Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационный процесс и дебит скважин тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

КАРЕВ Владимир Иосифович

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

скважин

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2010

2 6 АВГ 2010

004607360

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

Официальные оппоненты:

академик, доктор технических наук, профессор

Матвеенко Валерий Павлович

доктор технических наук, профессор

Кузнецов Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор

Мельников Борис Евгеньевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт горного дела СО РАН

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

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ИПМаш РАН. Автореферат разослан "_"_2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение дебита нефтяных и газовых скважин всегда было и остается важнейшей проблемой нефтегазодобывающей отрасли. На величину дебита скважины конкретного месторождения прежде всего влияет состояние призабойной зоны скважины (ПЗС) с точки зрения ее фильтрационных свойств. Ухудшение проницаемости даже в небольшой окрестности скважины существенно снижает ее продуктивность. Традиционно считается, что основными факторами, определяющими это ухудшение, являются кольматация при бурении и загрязнение фильтрационных каналов в процессе эксплуатации в результате их заиливания, запарафинивания. Однако, существует еще одна важная причина значительного изменения проницаемости в окрестности скважины - это влияние напряжений на фильтрационные свойства породы. Роль напряжений, возникающих в окрестности скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, в формировании фильтрационных свойств ПЗС в настоящее время исследована мало, хотя в нефтяной и газовой промышленности при разведке и эксплуатации месторождений, особенно на больших глубинах, выявлено, что концентрации напряжений в прискважинной зоне существенно влияют на проницаемость пластов, процессы фильтрации и, соответственно, на интенсивность нефтегазопритоков в скважину. Изучению этих вопросов посвящена данная работа. Она является продолжением исследований Христкановича, Николаевского, Райса и других ученых в области механики насыщенных пористых сред. Идея работы состоит в том, что фильтрационные течения в горных породах определяются их микро-трещиноватопористой структурой и решающую роль играют действующие в породе напряжения, изменения которых могут приводить как увеличению проницаемости, так и к ее уменьшению, причем необратимому. Растрескивание, разрыхление породы и необратимое увеличение проницаемости можно вызвать, используя упругую энергию, запасенную самой природой - горное давление и энергию пластовой жидкости, осуществляя направленную разгрузку пласта.

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

Целями работы были:

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

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

развитие научно обоснованного подхода к разработке новых эффективных, экологически чистых и экономичных методов повышения продуктивности скважин и нефте- газоотдачи пластов, основанных на управлении напряженным состоянием в окрестности скважины.

Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи: проведение анализа напряженного состояния в окрестности скважины при различных конструкциях забоя;

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

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

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

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

Методы исследований. Анализ напряженного состояния проводился известными методами теории упругости с использованием пакета программ АИЗУБ, разработанного на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на уникальной установке, созданной в Институте проблем механики Российской академии наук, -Испытательной системе трехосного независимого нагружения. Фильтрационный процесс рассчитывался с использованием известных методов механики сплошных сред и программы МАТНЕМАТ1КА. Эффективность разработанной технологии подтверждена опытно-промысловыми испытаниями.

На защиту выносятся следующие основные положения.

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

Классификация горных пород различного состава и структуры с точки зрения влияния напряжений на их проницаемость. Научно обоснованный подход к выбору оптимальных для конкретного

месторождения методов повышения продуктивности скважин и нефтегазоотдачи пластов.

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

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

Достоверность полученных результатов исследований

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

Научная новизна результатов работы и практическая ценность

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

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

Апробация работы.

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

посвященных 100-летию С.А.Христиановича, Каспийском энергетическом форуме (Москва, 2009).

Публикации. Основные результаты по теме диссертационного исследования изложены в 25 публикациях, список которых представлен в конце автореферата, 11 из них представлены в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 88 наименований, содержит 151 страницу, 5 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

зг=Ч + р(г)(\-3)

где - компоненты напряжений в радиальном, тангенциальном

и осевом направлениях, <7- горное давление (д < 0), рс- давление в

скважине, р{г)— давление на расстоянии г от скважины (р,рс> 0), Л,-

радиус скважины, 8 - доля площадок контактов относительно всей поверхности зерна фунтового скелета.

Максимальные касательные напряжения г = - равны:

г = -(<7+л)(/г»г В случае обсаженного ствола стальная труба эксплуатационной колонны цементируется на всю пробуренную глубину, включая продуктивный пласт. Гидродинамическая связь с коллектором осуществляется путем создания перфорационных отверстий. С учетом того, что жесткость стали на порядок выше, чем породы, напряжения в окрестности скважины можно считать независящими от давления в скважине за исключением областей вокруг перфорационных отверстий. Радиальные напряжения, действующие на стенку обсаженной скважины, будут зависеть от качества цементирования. При идеальном качестве, учитывая, что удельный вес цемента близок к среднему удельному весу горных пород, на стенке скважины восстановится горное давление. При наличии в цементном слое пустот и трещин или в случае усадки цемента при застывании радиальные напряжения будут составлять некоторую долю а от горного давления. Расчеты были проведены для значений а, равных 1 и 0,5. Перфорационное отверстие, длина которого обычно на порядок больше его диаметра, можно рассматривать как скважину с открытым стволом и распределение напряжений вокруг него (за исключением концевого участка) будет описываться приведенными выше формулами.

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

=-(ч + Рс){гс/г)'+ч + р(г){\-8)

= \ {я + Рс ) ('с > У + Ч + Р (0 (1 ^-'

г = -|(<7 + РЖгс1гУ

где - компоненты напряжения в радиальном и двух

окружных направлениях, гс - радиус перфорационного отверстия.

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

Граничные условия ставились следующие:

• на стенке необсаженной скважины и на стенках перфорационных отверстий нормальное эффективное напряжение 5Л ~-дрс;

• на стенке обсаженной скважины = ац, а -1; 0,5;

• на границе расчетной области 5г (В.к) = ц + рс.

Были проведены расчеты для изотропной среды с коэффициентом Пуассона у = 0,2.

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

б) Ар = 0,7р0

10

0.4 0.6 0.8 1 1.1 1.2 1.4 1.5

Рис.1. Поле максимальных главных напряжений

Ар = р0 - рс - депрессия в скважине, р0 - пластовое давление.

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

Рис.2. Интенсивность касательных напряжений в окрестности обсаженной скважины с горизонтальной щелью Др = 0,7р0, а = 0,5

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

ЕЕ'

остальными упругими константами: С »-— . На рис. 3 приведены

Е( \ + 2у )+Е'

Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. - М: Изд-во Наука. 1977. стр. 73.

распределения интенсивности касательных напряжений в окрестности скважины с перфорационными отверстиями в изотропной (рис.За) и трансверсально изотропной среде (рис.Зб) при А.р = 0,7р0.

а) изотропная среда б) трансверсально изотропная среда

Рис.3. Интенсивность касательных напряжений при депрессии Ар = 0,7р0

Для трансверсально изотропной среды брались следующие значения упругих модулей: £/£' = 2; у = у' = 0,2; С = 0,53£' (по приближенной формуле). Как видно из рис. 3, наличие анизотропии с учетом приближенной зависимости С' незначительно влияет на напряжения. Поэтому при анализе напряженно-деформированного состояния в окрестности скважины, имеющей произвольную конструкцию забоя, расчеты проводились для изотропной среды.

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

Ответ на вопрос, как влияет напряженно-деформированное состояние на проницаемость конкретной породы нельзя получить расчетным путем, это зависит от свойств самой породы. Возможность изучения этой зависимости предоставляет уникальная экспериментальная установка, созданная в Институте проблем механики Российской академии наук -Испытательная система трехосного независимого нагружения. Она позволяет в образцах породы кубической формы с гранью 40 или 50 мм, изготовленных из керна коллектора месторождения, воссоздавать любые напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении, освоении и

эксплуатации скважины, и изучать их влияние на фильтрационные свойства породы. Эти возможности имеются благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствий друг другу.

ИСТИН - это электрогидравлическая испытательная машина с автоматизированной системой управления. Установка позволяет производить нагружение как по силе, так и по перемещениям, что дает возможность проводить испытания образца вплоть до полного разрушения. При этом в процессе всего испытания в автоматическом режиме измеряется проницаемость образца. Силы и перемещения измеряются тензометрическими датчиками, проницаемость определяется по показаниям расходомеров.

Разработаны три основных программы нагружения образцов, моделирующие условия сжатия породы при увеличении депрессии в скважине:

программа 1 - «обобщенный сдвиг», моделирует напряжения в окрестности открытого ствола скважины;

программа 2 - «обобщенное растяжение», моделирует напряжения в окрестности сферической полости;

программа 3 - «обобщенное сжатие», моделирует напряжения в окрестности горизонтальной щели.

Программа 1 показана на рис.4. Напряжения сгрсг2,о\ - абсолютные величины напряжений, приложенных по осям 1, 2, 3 к образцу. Они соответствуют эффективным напряжениям действующим в

окрестности скважины.

Рис. 4. Программа 1, моделирующая напряжения в окрестности открытого ствола скважины

Этап 1. Образец обжимается равномерно по трем осям до напряжения, равного разности между значением горного давления ц на

глубине Я и величиной пластового давления с коэффициентом рй(\-8) (отрезок ОА). Точка А отвечает напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до пробуривания скважины.

Этап 2. На втором этапе нагружения (отрезки АВ) одна компонента напряжения сг2 продолжает расти, вторая <т, остается постоянной, а третья сг3 убывает, причем нагрузка меняется таким образом, что среднее напряжение а = (а1+а2+а})/3 на всем протяжении этапа 2 сохраняется постоянным (это следует из решения задачи Ламэ). Конец этапа соответствует состоянию, когда скважина пробурена и заполнена техническим раствором. При этом а3~Зрс.

Этап 3. На третьем этапе моделируется процесс понижения давления в скважине (отрезки ВС). При этом эффективное радиальное напряжение в грунтовом скелете по мере роста депрессии сохраняется, а кольцевые и вертикальные напряжения растут, но вертикальные напряжения увеличиваются примерно в два раза медленнее. Соответственно изменяются компоненты напряжения <х,, сг,, <т3 в опыте.

Третий этап продолжается до тех пор, пока образец не разрушится, либо пока не будет достигнута максимально возможная в условиях конкретного месторождения депрессия. Теоретически максимальная депрессия равна пластовому давлению, при этом величина кольцевых напряжений равна 2q. Затем точно в обратном порядке по отношению к программе нагружения образца осуществляется его разгрузка с целью определения его проницаемости при разгрузке.

Программа 2 предусматривает после этапа всестороннего сжатия одновременный рост двух компонент, соответствующих окружным напряжениям, и уменьшение до значения 8рс третьей компоненты, соответствующей радиальному напряжению.

В программе 3 после этапа всестороннего сжатия одна компонента, соответствующая тангенциальным напряжениям растет, а две другие, соответствующие радиальному и вертикальному напряжениям, падают.

Во второй главе дан анализ большого цикла экспериментальных исследований влияния напряженно-деформированного состояния на проницаемость горных пород из коллекторов нефтяных и газовых месторождений из различных регионов Российской Федерации, разного литологического состава, залегающих на глубинах от ста метров до четырех километров, с разным коэффициентом аномальности пластового давления.

Обобщая результаты испытаний, породы с точки зрения их реакции на изменение напряжений условно можно разделить натри категории.

Породы первой категории представляют собой плотные крепко сцементированные мелкозернистые песчаники, аргиллиты, доломиты и т.п. Эти породы деформируются под действием приложенных напряжений чисто упруго. Проницаемость их по мере роста напряжений уменьшается, но обратимо, то есть после снятия напряжений она возвращается к начальному значению. Свойства таких пород иллюстрируют рис. 5-6, на которых представлены результаты испытаний образца из Северо-Долгинской структуры на шельфе Баренцева моря.

