JI., Васютинская С.Д. Особенности напряженного состояния насыщенного пласта в окрестности возмущающей скважины. //МТТ. 2002. №5. с. 157-166.

75. Пятахин М. В. Критический дебит разрушения породы в призабойной зоне горизонтальной скважины//Газовая промышленность, 2009, №7

76. Pyatakhin M.V., Kazaryan V.P. Arch stability in a sandstone at nonlinear flow// J. of Geophys. and Engin. 2004. Vol.1. N 4. P. 197-204.

77. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. M.: Недра, 1975.271 с.

78. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977.416с.

79. Терцаги К. Теория механики грунтов. -М.: Госстройиздат, 1961.

80. Ляв А. Математическая теория упругости. М. - Л.: ОНТИ НКГиП1. СССР, 1935. 676с.

81. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористойсреде. -М.-Л.: Гостехиздат, 1947. 244 с.

82. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. М.-Л.:1. ГИИТЛ, 1951.480 с.

83. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том4: Кинетика. Теплота. Звук. Перевод с английского (издание 4).

84. Эдиториал УРСС. — ISBN 5-354-00702-Х

85. Голубев И.Ф. Вязкость газов и газовых смесей. М.: Физматлит. 1959.377с.

86. Снеддон H.H. Преобразование Фурье.- М.:Изд-во Иностр. лит., 1955. 667 с.

87. Намиотт А.Ю. Фазовые равновесия в добыче нефти.-М.: Недра, 1976. 183 с.

88. Коваленко Ю.Ф. Элементарный акт явления внезапного выброса. Выброс в скважину. М., 1980. 44 е.- (Препринт ИПМ АН СССР; №145).

89. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об Об измерении давления газа в угольных пластах// ФТПРПИ. 1988. № 3.

90. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об увеличении нефтеотдачи нефтя ных пластов// Нефтяное хозяйство. 1988. № 6.

91. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об упругом режиме эксплуатациинефтяного месторождения// ФТПРПИ. 1990. №1.

92. Коваленко Ю.Ф. О механизме разрушения кернов из коллекторов нефтяных месторождений//ФТПРПИ. 1990. №3

93. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Одинцев В.Н. Механика гидрогазоимпульс-ного воздействия на трещиновато-пористую породу при скважинной гидродобыче // ФТПРПИ. 1995. № 6.

94. Харламов К.Н., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Усачев Е.А. О необходимо сти учета прочностных характеристик горных пород при определенииоптимального пространственного положения скважины // Бурение и нефть. 2008. № 10. С.18-21.

95. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. и др. Способ вскрытияпродуктивного пласта. Патент РФ № 2110664 от 10.05.1998.

96. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ вызова или увеличения притока флюида в скважинах. Патент РФ № 2163666 27.02.2001.

97. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения сква жин. Патент РФ № 2179239 от 10.02.2002.

98. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ ремонта скважин. -Патент РФ № 2188317 от 27.08.2002.

99. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. Евразийский патент № 003452 от 26.06.2003.

100. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ обработки на гнетательной скважины. Патент РФ № 2213852 от 10.10.2003.

101. Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф. и др. Способ обработки при забойной зоны скважины. Патент РФ № 2285794 от 20.10.2006.

102. Климов Д.М.,Тер-Саркисов Р.М,Чигай С.Е.,Коваленко Ю.Ф.,

103. Рыжов А.Е. Определение прочностных характеристик пород Штокма-новского ГКМ и оценка рисков выноса песка при его разработке/УГазовая промышленность. 2010. № 11. С.57 60.

104. Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Метод георыхления Новый подход к проблеме повышения продуктивндсти скважин // Технологии ТЭК. 2003. № 1.С. 31-35.

105. Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И. Реализация метода георыхления для увеличения приемистости нагнетательной скважины // Техно логии ТЭК. 2003. № 4. С. 59-64.

106. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увеличение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхле ния // Нефть и газ Евразия, 2000, № 2, с. 90-94.

107. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Негомедзянов В.Р., Харламов К.Н. Исследование и прогнозирование устойчивости горных пород в горизонтальных скважинах баженовских отложений, бурящихся в условиях депрессии // Технологии ТЭК. 2004. № 5. с. 18-23.

108. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Прихно М.А. Определение деформационных и прочностных свойств горных пород примени тельно к баженовским отложениям // Технологии ТЭК. 2005. № 3. С. 17- 26.

109. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород при проходке наклонно-направленных скважин // Технологии ТЭК. 2006. № 5. С.22-27.

110. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Зависимость проницаемости призабойнойзоны пласта от депрессии и конструкции забоя для различных типов горных пород // Технологии ТЭК. 2006. № 6. С.59 -63.

111. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. Увели чение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхле ния // Нефть и газ Евразия. 2000. № 2. С. 90-94.

112. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование устойчивости наклонных и горизонтальных скважин в анизотропных породах. Препринт ИПМех РАН879, 2008, 24 с.

113. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Об устойчи вости наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. В Сб. Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 2009. С.455-469.

114. Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б., Галанин A.A. Анализ напряженного состояния и разрушения породы в окрестности нефтяной скважины. Препринт ИПМех РАН № 919, 2009, 36 с.

115. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Роль напряжений в формировании эксплуатационных свойств скважин. В Сб. Актуальные про блемы механики. Механика деформируемого твердого тела М.: Наука, 2009. С.470-476.

116. Коваленко Ю.Ф., Харламов К.Н., Усачев Е.А. Устойчивость скважин

117. Среднего Приобья. Тюмень-Шадринск, 2011. 174 с.

118. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханика нефтяных и газовых сква жин//Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И.Лобачевского. 2011. №4. ч.2. с.448-450.

119. Karev V., Kovalenko Yu. Triaxial loading system as a tool for solving prob lems of oil and gas production // The 12th International Congress on Rock Mechanics (Beijing, October 18-21, 2011).