На рис. 5 представлена программа нагружения образца (программа 1 - моделирование открытого ствола скважины) и кривая изменения проницаемости. На рис. 6 - кривые деформирования образца. По оси ординат отложен параметр нагружения - сг2, монотонно возрастающее напряжение, соответствующее кольцевым напряжениям. По кривым деформирования видно, что образец в ходе всего опыта деформировался практически упруго. Об этом же говорят очень малые остаточные деформации после разгрузки. Проницаемость образца по мере нагружения постепенно немного уменьшалась, как на этапе всестороннего сжатия, так и при увеличении разносной нагрузки, что связано, очевидно, с уменьшением сечения фильтрационных каналов (компактированием). Максимальное уменьшение проницаемости составило 30 %, однако, при разгрузке она практически полностью восстановилась.

Скв.1: (3017 м) Обр. 462 к0=2,6 мД

-су 1----ст2 — - -стЗ -к/кО

Рис. 5. Программа нагружения и изменение проницаемости породы Северо-Долгинской площади.

Скв.1: (3017 м) Обр. 462

-15 -10 -5 0 5 10 15 61*1000

Рис. 6. Кривые деформирования породы Северо-Долгинской площади.

Вторую категорию составляют мелко- и среднезернистые песчаники с небольшим содержанием глины, алевролиты и известняки. Эти породы при небольших депрессиях также деформируются упруго, их проницаемость при этом, как правило, не меняется или немного уменьшается. При достижении депрессией определенной величины, которая зависит от свойств породы, начинается неупругое деформирование. По мере роста неупругих деформаций проницаемость породы значительно уменьшается (на десятки процентов и даже в разы). Это падение проницаемости носит необратимый характер, то есть после снятия напряжений она остается пониженной. При дальнейшем увеличении сдвиговых напряжений (при увеличении депрессии) скорость ползучести образов увеличивается, и, когда деформация достигает некоторой критической величины, порода начинает растрескиваться и разрушаться, что сопровождается резким увеличением ее проницаемости даже по сравнению с первоначальным значением. Свойства пород этой категории иллюстрируют рис. 7-8, на которых представлены результаты испытаний образцов из терригенного коллектора Черемуховского месторождения (Татарстан).

Скв. 5425: (982 м) Обр. 32 к0=780 мД

I, сек

о1 - - - - с2 — - - аЗ-к/кО

Рис. 7. Программа нагружения и изменение проницаемости породы Черемуховского месторождения.

Скв. 5425: (982 м) Обр. 32

50 --

-15 -10 -5 0 5 10 15

в! * 1000

Рис. 8. Кривые деформирования породы Черемуховского месторождения.

К третьей категории относятся песчаники с большим содержанием глины. На рис. 9-10 приведены результаты испытаний породы Кармалинского месторождения (Кубань).

С кв.2: (2502-2508м) 0бр.301 к0=132,2 мД

сек

Рис. 9. Программа нагружения и изменение проницаемости породы Кармалинского месторождения.

Скв.2: (2502-2508м) 0бр.301

Е 1*1000

Рис. 10. Кривые деформирования породы Кармалинского месторождения.

Такие породы уже при незначительных депрессиях начинают интенсивно «ползти», а проницаемость их при этом резко падает. Однако даже при значительных деформациях разрушение образцов не наступает, они продолжают деформироваться практически с постоянной скоростью (подобно пластилину), а проницаемость их при этом постепенно уменьшается.

Результаты испытаний позволяют сделать ряд практически важных выводов.

Для скважин, пробуренных в породах первой категории, влияние напряжений на фильтрационные характеристики пласта не велико и может не учитываться при выборе режимов работы на скважине.

Иначе обстоит дело для пород второй и третьей категорий. Обнаруженное в опытах свойство пород второй категории сильно деформироваться («ползти») под действием возникающих в ПЗС касательных напряжений в сочетании с уменьшением при этом их проницаемости может приводить к значительному падению дебита скважин. При увеличении депрессии на забое в окрестности открытого ствола скважины или перфорационных отверстий образуется зона пониженной проницаемости, своего рода низко проницаемая «пробка», затрудняющая фильтрацию в скважину. При дальнейшем увеличении депрессии, когда деформация достигнет некоторой критической величины, порода в ПЗС может начать растрескиваться. В результате в окрестности скважины возникает искусственная разветвленная система трещин, которая играет роль новой системы фильтрационных каналов. Это приводит к тому, что проницаемость породы резко увеличивается, причем необратимо, и фильтрационные свойства ПЗС не только восстанавливаются, но и значительно улучшаются.

Это явление наблюдалось при испытаниях образцов пород из многих месторождений, в частности, из коллектора Сыморьяхского месторождения ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь». Моделирование на установке ИСТИН роста депрессии в открытом стволе показало, что при величинах депрессии 50-60 ат деформирование породы переходило в неупругую стадию, что сопровождалось заметным уменьшением проницаемости. При достижении депрессией уровня 90-100 ат происходило разрушение, дезинтеграция породы и резкое увеличение проницаемости. При освоении скважины Лз 7197 этого месторождения были получены результаты, которые подтвердили установленную при испытаниях образцов закономерность. В процессе освоения на забое скважины последовательно создавались депрессии 30 ат, 60 ат и 90 ат, и после каждой депрессии по кривой восстановления уровня рассчитывалась продуктивность скважины. После создания на забое депрессии 60 ат продуктивность скважины упала примерно в полтора раза по сравнению с продуктивностью, определенной при

депрессии 30 ат. Когда депрессию довели до 90 ат, продуктивность скважины значительно выросла и после освоения превысила ожидаемую в четыре раза.

Указанное явление искусственного растрескивания породы и увеличения при этом ее проницаемости путем создания в ПЗС необходимых напряжений легло в основу нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода георыхления.

Процесс растрескивания породы можно интенсифицировать путем выбора необходимой конструкции забоя скважины (предварительного нарезания щелей, проведения дополнительной перфорации, перфорации открытого ствола и т.д.), чем достигается значительное увеличение действующих в ПЗС напряжений. Кроме того, таким способом можно инициировать процесс трещинообразования и в прочных породах, которые плохо подвержены разрушению.

В качестве примера можно привести терригенный коллектор Сибирского месторождения в Пермской области. Его коллектор представляет собой прочный мелкозернистый песчаник. Испытания образцов показали, что моделирование даже максимально возможной депрессии в открытом стволе не приводило к растрескиванию породы и заметному изменению ее проницаемости. Однако, при моделировании перфорационного отверстия в открытом стволе, что достигалось просверливанием в образцах отверстий диаметром 6 мм, порода при больших депрессиях начинала ползти и растрескиваться. Это связано с тем, что для неупругого деформирования и растрескивания породы оказалось недостаточно напряжений, возникающих в окрестности открытого ствола скважины даже при полном ее осушении. Перфорационные же отверстия сыграли роль концентраторов напряжений, значительно увеличив действующие в их окрестности напряжения и инициировав процесс трещинообразования. Установленные факты подтвердились при опытно-промысловых испытаниях метода георыхления на скважинах Сибирского месторождения. Капитальный ремонт скважины с созданием и длительным поддержанием депрессии, близкой к максимальной, не дал результата. В то же время капитальный ремонт нагнетательной скважины тем же способом, но с предварительной перфорацией открытого ствола, позволил увеличить приемистость скважины с 8 м3/сут до 200 м3/сут.

Иная картина наблюдается в коллекторах с большим содержанием глины (породы третьей категории). Как отмечалось выше, эти породы уже при незначительных депрессиях начинают «ползти», и их проницаемость падает. Инициировать процесс растрескивания в таких породах оказалось невозможным даже при максимальных депрессиях и наличии концентраторов напряжений (щелей, перфорационных отверстий). Так, при испытании породы Нижнечути некого месторождения в Коми было установлено, что при создании в ней даже небольших касательных

напряжений, соответствующих эксплуатационным депрессиям, проницаемость породы падает в два раза. Дебит скважин по этой причине оказывается существенно пониженным вследствие образования в окрестности открытого ствола или перфорационных отверстий низко проницаемой зоны. Увеличение депрессии в этом случае лишь ухудшает ситуацию и может привести к полному прекращению притока.

Единственно возможным выходом в такой ситуации является разгрузка породы в ПЗС от действующих в ней касательных напряжений. В частности, для открытого ствола скважины это сводится к уменьшению действующих в ее окрестности кольцевых напряжений , поскольку максимальные касательные напряжения в этом случае определяются полуразностью эффективных кольцевых напряжений и радиальных напряжений 5Г, близких к нулю. На практике этого можно достичь путем предварительного, т.е. до создания депрессии, нарезания вертикальных щелей в открытом участке ствола скважины. Возникает вопрос, сколько щелей и какого размера необходимо нарезать, чтобы добиться эффективной разгрузки призабойной части пласта от касательных напряжений.

С помощью АЫБУБ были проведены расчеты полей напряжений в окрестности открытого ствола с вертикальными щелями для условий Нижнечутинского месторождения. На рис. 11а показано распределение касательных напряжений в окрестности скважины со щелями минимального размера-0,1 радиуса скважины.

а) б) в)

о. о.1 о.2 о.4'™*>*""*^,*аб о.8 ~ ЙИИВШ Рис.11 .Интенсивность касательных напряжений в окрестности скважины с вертикальными щелями для условий Нижнечутинского месторождения

В областях, где т превышает 0,6д, по данным испытаний происходит падение проницаемости породы. Из рис. 11а видно, что скважина

окружена низкопроницаемой «пробкой», толщина которой составляет примерно 0,5 радиуса скважины. Наличие щелей мало влияет на ситуацию, распределение напряжений вокруг скважины почти такое же, как при отсутствии щелей.

Нарезание более глубоких вертикальных щелей, по размеру сравнимых с радиусом скважины, существенно меняет ситуацию. На рис. 116 показано распределение интенсивности касательных напряжений в окрестности необсаженной скважины с двумя диаметрально противоположными вертикальными щелями. Глубина щелей равна радиусу скважины. Из рис. 116 видно, что щели практически в два раза снижают действующие на контуре скважины касательные напряжения, а зоны пониженной проницаемости значительно уменьшаются в размере и отодвигаются в глубь пласта. Таким образом, наличие двух вертикальных щелей существенно улучшает ситуацию и в целом сохраняет проницаемость породы в ПЗС.

Увеличение количества нарезаемых вертикальных щелей не только не улучшает ситуацию, а наоборот ухудшает ее. На рис. 11 в показано распределение интенсивности касательных напряжений вокруг скважины с четырьмя вертикальными щелями глубиной, равной радиусу скважины. Видно, что, хотя непосредственно вблизи скважины порода разгружена, на расстоянии примерно двух радиусов от центра скважины развивается замкнутая зона пониженной проницаемости, которая будет играть роль новой «пробки», существенно снижающей дебит скважины.

Полученные результаты убедительно свидетельствуют, что возникающие в призабойной зоне пласта напряжения могут оказывать существенное влияние на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на продуктивность скважин. Это влияние может быть как положительным, так и отрицательным. Предварительные исследования свойств породы конкретного месторождения и проведение соответствующих расчетов позволяют выбирать конструкцию забоя и величину создаваемых на забое депрессий, которые обеспечивают максимальный дебит скважин. Такой подход может стать толчком к развитию новых методов увеличения продуктивности скважин и повышения нефтеотдачи пластов.

В третьей главе рассматривается задача о фильтрации двухфазной многокомпонентной углеводородной смеси для оценки эффективности применения метода георыхления на газоконденсатных месторождениях. Метод георыхления обеспечивает увеличение проницаемости призабойной зоны скважины за счет направленной разгрузки пласта. Инициация процесса георыхления требует создания на забое скважины глубоких депрессий, в результате в окрестности скважины происходит накопление ретроградного конденсата, что приводит к уменьшению фазовой проницаемости породы по

газу. Существование этих двух разнонаправленных с точки зрения изменения проницаемости процессов необходимо учитывать при использовании данного подхода на газоконденсатных месторождениях.

Процесс фильтрации двухфазной смеси может быть описан системой дифференциальных уравнений фильтрации для каждой фазы с учетом массообмена между фазами. Уравнения неразрывности для каждой из фаз записываются следующим образом

Движение каждой из фаз считается безынерционным, подчиняющимся закону Дарси

здесь т - пористость, р - плотность, V - скорость фильтрации, Q - масса газа, переходящего в жидкую фазу в единице объема пористой среды за единицу времени, и - относительное содержание газовой фазы. Индексом % обозначены величины, относящиеся к газовой фазе, индексом / -относящейся к жидкой фазе.

Если предположить, что в каждый момент времени и в каждой точке пространства относительное содержание газа сг в газоконденсатной смеси соответствует равновесному и определяется исключительно текущим давлением р (температура предполагается постоянной), то а можно

считать заданной функцией давления. Кривая зависимости сг(р) (изотерма

конденсации) для условий Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) приведена на рис. 12. Сложение уравнений позволяет исключить величину Q и получить одно дифференциальное уравнение относительно давления р.

Однако, наличие в составе газоконденсатной смеси нескольких углеводородных фракций, обладающих разными физико-химическими свойствами, существенно усложняет описание процесса фильтрации. Это связано с характером фазовых диаграмм многокомпонентных смесей, которые принципиально отличаются от фазовых диаграмм чистых веществ и

зависят от химического состава смеси. К таким отличиям относятся следующие.

1. Наличие ретроградных областей на фазовых диаграммах давление - температура, где конденсация и испарение происходят в направлении, обратном фазовым превращениям чистого вещества. Ретроградная конденсация означает, что количество образовавшейся жидкости увеличивается при снижении давления от давления начала конденсации до давления максимальной конденсации при данной температуре.

2. Изменение химического состава каждой из фаз в процессе фазовых изменений, так как при уменьшении давления ниже начала конденсации при данной температуре конденсируются преимущественно тяжелые фракции С5+.

Рис. 12. Изотерма конденсации для условий АГКМ

После прохождения фильтрующего пластового газа через точку пласта с давлением ниже давления начала конденсации в пористую среду в виде конденсата выпадают более тяжелые фракции. В результате действия капиллярных сил выпавшая жидкость может быть неподвижной или фильтруется со скоростью, меньшей скорости фильтрующегося газа. В пористой среде происходит накопление ретроградного конденсата, состоящего преимущественно из тяжелых фракций С5+. Таким образом, в процессе фильтрации меняется химический состав смеси, соотношение жидкой и газовой фаз не соответствует равновесному и не может быть

определено по изотерме конденсации, полученной при испытаниях в замкнутом сосуде.

Предполагается, что в каждой порции газа, подвергшейся изменению давления, происходит фазовое превращение согласно фазовой диаграмме пластового газа, т.е. справедлив дифференциальный закон для фазового превращения.

¿К = Ф(/?)ф

Здесь V - объем газа, переходящего в жидкую фазу, Ф(р) - функция давления, которая может быть получена как производная от функции сг{р), определяемой изотермой конденсации.

Масса в единице объема среды составляет ргат , тогда

(1V , .ф

Для движущегося газа полная производная давления по времени есть

у„

ф Вр Л 51 8

тсг

где IV - скорость движения частиц газа в порах.

Подстановка последовательно выражения полной производной давления по времени в выражение для О и затем в уравнение фильтрации для газовой фазы дает уравнение, которое вместе с уравнением (1) дает систему двух уравнений относительно двух неизвестных рис:

т—

Р* —/« (сг)егас1/?

-рМр)

= 0

Для оценки эффективности работы скважины представляет интерес установившийся режим фильтрации. В случае стационарного течения полученная система уравнений преобразуется в систему обыкновенных дифференциальных уравнений

1-Ё. г дг

и дг

\2

где г - полярная координата.

В систему уравнений входит ряд зависимостей, которые характеризуют свойства пластового флюида и породы конкретного месторождения и определяются экспериментально:

зависимость соотношения жидкой и газообразной фаз в смеси (изотерма конденсации) от давления,

фазовые проницаемости в зависимости от соотношения фаз, зависимости плотности газа и конденсата от давления, зависимость динамической вязкости газа и конденсата от давления при пластовой температуре.

Эти зависимости были предоставлены ВНИИГАЗ. Для проведения расчетов они были аппроксимированы следующими сглаживающими функциями:

Ф(р) = 0.01(0.0692+ 0.00357(40-р) - 0.0000456(40 -р)2)

= 0.03383 р - 0.00022 рг, ^=0.794 + 2.85//р

= 0.174 + 0.0206 р, цг = 34.5 + 903 / р

Л=-;--' /,=0.64(1-<г)4+0.01(1-<Г)

4 120(1-0") +3.26(1-0-) +1

Модель также должна учитывать изменение фильтрационных свойств породы в зависимости от напряженного состояния в окрестности скважины и связанного с ним деформирования и разрушения грунтового скелета коллектора. На испытательном стенде были проведены испытания образцов пород из коллектора АГКМ, которые позволили установить, что при создании депрессии 35-40 МПа в окрестности скважины происходит растрескивание породы и резкое необратимое увеличение ее проницаемости.

Таким образом, до проведения работ по методу георыхления в окрестности скважины имеется закольматированная зона радиуса /; с проницаемостью кх в несколько раз ниже естественной проницаемости коллектора к0. Как показывают данные геофизических исследований, размер этой зоны обычно составляет 3-5 радиусов скважины гс. Расчеты

проводились для трех значений радиуса зоны кольматации — = 3,4,5 .

гс

. . [к., г <г<г. 1 к = к(г) = к где гк =100гс- радиус контура питания.

После проведения работ, т. е. после создания глубокой депрессии, вокруг скважины образуется зона повышенной проницаемости к2 радиусом

гг. Радиус разрыхленной зоны гг зависит от величины депрессии: чем

больше депрессия, тем дальше вглубь пласта распространится эта зона.

, {к,, г <г<г. Если к > г., то к-к{г) = <

к, Г2<г<гк

В расчетах была использована гладкая аппроксимирующая функция

1 к0 Гс

Здесь р - коэффициент, учитывающий резкость изменения проницаемости при переходе между зонами с разной проницаемостью; его значение слабо влияет на результаты. В расчетах принималось р = 6.

к2, гс<г<г2

Если гг < г,, то к = к(г) = <кх, гг<г<г\

Л'

и аппроксимирующая функция имеет вид

Были проведены расчеты установившегося режима фильтрации пластового флюида для условий АГКМ при давлении на забое скважины, соответствующем эксплуатационному значению 40 МПа, до и после проведения работ по методу георыхления. Соответственно, граничные условия были следующими:

р(гк)= 60 МПа - пластовое давление на АГКМ,

р(гс) = 40 МПа - эксплуатационное забойное давление.

Давление конденсации для АГКМ равно 40 МПа, поэтому забойном давлении 40 МПа конденсата в пласте не образуется, имеет место однофазная фильтрация. При этом первое уравнение полученной системы принимает вид

д_ дг

ГР* (Р)

Цг)_др

:0

оно интегрируется разделением переменных:

! р,(р) ,'Чг)

Расчет фильтрации после проведения работ по методу георыхления осуществляется также посредством решения первого уравнения системы, но с иной зависимостью проницаемости от координаты, которую необходимо

рассчитать. Для определения газонасыщенности в пласте, которая образуется, после проведения работ по георыхлению, полученная система уравнений решалась с граничными условиями р{гк) = 60 МПа, р{гс) = 20 МПа.

Система решалась численно - средствами программы МАТНЕМАТ1КА.

На рис. 13 представлены кривые распределения газонасыщенности при установившемся режиме при давлении на забое 20 МПа для однородного пласта - сплошная линия, для пласта с ухудшенной в 10 раз в результате кольматации призабойной зоной - штриховая линия и для пласта с улучшенной в 10 раз в результате георыхления призабойной зоной -штрихпунктирная линия.

0.8

0.6

0.4

- ■■■ / 1 1 1 1 1 1 / У /' / / / / /

1 1 / 1 / / / 1 / 1 / / / / /

1 / 1 / / 1 / / / / / /

1 /

11," '

\ \ \ V, \

V

\

\о \ г,/

\

ч

ч

-ТГ- _ _

Рис. 13. Распределение газонасыщенности в пласте

Рис. 14. Фазовые проницаемости для АГКМ

При подъеме забойного давления до эксплуатационного значения 40 МПа нового конденсата не образуется, а уже выпавший частично вытекает в скважину. Как видно из графика фазовых проницаемостей (рис.14), при газонасыщенности выше 0.7 фазовая проницаемость конденсата практически равна нулю и он неподвижен. На участке около стенки скважины, где газонасыщенность была меньше 0.7, в процессе выхода на установившийся режим и фильтрации конденсата в скважину газонасыщенность поднимется до значения 0.7. В области, где насыщенность газом больше 0.7 и конденсат не фильтрует, ее величина не изменится. На рис. 15 представлены кривые распределения проницаемости по газу при р(г) = 40 МПа для двух случаев: при наличии в окрестности скважины зоны с пониженной в 10 раз абсолютной проницаемостью (г, =4гс,к1 =0Лк0)~ штриховая линия и при наличии в окрестности скважины зоны с повышенной в 10 раз абсолютной

проницаемостью вследствие проведения работ по методу георыхления (г2 =4гс,к2 =10к0) - штрихпунктирная линия. Во втором случае в окрестности скважины имеется область размером 10-12 радиусов, где выпал конденсат, что привело к уменьшению проницаемости по газу примерно в два раза по отношению к природной проницаемости.

А

2

О

о 5 ю 15 Г'

Рис. 15. Распределение проницаемости по газу в пласте

Окончательный расчет для установившегося после проведения работ по методу георыхления режима осуществлялся с помощью решения первого уравнения системы с заменой к (г) на к (/-) / (сг(г)). Решение имеет вид

"(г )рАР±4 *[ С

В таблице приведены значения дебитов газа для установившихся режимов при разных значениях абсолютной проницаемости в призабойной зоне скважины до и после проведения работ по методу георыхления. Здесь (У- дебит скважины, отнесенный к дебиту в пласте с однородной проницаемостью к0. Расчеты были проведены для трех величин закольматированной зоны и трех величин разрыхленной зоны: 3, 4 и 5 радиусов скважины в разных комбинациях. Сопоставление этих величин показывает, что создание больших депрессий и связанная с ним ретроградная конденсация ухудшает эксплуатационные характеристики скважины по сравнению с идеальной скважиной даже при наличии зоны георыхления. Однако для реальной скважины с ухудшенной призабойной зоной применение метода георыхления дает заметный эффект. Насколько сильно вырастет проницаемость в результате георыхления, не имеет большого значения. Важно, чтобы разрыхленная зона была больше или одинакова по

1

1 1 1

1 1 ___/

Г~ 1

размеру с зоной кольматации, т.е. чтобы вокруг скважины не оставалось плохо проницаемой области, в противном случае эффект георыхления незначителен.

Следует заметить, что для создания в окрестности скважины зоны с улучшенной проницаемостью требуется кратковременная депрессия, при этом конденсат не успеет накопиться в окрестности скважины в тех объемах, которые образуются в случае выхода на установившийся режим, поэтому проницаемость по газу упадет в меньшей степени, чем дают представленные расчеты. Кроме того, образование новой развитой системы трещин в результате георыхления должно привести к изменению кривых фазовых проницаемостей - наличие конденсата будет меньше тормозить движение газа. Так что полученная оценка дает нижний предел эффективности применения метода георыхления на АГКМ.

Таблица. Дебит скважины ()' дои после работ по георыхлению

Состояние ПЗС г;=з Размер ПЗС г,'=4 1'=5

До проведения работ по методу георыхления

к; =ол 0.33 0.27 0.25

После проведения работ по методу георыхления

л; =5 г,' = г[ 0.71 | 0.77 | 0.82

г2'=3 0.71 | 0.47 | 0.31

к; =ю = Г1 0.74 | 0.80 | 0.87

г;=ъ

0.74 | 0.50 | 0.33

В четвертой главе представлена новая технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод георыхления, приведены и результаты опытно-промысловых испытаний.

Целью метода георыхления является увеличение проницаемости призабойной части пласта. Но достигается это не за счет восстановления проницаемости природных фильтрационных каналов, что зачастую оказывается невозможным, а за счет искусственного создания в ПЗП разветвленной системы трещин, которая и будет играть роль новой системы

фильтрационных каналов. Причем проницаемость этой новой системы фильтрационных каналов может значительно превосходить естественную проницаемость пласта.

Растрескивание, разрыхление породы в ПЗП вызывается за счет использования упругой энергии, запасенной в массиве горных пород (горного давления), и энергии пластовой жидкости. Для этого вокруг скважины надо создать напряженное состояние определенного вида и уровня. Это делается путем понижения давления в скважине до определенной величины (создания депрессии). Инициирование процесса георыхления может потребовать также проведения предварительных технологических операций. Таких, например, как вырезание участка обсадной колонны в продуктивном интервале ствола скважины, перфорации определенного типа и плотности, нарезания щелей заданной ориентации и др. Величина депрессии и необходимые предварительные технологические операции определяются в результате испытаний породы коллектора месторождения на ИСТИН.

Технология георыхления включает два этапа:

1. На первом этапе на образцах породы из коллектора месторождения проводится физическое моделирование на ИСТИН условий, возникающих в окрестности скважины при увеличении депрессии для различных конструкций забоя. В процессе испытаний определяется зависимость проницаемости породы от уровня депрессии для различных конструкций забоя. Сопоставление результатов испытаний породы коллектора и расчетов позволяет выбрать оптимальные с точки зрения увеличения дебита скважины конструкцию забоя и уровень депрессии.

2. На втором этапе совместно со специалистами компании, разрабатывающей месторождение, составляется план работ и производятся работы на скважине. Реализация метода георыхления на скважине зависит от возможностей нефтепромысла и экономической целесообразности.

Метод георыхления успешно применялся на нескольких десятках скважин месторождений Западной Сибири и Пермской области при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих скважин и капитальном ремонте нагнетательных скважин.

Практика показала, что на необсаженных стволах обычно удается достичь 2-4-х кратного увеличения дебита, на обсаженных стволах 1,5-2 кратного увеличения.

Разработанная технология защищена 7 российскими патентами и 1 евразийским патентом.

В заключении перечислены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработана методика экспериментального исследования деформационных, прочностных и фильтрационных свойств пород нефтяных и газовых месторождений на Испытательной системе трехосного независимого нагружения. Она включает в себя расчет напряженного состояния в окрестности скважины для различных конструкций забоя и его изменения при увеличении депрессии. На основе расчетов составляются программы нагружения образцов. В работе приведены три базовые программы, моделирующие условия, возникающие в окрестности основных элементов конструкции забоя скважины: открытый ствол, сферическая полость (кончик перфорационного отверстия), горизонтальная щель. По разработанным программам на образцах породы из коллектора месторождения проводится физическое моделирование на ИСТИН условий, возникающих в окрестности скважины при увеличении депрессии для различных конструкций забоя. В процессе испытаний определяется зависимость проницаемости породы от величины напряжений.

На основе анализа результатов большого цикла экспериментальных исследований свойств пород нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений из разных регионов России, залегающих на различных глубинах, предложена классификация пород по их реакции с точки зрения фильтрационных свойств на изменение напряженного состояния в зависимости от их литологического состава и структуры. Выделено три категории горных пород.

К первой категории относятся плотные крепко сцементированные мелкозернистые песчаники, аргиллиты, доломиты и т.п. Эти породы деформируются под действием приложенных напряжений чисто упруго. Проницаемость их по мере роста напряжений уменьшается, но обратимо, после снятия напряжений она возвращается к начальному значению.

Вторую категорию составляют мелко- средне- и крупнозернистые песчаники с небольшим содержанием глины, алевролиты и известняки. Эти породы при достижении напряжениями определенного уровня (определенной величины депрессии в скважине), который зависит от типа породы, условий залегания, пластового давления и других факторов, начинают деформироваться неупруго - «ползти». По мере роста неупругих деформаций проницаемость породы необратимо уменьшается. Когда деформация достигает некоторой критической величины, порода начинает растрескиваться и разрушаться, что сопровождается резким увеличением ее проницаемости даже по сравнению с первоначальным значением.

К третьей категории относятся песчаники с большим содержанием глины. Такие породы уже при незначительных депрессиях начинают интенсивно «ползти», а проницаемость их при этом резко падает. Однако

даже при значительных деформациях разрушение образцов не наступает, они продолжают деформироваться практически с постоянной скоростью, а проницаемость их при этом постепенно необратимо уменьшается.

Разработана методология выбора оптимальных для конкретного месторождения методов повышения продуктивности скважин и газонефтеотдачи пластов, которая включает в себя определение конструкции забоя скважины и уровень депрессии, необходимые для улучшения или, когда это невозможно, сохранения фильтрационных свойств в окрестности скважины.

Предложено решение задачи о фильтрации газоконденсатного флюида в скважину при наличии ретроградной конденсации и зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине. Инициация процесса георыхления, направленного на увеличение абсолютной проницаемости пласта, требует создания на забое скважины глубоких депрессий, в результате в ПЗС происходит накопление ретроградного конденсата, что приводит к уменьшению фазовой проницаемости коллектора по газу. Построена математическая модель фильтрации двухфазной многокомпонентной смеси, учитывающая существование этих двух разнонаправленных с точки зрения изменения проницаемости процессов. Для описания фильтрации с учетом капиллярных связей жидкой фазы со скелетом и изменения химического состава смеси при фазовых превращениях применена дифференциальная схема, согласно которой, в отличие от интегральной, задается закономерность перехода в жидкую фазу для приращений, а не для самих величин давления и объема.

Проведены расчеты фильтрации газоконденсатной смеси в скважину для условий Астраханского газоконденсатного месторождения. Они показали, что создание больших депрессий, необходимых для образования в окрестности скважины зоны повышенной проницаемости, и связанная с ним ретроградная конденсация ухудшает эксплуатационные характеристики скважины по сравнению с идеальной скважиной даже при наличии зоны георыхления, однако для реальной скважины с ухудшенной призабойной зоной применение метода георыхления дает заметный эффект.

Разработана и успешно испытана на ряде месторождений новая эффективная, экономичная и экологически чистая технология повышения дебитов нефтяных и газовых скважин, основанная на направленной разгрузке пласта - метод георыхления. Практика показала, что технология дает кратное увеличение дебита.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Теоретическая модель фильтрации газа в газонасыщенных угольных пластах // ФТПРПИ. 1988. № 6. С.47-55.

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

3. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Динамика газовыделения из угольного пласта при проходке выработки и выбросоопасность ситуации // ФТПРПИ. 2001. № 1. С.56-63.

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

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

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

Ю.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.

И.Карев В.И., Устинов К.Б. Фильтрация газоконденсатной смеси при применении метода георыхления // ПММ. Том 73. Вып. 5, 2009. С.787-798.

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

13. Христианович С.А., Карев В.И. К расчету установившегося течения в скважине при наличии выделения газа из нефти (газлифта). В кн. Христианович С.А. Избранные работы. М.: Изд-во Наука - Изд-во МФТИ, 1998. С. 207-216.

М.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.

15.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.

16. 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.

17. 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.

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

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

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

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

22. 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.

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

24. 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.

25. 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.

Карев Владимир Иосифович

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 08.06.2010 г. Заказ № 31-2010 г. 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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ СКВАЖИНЫ.

1.1 Напряженное состояние в окрестности скважины при проведении различных технологических операций.

1.2 Описание экспериментальной установки.

1.3 Базовые программы нагружения образцов.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. 57 2.1 Классификация горных пород с точки зрения влияния напряжений на их проницаемость.

2.2 Выбор оптимальных технологических параметров при разработке месторождения на основе исследования свойств породы.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ДВУХФАЗНОЙ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ УГЛЕВОДОРОДНОЙ СМЕСИ В СКВАЖИНУ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОРОДЫ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СКВАЖИНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ. 87 3.1 Интегральная и дифференциальная схемы многофазной многокомпонентной фильтрации.

3.2 Оценка эффективности метода георыхления на газо-конденсатных месторождениях.

3.3 Алгоритм расчета.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН - МЕТОД

ГЕОРЫХЛЕНИЯ.

4.1 Описание технологии.

4.2 Практическая реализация.

Повышение дебита нефтяных и газовых скважин всегда было и остается важнейшей проблемой нефтегазодобывающей отрасли. Простые расчеты показывают, что ухудшение фильтрационных свойств продуктивного пласта даже в небольшой окрестности скважины существенно снижает ее продуктивность. Одной из основных причин уменьшения проницаемости в призабойной зоне скважины (ПЗС) является кольматация при бурении. Загрязнение фильтрационных каналов происходит и при эксплуатации скважины в результате их заиливания, запарафинивания, что также приводит к уменьшению проницаемости породы и снижению дебитов скважин. Однако, существует еще одна важная причина значительного падения проницаемости в окрестности скважины и, соответственно, дебита скважин -влияние напряжений на фильтрационные свойства породы.

Проницаемость среды определяется геометрией фильтрационных каналов, силами трения, возникающими между флюидом и твердым скелетом, капиллярными силами, кроме того, при определенных условиях (больших градиентах давления) свой вклад могут вносить силы инерции. Главную роль, особенно при небольших скоростях течения флюида в пласте, которые обычно имеют место в нефтяных и газовых пластах при их разработке, играют размеры и геометрическая форма фильтрационных каналов. Именно на них существенное влияние оказывает изменение напряженно-деформированного состояния среды. Если фильтрационные каналы представляют собой трещины, то напряжения, нормальные к их плоскостям, и давление флюида будут менять их раскрытие. Однако, если при этом не будет происходить роста трещин или смещения их берегов друг относительно друга, то такое изменение обратимо. С практической точки зрения, в частности, для увеличения нефтегазоотдачи пластов и продуктивности скважин большое значение имеют необратимые изменения проницаемости, связанные с изменением структуры среды. Такие изменения проницаемости- могут происходить как в сторону увеличения, так и уменьшения. При наличии в составе горной породы глин, представляющих собой мелкодисперсную субстанцию, при росте касательных напряжений и смещении- берегов трещин друг относительно друга будет происходить «заплывание» фильтрационных^ каналов и понижение проницаемости. При достижении касательных напряжений некоторого критического уровня, который' определяется, свойствами^ породы, будет происходить интенсивное неупругое деформирование, сопровождающееся образованием« и« ростом трещин, дезинтеграцией зерен грунтового скелета, что приведет к повышению проницаемости. Ответить на вопрос, как влияет напряженное состояние на проницаемость породы конкретного месторождения, на фильтрационный процесс и, в конечном счете, на дебит скважин, невозможно без проведения испытаний пород и определения их свойств. Такую возможность предоставляет созданная в Институте проблем механики Российской академии наук под руководством академика С.А.Христиановича уникальная экспериментальная установка — Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Она позволяет в образцах породы создавать любые напряженные состояния, возникающие в продуктивном пласте в ходе проведения тех или иных технологических операций, и измерять, как при этом меняется ее проницаемость.

Целями работы были: экспериментальное исследование влияния напряженно-деформированного состояния горных пород, составляющих коллектора нефтяных и газовых месторождений, на фильтрационные свойства; теоретический анализ фильтрации углеводородного флюида в скважину с учетом структурных изменений, которые могут происходить в породе при изменении напряженного состояния в окрестности скважины. развитие научно обоснованного подхода к разработке новых экологически чистых, экономичных и эффективных методов повышения продуктивности скважин и газо-нефтеотдачи пластов, основанных на управлении напряженно-деформированным состоянием, в окрестности скважины.

Идея работы состоит втом, что фильтрационные течения в горных породах определяются их микро-трещиноватопористой структурой и решающую роль играют действующие в породе напряжения, изменения которых могут приводить как увеличению проницаемости, так и к ее уменьшению, причем необратимому. Растрескивание, разрыхление породы- и, соответственно, необратимое увеличение проницаемости можно- вызвать, используя упругую энергию, запасенную самой природой, - горное давление и давление пластового флюида, осуществляя направленную разгрузку пласта.

Теория фильтрации начала развиваться» с открытием в середине прошлого века французским инженером Дарси прямо пропорциональной зависимости между расходом жидкости' через слой мелких частиц и-перепадом^ давления. Закон Дарси имеет весьма широкую область применения, и на его основе получены основные результаты теории фильтрации, в том числе и применительно к нефтяным и газовым пластам.

Развитие теории фильтрации в конце XIX и начале XX века стимулировала необходимость разработки теории движения грунтовых вод. Используя,закон Дарси, французский ученый Дюпюи разработал гидравлическую (квазиодномерную) теорию установившегося течения грунтовых вод. Последующее развитие теории решения плоских задач установившегося течения грунтовых вод путем сведения уравнений движения к уравнению Лапласа связано, главным образом, с трудами австрийского исследователя Ф.Форхгеймера. Гидравлическая теория неустановившегося движения грунтовых вод была развита во Франции Ж.Буссинеском,

Общепринятую в настоящее время форму уравнение, выражающее закон Дарси, получило в исследованиях американского гидрогеолога Ч.Сликтера. Он ввел коэффициент проницаемости, имеющий размерность площади; и начал изучение геометрии порового пространства.

Общие, уравнения течения несжимаемой жидкости в недеформи-руемой пористой среде рассмотрены в. работе Н.Е.Жуковского [1]. Для-их вывода' он использовал уравнения Эйлера, выписанные относительно ос-редненной скорости течения! в поровых каналах с добавлением в них вместо сил вязкого трения, объемных сил» сопротивления, пропорциональных, согласно закону Дарси, скорости потока.

Уравнения движения1 несжимаемой, жидкости; были« обобщены в 20-х годах Лейбензоном [2] на течение газа. Им также впервые были введены уравнения, турбулентной фильтрации. Математическая теория; плоского течения несжимаемой жидкости в пористых средах.получила принципиальное, развитие в исследованиях Н.Н:Павловского [3]. Многие задачи подземной гидравлики были-впервые сформулированы им как краевые задачи ^математической', физики, для их. решения он применял методы теории функций комплексного переменного. Н:Н:Павловский также практически разработал метод электрогидродинамических аналогий, который впоследствии использовался для решения задач фильтрации: в, нефтяном- пласте. Дальнейшее развитие математической теории плоского движения) несжимаемой жидкости, опирающееся на применение методов теории функций, было сделано в 30-х - 40-х годах в работах П.Я.Полубариновой-Кочиной [4], В.В.Ведерникова [5].

Начиная с 40-х годов, в связи с быстрым ростом масштабов нефте-и газодобычи и необходимостью разработки теории фильтрации в нефте- и газосодержащих пластах в СССР активно развиваются методы расчета задач нефтяной подземной гидродинамики [6-8] и др. Существенной особенностью нефте - и газосодержащих пород, имеющих трещиноватую структуру, является то, что движение жидкости в них обеспечивается во многом благодаря наличию связной системы трещин. Основные представления теории фильтрации в трещиновато-пористой среде были сформулированы Г.И.Баренблатгом, Ю.П.Желтовым, И.Н.Кочиной [9]. Отказавшись от различных простейших моделей пористой среды (идеальный грунт, фиктивный грунт и т.д.), как пригодных в основном для качественногорассмот-рения явления фильтрации, авторы рассматривают трещиноватую горную породу как непрерывную, сложную среду, состоящую, в свою очередь, из двух сред, вложенных одна в другую, каждая из которых дает вклад в суммарную пористость и проницаемость.

Достаточно подробное изложение вопросов фильтрации жидкости и газа в недеформируемой. пористой среде, сделанное на-единой методологической основе, можно найти в книгах В.И.Аравина и С.НЩумерова [10], А.Е.Шейдегера [11], Р.Коллинза [12]. Среди крупных работ, затрагивающих важнейшие вопросы теории фильтрации, можно назвать также монографию М.Маскета [13], освещающую движение однородной и неоднородной жидкости в пористой среде. Методы, решения задач нестационарной фильтрации жидкости, газа и многокомпонентных систем довольно полно описаны в книге Г.И.Баренблатта, В.М.Ентова шВ'.М.Рыжика [14].

Учет деформаций скелета пористой средьь при рассмотрении вопросов фильтрации проводился первоначально в рамках теории- фильтрационной консолидации [15,16]. Этот термин возник в механике грунтов и подразумевает процесс осадки пористой, деформируемой среды, содержащей вязкую жидкость, под действием нагрузки. В модели, лежащей в основе этой, теории, грунтовый скелет предполагался линейно деформируемым, а фильтрация описывалась при помощи закона Дарси (К.Терцаги), либо уточненного с учетом деформируемости грунтового скелета закона Дарси-Герсеванова. Терцаги впервые было введено понятие эффективных напряжений. Одновременно с начала прошлого века развивался еще один подход к описанию механики насыщенных пористо-упругих сред, связанный с именем П. Филунгера [17]. Он основан на аксиоме о несмешивающихся взаимопроникающих континуумах с внутренним взаимодействием.

Дальнейшее развитие теория фильтрационной консолидации получила в работах В.А.Флорина [18] и М.Био [19]. В предложенных ими независимо друг от друга теоретических моделях были учтены силовые воздействия фильтрационного потока на грунтовый скелет, зависимость фильтрационных характеристик процесса« от изменения пористости, существование фильтрационного порога, (минимального- градиента' давления), сжимаемость жидкости^ обусловленную присутствием в ней газа:

Био развил теорию, пористых сред, насыщенных вязкой жидкостью, на случай трехмерных задач. Его теория является расширением классической теоришупругости? на случай* двухфазной среды с учетом ввода дополнительных параметров, учитывающих взаимодействие фаз. Био применил принцип соответствия, согласно которому, «уравнения, описывающие механику пористых сред, будут формально такими же, как и для упругих или вязкоупругих систем, при условии, что-упругие коэффициенты заменены соответствующими операторами» [20].

Теория консолидации была развита Био на случаи анизотропного упругого и вязкоупругого скелета [21]. Исторический' обзор исследований, посвященных описанию насыщенных пористых сред,дан в работе Де Боера [22].

Общие уравнения движения жидкости в линейно деформируемой среде были выведены Я.И.Френкелем [23]. Несколько позже эти уравнения были подробно рассмотрены в работах В. Н. Николаевского [24-26]. Независимо была развита так называемая теория «упругого режима» фильтрации, в которой рассматривалось движение упругой слабо сжимаемой жидкости в упругой пористой среде. Постановка основных задач теории упругого режима была дана в работах Тейса [27], Джекоба [28], применительно к вопросам нефтяной подземной гидродинамики В.Н.Щелкачева [29,30].

При рассмотрении фильтрации в трещиноватых и пористых средах важное место занимает вопрос о сжимаемости таких сред. Изучение деформационных свойств пористых сред шло параллельно развитию теории фильтрации в пористых средах. Основные этапы развития исследований в этом направлении отражены в [31]. Для описания упругих пористых сред исследователями предлагались различные модели^ состоящие из частиц сферической формы, упруго взаимодействующих между собой [32,33]. Однако, экспериментальная проверка этих моделей показала, что в количественном отношении они оказываются недостаточными для описания всего разнообразия упругих свойств реальных пористых сред.

В ходе дальнейших теоретических и экспериментальных исследований наибольшее распространение получило представление о пористой среде, как о сплошной среде с непрерывно распределенными свойствами.

Х.Шуманом [34] в результате проведенного им микроскопического исследования шлифов впервые был сделан вывод о щелевидном характере фильтрационных каналов реальных пористых сред. Это предположение было подтверждено Г.Ридером [35], который экспериментальным путем установил, что коэффициент проницаемости образцов пористых пород пропорционален третьей степени раскрытия пор-трещин. Это обстоятельство следует считать веским аргументом в пользу представлений о пористой среде, как о системе фильтрационных каналов, по своей форме приближающихся к трещинам. В работе [36] исследовалось влияние трещин на эффективные характеристики среды. На фоне других неоднородностей трещины выделяются тем, что при даже небольших деформациях, их наличие в среде может давать резкие нелинейные эффекты.

В последние десятилетия в теорию фильтрации жидкостей и газов в деформируемых пористых средах активно внедряются методы механики сплошных гетерогенных сред. Начало этому направлению было положено в работе Х.А.Рахматулина [37], предложившего замкнутую систему уравнений взаимопроникающего движения многофазной смеси сжимаемых фаз, которая включала уравнения сохранения массы и импульса для каждой фазы. Следует отметить также работу Р.И.Нигматулина [38], где насыщенная пористая среда рассматривается как гетерогенная смесь с эффектом прочности одной из фаз.

В нефтегазовой отрасли вопросам влияния напряженно-деформированного состояния на фильтрационные характеристики горных пород уделялось недостаточно внимания. Хотя при разведке и эксплуатации месторождений, особенно на больших глубинах, выявлено, что концентрации горных напряжений в прискважинной зоне существенно влияют на проницаемость пластов, процессы фильтрации и, соответственно, на интенсивность нефтегазопритоков в скважину.

Серьезный вклад в понимание влияния напряженно-деформированного состояния на фильтрационные свойства природных сред внесли исследования С.А.Христиановича, Р.Л.Салганика, С.В.Кузнецова, связанные с проблемой внезапных выбросов угля, породы и газа [39-42]. Из практики разработки угольных месторождений был известен целый ряд фактов существенного изменения проницаемости угольных пластов, которые можно было объяснить только влиянием напряженно-деформированного состояния. Например, такие широко используемые противовыбросные мероприятия, как подработка и надработка выбросо-опасных платов [43,44]. Они заключаются в предварительной отработке пластов, лежащих выше или ниже выбросоопасного пласта. При этом происходит его разгрузка в направлении перпендикулярном напластованию. В результате под действием давления газа, содержащегося в порах и трещинах угольного пласта, происходит рост трещин в плоскостях, параллельных напластованию. Образуется новая связная система фильтрационных каналов и проницаемость вдоль пласта существенно возрастает. При отработке такого пласта происходит его дегазация посредством выхода газа через забой лавы и опасность выброса уменьшается. С.А.Христиановичем была предложена модель, объясняющая механизм внезапного выброса угля и газа, центральное место в которой занимает влияние напряженно-деформированное состояние угольного пласта на его фильтрационные свойства. В нетронутом состоянии угольный пласт не фильтрует — газ содержится в изолированных порах и трещинах под давлением, близким к горному. При проведении тех или иных горно-технических работ, бурении скважин, проходки- выработок, происходит изменение напряженно-деформированного состояния - в направлении, перпендикулярном открытой- поверхности, происходит разгрузка пласта. Это приводит к образованию в пласте системы трещин, ориентированной параллельно свободной поверхности. При определенных условиях в этой ¡зоне может возникнуть связная система фильтрационных каналов с резко анизотропной проницаемостью, сильно зависящей от давления газа, причем в направлении к свободной поверхности, перпендикулярном плоскостям трещин, проницаемость значительно меньше, чем в направлении вдоль трещин. Как показали расчеты, на берега трещин действуют значительные отрывающие силы, так как площадь поверхности трещин сильно увеличивается при незначительном увеличении* объема [45]. Образование ориентированной системы трещин и является, причиной возникновения выброса, его механизм тесно связан с изменением структуры среды и ее фильтрационных свойств под* действием напряжений. Непосредственно у поверхности выработки или» скважины, где значения касательных напряжений особенно велики, образуется зона перемятого разрушенного угля с высокой изотропной проницаемостью, слабо зависящей от напряжений и давления газа. Она играет роль защитной «пробки», удерживающей выброс.

В песчаниках и карбонатах, составляющих коллектора нефтяных и газовых месторождений, проницаемость также может сильно зависеть от напряжений. Конечно, их свойства отличаются от угля, и могут быть очень разнообразны. В связи со значительным влиянием на дебит скважин проблема влияния напряжений на фильтрационные свойства пород требует серьезного изучения.

Исследования динамики упругих полей в массивах горных пород, механики разрушения геоматериалов проводились в связи с проблемой прогнозирования землетрясений, как у нас в стране, так и зарубежом. В работах американского ученого Дж. Райса [46,47] дан обзор достижений математической* теории разрушения горных пород в очаге землетрясения. Выявлена роль уровня^ сдвиговых напряжений в земной коре идилатансии, т.е. увеличения пустотности геоматериалов при сдвиге.

Был проведен, целый' ряд теоретических исследований и расчетов фильтрации в нефте- и газосодержащих пластах с учетом влияния напряженно-деформированного состояния. Так, например; в [48] проведен анализ» фильтрации нефти-; в скважину с учетом деформаций пласта и напряженно-деформированного состояния вмещающих горных пород при слабом изменении модуля Юнга пласта по его простиранию. Расчет основан на построении интегрального оператора, связывающего деформации пласта в толще горных пород и давление в нем, при этом анализ фильтрационного течения^ сводится к решению задачи Коши для нелинейного дифференциального уравнения-в частных производных параболического типа с коэффициентами, зависящими от упомянутого оператора.

Лабораторные исследования проницаемости пород в условиях, моделирующих прискважинную зону, выполнялись в нашей стране с начала шестидесятых годов Институтом ВНИИОкеанология при участии ВНИМИ. [49]. Однако, нагружение образцов в этих исследованиях проводилось по кармановской схеме, т.е. цилиндрический образец нагружался независимо по оси и по боковой поверхности. Такие испытания, не могут в полной мере воспроизвести напряженное состояние, возникающее в окрестности скважины при различных конструкциях забоя. Оригинальная кинематическая схема установки ИСТИН позволяет нагружать образец независимо по трем осям и таким образом моделировать любое напряженное состояние. При этом измерять в реальном времени, как меняется проницаемость породы.

В мире есть всего несколько лабораторий, обладающих установками с действительно трехосным независимым (неравнокомпонентным) нагруже-нием. Наиболее продвинутая из таких установок создана в лаборатории динамики разрушения горных пород в 2007 году в институте Ласонде при университете Торонто. Она представляет, собой мощный пресс, оборудованный системами, измерения проницаемости, скорости распространения, волн, температуры, удельного сопротивления, а также системой мониторинга акустической эмиссии [50,51]. Однако; в нагружающем.узле испытательной системы применены так называемые жесткие нажимные плиты, наконечники которых могут перемещаться только в направлении оси сжатия. Поэтому, для того чтобы при деформации образца нажимные плиты не мешали друг другу, ребро испытываемого кубического образца несколько больше, чем ребро наконечника нажимной плиты, и нагрузка прикладывается не по всей площади грани образца. При этом невозможно создать в образце однородное напряженное состояние, необходимо учитывать краевые эффекты. В ИСТНН нагрузка прикладывается по всей площади грани образца.

В' нефтяной промышленности, имеется-успешный, практический* опыт управления напряженным состоянием в прискважинной зоне с целью увеличения ее проницаемости. В семидесятых годах был разработан метод щелевой разгрузки и вскрытия продуктивных пластов — ЩРП! [52]. Основой технологии ЩРП является управление величиной касательных напряжений, возникших в прискважинной зоне в результате бурения скважины. При этом разгружающая полость формируется вдоль вертикальной оси скважины путем прорезания в продуктивном пласте двух радиальных щелей, ориентированных в диаметрально противоположные стороны. Метод, начиная с 1974 г., прошел промышленные и опытно-промышленные испытания более чем на 1000 скважинах глубиной до 6 км со вскрытием более 2500 продуктивных пластов на многих месторождениях нефти и газа. При этом достигнуто увеличение притоков флюида в скважину в 1,5 - 5 и более раз. Метод позволяет увеличить текущую и конечную нефтеотдачу месторождений.

В данной работе ставились следующие задачи: проведение анализа напряженного состояния' в окрестности^ скважины, при различных конструкциях забоя; разработка методики экспериментального исследования фильтрационных свойств горных пород для' определения оптимального с точки? зрения повышения дебита скважины воздействия на пласт; установление зависимости фильтрационных свойств различных типов горных пород от вида и уровня напряженно-деформированного состояния; разработка математической модели фильтрации двухфазной углеводородной смеси в скважину с учетом зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине; разработка новой технологии повышения дебитов нефтяных и газовых скважин, основанной на использовании упругой энергии* массива горных пород и давления пластового флюида за счет направленной разгрузки пласта.

Структура работы следующая.

В гл. 1 рассмотрено напряженное состояние в окрестности скважины и его изменение при увеличении депрессии для различных вариантов конструкции забоя: открытый ствол, обсаженный ствол, наличие перфорации, горизонтальных, вертикальных щелей. Приведены способы и результаты расчета напряжений в окрестности скважины.

Дано описание экспериментальной установки - Испытательной системы трехосного независимого нагружения, на которой осуществлялось физическое моделирование процессов, происходящих в окрестности скважины при проведении различных технологических операций, и исследовалось влияние напряжений на фильтрацию для различных типов пород.

Представлены основные программы нагружения образцов, моделирующие условия сжатия породы при увеличении депрессии в скважине: программа 1 — напряжения в окрестности открытого ствола скважины, «обобщенный, сдвиг»; программа 2 — напряжения в окрестности сферической'полости; «обобщенное растяжение»; программа 3 — напряжения в окрестности горизонтальной щели, «обобщенное сжатие»;

В гл. Xдан анализ большого цикла экспериментальных исследований' влияния^ напряженно-деформированного состояния на проницаемость для различных типов горных пород из коллекторов нефтяных и газовых месторождений. Эти работы позволили установить, что проницаемость пород существенно зависит от напряженно-деформированного состояния. При, этом' в зависимости, от типа породы и величины напряжений проницаемость породы, может как уменьшаться, так и увеличиваться, причем этот процесс может быть необратимым. Были проведены исследования свойств пород месторождений из различных регионов Российской Федерации, разного литологического состава, залегающих на глубинах от ста метров до четырех километров, с разным коэффициентом аномальности пластового давления. По реакции на изменение напряжено-деформированного состояния выделено три категории пород.

Породы первой категории представляют собой плотные крепко сцементированные мелкозернистые песчаники, аргиллиты, доломиты и т.п. Эти породы деформируются под действием приложенных напряжений чисто упруго. Проницаемость их по мере роста напряжений уменьшается, но обратимо, т.е. после снятия напряжений она возвращается к начальному значению.

Вторую категорию составляют мелко- и среднезернистые песчаники с небольшим содержанием глины, алевролиты и известняки. Эти породы ' при небольших депрессиях также деформируются упруго, их проницаемость при этом, как правило, не меняется или немного уменьшается. При достижении депрессией определенной величины, которая зависит от свойств породы, условий» залегания, пластового давления^ и других факторов, начинается неупругое деформирование породы при неизменной нагрузке (ползучесть). По мере роста неупругих деформаций проницаемость породы значительно уменьшается (на десятки процентов и даже в разы). Это падение проницаемости носит необратимый характер, toi есть, при снятии напряжений она остается пониженной. При дальнейшем увеличении сдвиговых напряжений; (при увеличении депрессии) скорость ползучести увеличивается, и, когда деформация; достигает некоторой критической величины, порода начинает растрескиваться и'разрушаться, что сопровождается резким увеличением ее проницаемости даже по сравнению с первоначальным значением.

К третьей категории относятся песчаники с большим содержанием глины. Такие породы уже при незначительных депрессиях начинают интенсивно «ползти», а проницаемость их при этом резко падает. Однако даже при значительных деформациях разрушение образцов не наступает, они продолжают деформироваться практически с постоянной скоростью (подобно пластилину), а проницаемость их при этом постепенно уменьшается.

На основании результатов испытаний образцов различных пород на установке ИСТИН сделан ряд практически важных выводов по выбору оптимального способа воздействия на пласт с целью увеличения дебита скважин.

Дано научное обоснование новой технологии увеличения продуктивности скважин - метода георыхления.

В гл. 3 решена задача о фильтрации двухфазной многокомпонентной углеводородной смеси для оценки эффективности применения метода георыхления на газоконденсатных месторождениях. Метод георыхления — технология повышения продуктивности скважин обеспечивает увеличение проницаемости призабойной зоны скважины за счет направленной разгрузки пласта. Инициация процесса георыхления требует создания на забое скважины глубоких депрессий, в результате в окрестности скважины происходит накопление; ретроградного конденсата, , что ^приводит к умень шению фазовой проницаемости^ коллектора по газу. Существование этих двух разнонаправленных с точки зрения изменения« проницаемости процессов! необходимо учитывать, при» использовании данного метода для га-зоконденсатных месторождений.

В связи с изменением химического состава смеси в процессе конденсации и действием капиллярных сил содержание фаз в. каждой точке и в каждый момент времени не является равновесным! и, следовательно, не может быть определено непосредственно из фазовой диаграммы вещества. Для описания фильтрации смеси применялась дифференциальная схема; согласно которой^ в отличие от интегральной; задается закономерность перехода в жидкую фазу для приращений, а не для' самих величин давления и объема.

Модель учитывает изменение фильтрационных свойств породы в. зависимости от напряженного состояния в окрестности скважины и связанного с ним деформирования и разрушения грунтового? скелета коллектора.

На испытательном стенде были проведены испытания* образцов пород? из коллектора Астраханского газоконденсатного- месторождения (АГКМ). На ИСТНН в них создавалось напряженное состояние, возникающее в окрестности открытого ствола скважины и вблизи перфорационных отверстий при увеличении депрессии на забое. Испытания позволили определить, что при создании депрессии 35-40 МПа происходит неупругое деформирование породы и резкое необратимое увеличение ее проницаемости.

Были проведены расчеты установившегося режима фильтрации пластового флюида для условий АГКМ при давлении на забое скважины, соответствующем эксплутационному значению депрессии 20 МПа, до и после проведения работ по методу георыхления. Они показали, что создание больших депрессий и связанная с ним ретроградная конденсация^ухудшает эксплуатационные характеристики скважины по сравнению с идеальной скважиной даже при наличии зоны георыхления, однако для реальной скважины с ухудшенной призабойной зоной применение метода георыхления дает заметный эффект. Насколько сильно вырастет проницаемость в результате георыхления, не имеет большого значения. Важно, чтобы разрыхленная зона была больше или одинакова по размеру с зоной кольмата-ции, т.е. чтобы вокруг скважины не оставалось плохо проницаемой области, в противном случае эффект георыхления незначителен.

В гл 4. представлена новая технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод георыхления, приведены результаты опытно-промысловых испытаний.

Целью метода георыхления является увеличение проницаемости призабойной части пласта. Но достигается это не за счет восстановления проницаемости природных фильтрационных каналов, что зачастую оказывается невозможным; а за счет искусственного создания в ПЗП разветвленной системы трещин, которая и будет играть роль новой системы фильтрационных каналов. Причем проницаемость этой новой системы фильтрационных каналов может значительно превосходить естественную проницаемость пласта.

Растрескивание, разрыхление породы в ПЗП вызывается за счет использования упругой энергии, запасенной в массиве горных пород (горного давления), и энергии пластовой жидкости. Для этого вокруг скважины надо сформировать заданный вид напряженного состояния путем создания депрессии определенного уровня и поддержания ее в течение расчетного времени. Инициирование процесса георыхления может потребовать также проведения ряда предварительных технологических операций. Таких, например, как вырезание участка обсадной колонны в продуктивном интервале ствола скважины, перфорации определенного типа и плотности, нарезания щелей заданной ориентации и др. Уровень депрессии и необходимые технологические операции определяются путем проведения испытаний породы коллектора месторождения на ИСТИН.

Метод георыхления успешно применялся на нескольких десятках скважин месторождений Западной Сибири и Пермской области при освоении-скважин, капитальном, ремонте добывающих скважин-и капитальном ремонте нагнетательных скважин. Практика показала'эффективность» разработанной новой технологии — опытно-промысловые испытания на различных месторождениях позволили, получить кратное увеличение продук-тивностискважин.

Основные результаты<•работы можно сформулировать следующим образом.

Разработана методика экспериментального исследования деформационных, прочностных и фильтрационных свойств горных пород в условиях трехкомпонентного независимого нагружения на ИСТИН.

Выделено три основных типа пород коллекторов нефтяных и газовых месторождений по их реакции с точки зрения проницаемости на изменение напряженного состояния. Разработана методология выбора оптимальных для конкретного месторождения методов повышения продуктивности скважин и газонефтеотдачи пластов, которая включает в себя определение конструкции забоя скважины, уровня депрессии, а также последовательности технологических операций необходимых для улучшения или, когда это невозможно, сохранения фильтрационных свойств в окрестности скважины.

Решена задача о фильтрации газоконденсатного флюида в скважину при наличии ретроградной конденсации и зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине. Проведены параметрические расчеты установившегося режима работы скважины для условий АГКМ. Показана эффективность применения методов, основанных на управлении напряженным состоянием в окрестности скважины, в частности, метода георыхления, на газоконденсатных месторождениях.

Разработана и опробована» на ряде месторождений новая» технология повышения? дебитов нефтяных и < газовых скважин^ .основанная на направленной разгрузке пласта, - метод» георыхления. Практика показала, что технология-дает, кратное увеличение дебита скважин:

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

Основные результаты диссертации: опубликованы в следующих работах, первые 11 из списка входят в перечень ВАК:

1. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Теоретическая модель фильтрации газа в газонасыщенных угольных пластах // ФТПРПИ. - 1988. № 6. -С. 47-55.

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

3. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Динамика газовыделения из угольного пласта при проходке выработки и выбросоопасность ситуации // ФТПРПИ.-2001. № 1.-С. 56-63.

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

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

6. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Негомедзянов В:Рг, Харламов К.Н. Исследование и прогнозирование устойчивости горных пород, в горизонтальных скважинах баженовских отложений, бурящихся в условиях депрессии // Технологии ТЭК. — 2004. № 5. — С. 18-231

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Карев В.И., Устинов К.Б. Фильтрация газоконденсатной смеси при применении метода георыхления // ПММ. Том 73. Вып. 5, — 2009. — С. 787- 798.

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

13. Христианович С.А., Карев В.И. К расчету установившегося течения в скважине при наличии выделения газа'из нефти (газлифта). В.кн. Христианович С.А. Избранные работы. М.: Изд-во Наука — Изд-во МФТИ, 1998. - С. 207-216.

14. Карев В.И:, Коваленко Ю.Ф. Развитие модели фильтрации! газа в газонасыщенных угольных пластах.- Труды У11Г международной научной школы "Деформирование и* разрушение материалов, с дефектами и динамические явления в*горных породах и выработках". Симферопольский государственный университет. 1998. - С. 57-58.

15. 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.

16. 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: Аннотации докл. УПЪВсерос. съезд по теоретической и прикладной механике. - Пермь: ИМСС РАН, 2001. - С. 309-310.

17. 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.

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

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

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

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

22. Карев В:И., Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород в окрестности наклонно направленных нефтяных и газовых скважин с. учетом анизотропии упругих и прочностных свойств пород: Аннотации докл. IX Всерос. съезд по теоретической и прикладной механике. -Нижний Новгород: НГУ, 2006. Т. 3. - С. 105-196. .

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

24. 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:

25. 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.

В результате выполненных исследований получены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых, вносит значительный вклад в развитие нефтегазовой отрасли страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на проницаемость, фильтрационный процесс и, в конечном счете, на дебит скважины.

Разработана методика экспериментального исследования деформационных, прочностных и фильтрационных свойств горных пород на Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТИН). Она включает в себя расчет напряженного состояния в окрестности скважины для различных конструкций забоя и его изменения при увеличении депрессии. В простых случаях он проводится аналитически, например, напряжения в окрестности необсаженного ствола скважины рассчитываются по известному решению задачи Ламэ. В более сложных проводятся численные расчеты с использованием, например, пакета программ ANS YS. Затем на основе проведенных расчетов составляются программы нагружения образцов. В работе приведены три базовые программы, моделирующие основные конструкции забоя скважины: открытый ствол, сферическая полость (кончик перфорационного отверстия), горизонтальная щель. По разработанным программам на образцах породы из коллектора месторождения проводится физическое моделирование на ИСТИН условий, возникающих в окрестности скважины при увеличении депрессии для различных конструкций забоя. В процессе испытаний определяется зависимость проницаемости породы коллектора от уровня депрессии.

На основе анализа результатов большого цикла испытаний, проведенных на породах коллекторов нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений из разных регионов России, залегающих на различных глубинах, предложена классификация пород по их реакции с точки зрения фильтрационных свойств на изменение напряженного состояния в зависимости от литологического состава и структуры. Выделено три категории горных пород, составляющих коллектора месторождений.

К первой категории относятся плотные крепко, сцементированные мелкозернистые песчаники, аргиллиты, доломиты и т.п. Эти, породы деформируются под действием приложенных напряжений чисто упруго. Проницаемость их по мере роста напряжений уменьшается^ но обратимо, после снятия напряжений онавозвращается к начальному значению.

Вторую категорию составляют мелко- средне- и крупнозернистые песчаники с небольшим содержанием глины, алевролиты и известняки. Эти' породы при достижении напряжениями'определенного уровня (определенной величины депрессии в скважине), который зависит от типа породы, условий залегания, пластового давления И[ других факторов, начинают деформироваться неупруго — «ползти». По мере роста неупругих деформаций проницаемость породы значительно уменьшается (на десятки процентов и даже в разы). Это падение проницаемости носит необратимый характер, то есть при снятии напряжений она остается пониженной: При. дальнейшем увеличении напряжений (при увеличении депрессии) скорость ползучести образов увеличивается, и, когда деформация, достигает некоторой критической величины, порода начинает растрескиваться и разрушаться, что сопровождается резким увеличением ее проницаемости даже по сравнению с первоначальным значением. Характер разрушения при этом различен. В более прочных породах разрушение образцов происходит путем образования в них нескольких макротрещин. Менее прочные породы, такие как средне- и крупнозернистые песчаники, при разрушении практически превращаются в песок (дезинтегрируются).

К третьей категории относятся песчаники с большим содержанием глины. Такие породы уже при незначительных депрессиях начинают интенсивно «ползти», а проницаемость их при этом резко падает. Однако даже при значительных деформациях разрушение образцов не наступает, они продолжают деформироваться практически с постоянной скоростью, а проницаемость их при этом постепенно необратимо уменьшается.

Для каждой из категорий предложены рекомендации по выбору оптимальных методов повышения продуктивности скважин и нефтегазоотда-чи пластов.

Предложено решение задачи о фильтрации газоконденсатного флюида в скважину при наличии ретроградной конденсации и зависимости проницаемости породы коллектора от давления в скважине. Явление ретроградной конденсации заключается в выпадении в пласте конденсата в зонах, где давление опускается ниже некоторого критического значения. Инициация процесса георыхления, направленного на увеличение абсолютной проницаемости пласта, требует создания на забое скважины глубоких депрессий, в результате в ПЗС происходит накопление ретроградного конденсата, что приводит к уменьшению фазовой проницаемости коллектора по газу. Построена математическая модель фильтрации двухфазной многокомпонентной смеси, учитывающая существование этих двух разнонаправленных с точки зрения изменения проницаемости процессов. При разработке модели использован дифференциальный подход. В силу капиллярных связей жидкой фазы со скелетом и конечности скорости перемешивания компонент в жидкой фазе относительное содержание фаз в каждой точке и в каждый момент времени не является равновесным. Однако, в каждой порции газа при изменении давления происходит фазовое превращение согласно фазовой диаграмме, т.е. условие фазового равновесия справедливо не для самих величин давления и объема фаз в смеси, а для их приращений. Определение величины давления в скважине, при которой происходит изменение проницаемости в призабойной зоне, осуществляется путем испытаний образцов породы данного месторождения на ИСТИН по разработанной методике. В модель также входят экспериментально определяемые зависимости, характеризующие свойства пластового флюида: газонасыщенности, фазовых плотностей, фазовых динамических вязкостей от давления и фазовых проницаемостей от газонасыщенности.

120

Проведены, параметрические расчеты дебита скважины для условий Астраханского газоконденсатного* месторождения. Они показали, что создание больших депрессий, необходимых для образования в окрестности скважины зоны повышенной проницаемости, и связанная с ним ретроградная конденсация ухудшает эксплуатационные характеристики скважины по сравнению с идеальной скважиной даже при наличии зоны георыхления, однако, для реальной- скважины с ухудшенной призабойной зоной применение метода георыхления дает заметный эффект.

Приведено описание новой технологии повышения дебитов нефтяных и газовых скважин, основанная на направленной разгрузке пласта — метода георыхления. Технология георыхления включает два этапа:

1. На первом этапе на образцах породы из коллектора месторождения проводится физическое моделирование на ИСТИН условий, возникающих в окрестности скважины при увеличении депрессии для различных конструкций забоя. В процессе испытаний определяется, зависимость проницаемости породы от уровня депрессии для различных конструкций забоя. Сопоставление результатов испытаний породы коллектора и расчетов позволяет выбрать оптимальные с точки зрения увеличения дебита скважины конструкцию забоя и уровень депрессии.

2. На втором этапе совместно со специалистами компании, разрабатывающей месторождение, составляется план работ и производятся работы на скважине. Реализация метода георыхления на скважине зависит от возможностей нефтепромысла и экономической целесообразности.

Приведены результаты промысловых испытаний технологии. Практика показала, что на необсаженных стволах обычно удается достичь 2 -4-х кратного увеличения дебита, на обсаженных стволах 1,5 — 2-х кратного увеличения. Продолжительность сохранения эффекта обычно составляет несколько месяцев - до года.

Технология получила положительную оценку руководства нефтегазодобывающей отрасли, а также отмечена высокими наградами на международных конкурсах изобретений.

1. Жуковский Н.Е. Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод. Собр. соч., Т. 3. М. - Л.: ГИТТЛ, 1949. - С. 184-206.

2. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л.: Гостехиздат, 1947. - 244 с.

3. Павловский H.H. Движение грунтовых вод. Собр. соч., Т. 2. М.-Л.: АН СССР, 1956.-771 с.

4. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. — М.: Наука, 1977. 664 с.

5. Ведерников В.В. Теория фильтрации и ее применение в области ирригации и дренажа. М.Л.: Госстройиздат, 1939. - 248 с.

6. Булыгин В.Я. Гидродинамика нефтяного пласта. — М.: Недра, 1974. 229 с.

7. Голубев Г.В., Тумашев Г.Г. Фильтрация несжимаемой жидкости в неоднородной пористой среде. Казань, 1972. - 195 с.

8. Гусейн-Заде М.И. Особенности движения жидкости в неоднородном пласте. М.: Недра, 1965. - 276 с.

9. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П., Кочина И.Н. Об основных представлениях теории фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах // ПММ. 1960. Т. 24. Вып. 5. - С. 852-864.

10. Ю.Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. — М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1953. — 616 с.ll.Scheidegger А.Т. The physics of flow through porous media. N.-Y., McMillan, 3d., 1974. 313 p.

11. Коллинз P. Течения жидкостей через пористые материалы. — М.: Мир, 1964.-350 с.

12. Маскет М. Течение однородной жидкости в пористой среде. М.-JL: Гостехиздат, 1949. - 628 с.

13. Н.Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. — М.: Недра, 1972. 288 с.

14. Терцаги К. Строительная механика грунтов.- M.-JL: Госстройиз-дат, 1933.-392 с.

15. Герсеванов Н.М: Основы динамики грунтовой массы. — М.-Л.: ОНТИ, 1937.-242 с.

16. Fillunger Р. Der Auftrieb von Talsperren, Teil I-III // Osterr. Wochenschrift fur den offentlicen Baudients. 1913. 7. S. 510-532.

17. Флорин B.A. Основы механики грунтов. — M.: Госстройиздат, Т. 1, 1959. 356 е.; Т. 2, 1961. - 543 с.

18. Biot М. А. General theory of three-dimensional consolidation // J. Appl. Phys., 1941. V. 12.-P. 155-164.

19. Био M. А. Механика деформирования и распространения акустических волн в пористой среде / Механика. Период, сб. переводов иностр. статей. 1963. № 82. С. 103-134.

20. Био М. А. Теория упругости и консолидации анизотропной пористой среды / Механика. Период, сб. переводов иностр. статей. 1957. — 1. № 35. С. 140-147.

21. De Boer R. Theory of porous media. Highlights in historical development and current state.- Berlin: Springer, 2000. 618 p.

22. Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве // Изв. АН СССР. Серия географ, и геофиз., 1944. Т. 8. №4.-С. 133-150.

23. Механика насыщенных пористых сред. / В.Н.Николаевский, К.С.Басниев, А.Т.Горбунов, Г.А.Зотов. -М.: Недра, 1970.-335 с.

24. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. — М:: Недра, 1984.-232 с.

25. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1996.-448 с.

26. Theiss Ch.V. The relation between the lourring of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using groundwater storage. Trans. Am. Geophys. Union, 1935. V.16. Pt 2. - P. 519524.

27. Jacob C.E. On the flow of water in an elastic artesian aquifer // Trans. Am. Geophys. Union, 1940. V. 21. P. 574-586.

28. Щелкачев В.Н. Основные уравнения движения упругой жидкости в упругой пористой среде // ДАН СССР, 1946. Т. 52. № 2. С. 103106.

29. Щелкачев В.Н. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме. М: Гостоптехиздат, 1959. - 467 с.

30. Роом Е.С. Фильтрационные свойства горных пород. — М: Недра, 1966.-283 с.

31. Brandt Н. A study of the speed of sound in porous granular media // J. Appl. Mech., 1955. V. 22. No. 4. P. 479- 486.

32. Fait J. Compressibility of sandstones at low to moderate pressures // BAAPG, V. 42. No. 8.

33. Shumann H. Die Raumdestaltung von gesteiporen "Erdol und Tectonic in Nordwestdeutschland". Hannover-Celle: Amtfur Bodenforthung. 1949.

34. Ryder H. Character of pores in oil sands // Word Oil, 1948. V. 127. No. 13.

35. Салганик P.JI. Механика тел с большим числом трещин // Изв. АН СССР, МТТ. 1973. № 4. С. 149-158.

36. Рахматуллин Х.А. Основы гидродинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред // ПММ: 1956. Т. 20. №<2. С. 183-195.

37. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч.' I. М:: Наука, 1987.-464 с.

38. Христианович С.А., Салганик P.JI. Внезапные выбросы угля (породы) и газа. Напряжения и деформации: Препринт № 153. ИПМ АН СССР, 1980. -88 с.

39. Христианович С.А., Салганик P.JI. Выбросоопасные ситуации, Дробление. Волна,выброса: Препринт № 152. ИПМ АН СССР, 1980. -44 с.

40. Кузнецов C.B. Напряженное состояние горного массива и его влияние на движение газа в угольных пластах: Дис. . докт. тех. наук. Донецк. 1968. АН УССР. Донецкий вычислительный центр.

41. Кузнецов C.B., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. М.: Наука, 1978. — 122 с.

42. Петухов И.М., Линьков A.M. Теоретические основы борьбы с выбросами угля, породы и газа // Уголь. 1975. № 9. - С. 9-15.

43. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа, М.: Недра, 1979. 296 с.

44. Коваленко Ю.Ф. Элементарный акт явления внезапного выброса. Выброс в скважину: Препринт № 145. ИПМ АН СССР, 1980. 44 с.

45. Костерин A.B., Скворцов Э.В., Торопова М.М. Напряженно-деформированное состояние горных пород и фильтрация в неоднородных пластах // Вычислительные технологии. — 1999. Т. 4. № 2. — С. 42-50.

46. Райс Дж. Р. Механика очага землетрясения. Пер. с англ./ Под ред. В.Н.Николаевского. М.: Мир, 1982. — 217 с.

47. Young R.P., Thompson* B.D. Imaging Dynamic Rock Fracture with Acoustic Emission and XRray Tomography // Proc of ljlth Congress of Int. Soc. for Rock Mechanics. Lisbon. 2007. July 9-13.

48. Иванов A.H. Интенсификация и восстановление производительности глубоких скважин управлением напряженным состоянием горных пород в прискважинной зоне по технологии ЩРП. www.asbur.ru/files/112056570248481.doc

49. Христианович С.А., Желтов Ю.П. О гидравлическом разрыве нефтеносного пласта // Изв. АН СССР. ОТН. 1955. № 5. С. 3-41.

50. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979. - 560 с.

51. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. — М.: Наука, 1977.-415 с.

52. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. М.: Недра, 1993. - 416 с.

53. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. Издание 3-е, дополненное. М.: Наука, 1976. - 584 с.

54. Брусиловский А.И: Решение автомодельной задачи о, нестационарной неизотермической' фильтрации N — компонентной системы* в-пористой среде с фазовыми переходами // Изв: ВУЗов. Нефть и газ. 1988. №11. — С.45-49;

55. Баренблатт Г.И., Басниев К.С., Кочина И.Н., Математическая модель фильтрации газоконденсатных смесей в трещиновато-пористой среде. Фильтрация неоднородных систем: Сб. науч. тр. / ВНИИГАЗ/ Отв. ред. К.С. Басниев. - М.: ВНИИГАЗ, 1988. - С.5-15.

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

57. Теория и практика заканчивания скважин. Т.1 / А.И.Булатов,

58. П.П.Макаренко, В.Ф.Будников и др. / Под ред. А.И.Булатова. М.:i1. Недра, 1997.-395 с.

59. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Теоретическая модель фильтрации газа в газонасыщенных угольных пластах // ФТПРПИ. 1988. № 6. — С.47-55.

60. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Одинцев В.Н. Механика гидрогазоим-пульсного воздействия на трещиновато-пористую породу при сква-жинной гидродобыче // ФТПРПИ. 1995. № 6.

61. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Динамика газовыделения из угольного пласта при проходке выработки и выбросоопасность ситуации // ФТПРПИ. 2001. № 1. С.56-63.

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

63. Климов Д:М;, Коваленко Ю.Ф:, Карев В.И. Реализация метода1 георыхления для увеличения! приемистости нагнетательной скважины» // Технологии ТЭК. 2003. № 4. С. 59-64.

64. Климов ДМ., 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.

65. Карев В.И., Устинов К.Б. Фильтрация газоконденсатной смеси при применении метода георыхления // ПММ. Том 73. Вып. 5, 2009. -С.787- 798.

66. 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.

67. 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.

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

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

70. Коваленко Ю.Ф., Кулинич Ю.В., Карев В.И. и др. Способ освоения скважин. Евразийский патент № 003452 от 26.06.2003.130

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

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

73. 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.

74. 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.

75. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСТИН

76. САУ обеспечивает в ходе проведения эксперимента реализацию перехода с управления по деформации на управление по напряжению (и наоборот).

77. Контроллер GAY имеет связь с внешним компьютером, что, позволяет в ходе проведения* эксперимента передавать данные на1 внешний компьютер и проводить их математическую обработку в реальном масштабе времени.

78. АППАРАТНОЕ УСТОРЙСТВО САУ.

79. САУ состоит из следующих модулей и узлов.

80. PXI-1010 — Шасси, с источником питания и внутренней шиной для установки PXL и SCXI модулей.

81. PXI-8185 — Контроллер (промышленный компьютер) с операционной системой Windows ХР, комплексом драйверов и программ для работы всех блоков САУ.

82. Три модуля сопряжения с датчиками SCXI-1*321 К нем могут подключаться как активные датчики (не требующие питания), так и пассивные.

83. Три модуля усиления сигналов датчиков SCXI-1121.

84. Модуль PXI-6025E многоканальное АЦП, производит аналого-цифровое преобразование сигналов датчиков от SCXI-1121.

85. Модуль трёхканального усилителя тока на базе модуля SCXI-1181.

86. PXI-6711 4-х канальный ЦАП, предназначен для преобразования сигнала управления из цифровой формы в аналоговую.

87. Три тензометрических датчика силы ДОС-1.

88. Три тензометрических или индуктивных датчика перемещения ДОС-2.

89. Три агрегата управления силовыми цилиндрами АУ-38Б.

90. Вспомогательные устройства — пульт ручного, управления, блоки питания.

91. Система автоматического управления состоит из трёх идентичных каналов управляющих тремя силовыми гидроцилиндрами. Рассмотрим работу САУ по одному из каналов.

92. В»контроллере сигнал ошибки математические масштабируется; интегрируется; дифференцируется, и суммируется^ сигналом. виртуального генератора' осцилляции золотника.

93. Полученный дискретный сигнал преобразуется^ в аналоговый ^модуле PXI-6711, после этого усиливается в модуле усилителя тока SCXI-1181 и поступает на агрегат управления АУ-38Б.

94. В процессоре программно организованы операции контроля сигналов с датчиков обратной связи и сигналов ошибки. При выходе их за установленные пределыработа САУ блокируется:

95. САУ формирует сигналы защиты и аварийной сигнализации по предельным значениям ошибки и сигналов с ДОС1 и ДОС2.

96. ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ САУ.

97. Для комфортной работы управляющего персонала все необходимые параметры настройки, измерения, регулирования, защиты выводятся на виртуальные панели управления на экране монитора и заносятся в память компьютера.

98. В процессе проведения эксперимента данные с датчиков обратной связи отражаются на виртуальной панели управления в цифровом и графическом виде.

99. Программное обеспечение (ПО) САУ разработано на базе пакета построения систем мониторинга Lab VIEW и реализовано для операционной системы Windows.

100. Рис. 1 Система автоматического управления ИСТИН.1 монитор, 2 - контроллер, 3 - внешний компьютер.136г'ГЖ, ~ //>л?.

101. Утверждаю: Главный инженер ТПП «Урцйнефтегач»1. М.Ф Луетовалов 1998 г.

102. ПРОТОКОЛ геолого-технического совещанияг.Урай

103. Присутствовали: Г1устова;юв М.Ф. Печеркин М.Ф. Скрылеи С.Л. Те мл ре; и С. В. Кпчкчш А.А. Демин 10.В.

104. В еоотнетстшш с решением геолого-техиического совещания от 02.09.97 г. и ут»орм:деииик1 планом мропелошш работ но скшшашс N7197 К-76 См-морькхекой площади были проведены опытно-промысловые работы по методу <<георыхление».

105. Основные данные по скважине: забои 2122мствол 172 мсредами угол ' 9.5 градпластоиое давление 214 атм.

106. С отчетом по проделанным работам выступил гендиректор НИЦ .•Геомеханика» Кмваленки Ю.Ф. Целью работ было:

107. Исследование нлидния величины депрессии в открытом стволе екпаяшны на фильтрацшжнк-емкоепше еиойства продуктивных пластов скважин.

108. Испытание метода ^георыхленпс» с целью повышения продумивностискважкиы.

109. Ролуль'1йты проведенных испытаний:. Ожидаемый дебит скв.7197 6,8 т/сут.

110. Слгллфнл данным лбраб&ткн КОД ^sнлr^й 1С. 12.97 ¿р&лу ь^.ау«^-шения испытаний на скважине N 7197 коэффициент продуктивности скважины ровен 0,55 м?/сут атм., дебнт нефти ЗОмЗ/сут. (см.Приложение).

111. Коваленко Ю.Ф. в срок до 25.01.98г. представить отчет по выполненным опытно промышленным работам на скважине N 7197.

112. Геологической службе ТПП УНГ и срок до 25.0Ы098г. выполнить сравнительный анализ эффективности проведения опытно-промышленных работ.

113. На основании отчета и анализа выполненных опытно -■ промышленных работ принять решение о целесообразности проведения *тнх работ в дальнейшем.1. После обсуждения решили:ч1. Протокол вел

114. Пластовое давление.: U'sE-i-ui j>iíia

115. Гидропроводность пласта». : i. £?£+00 ко, мкм*см/мП«»с«>1

116. Потери депрессии в око/юстзольной зоне :-3.7'áE+0l Pilla •¡»аьтичесний коаф-емт продуктивности. . : ó. 55В.+00 куfc>. м/сутмЦьч \G{\

117. Отношение продунтмвностей. : ¿7k£fi.»li Юткнциальный коэф-еит продуктивности, t e'át-Oi куь. м/сут+mi

118. JO I ÍOÜOO ib. 74 3. Üb o, bb'E-Ol £0 £6400 19. ¿u 7. 3¿ 3.01E-U1сст. : Сыморьяхск í'apwa. : Иске.'719? " т" • "" 1" Ш'йГёЦШЦуДр1. Ziih^uccA. :КВДпк