Геомеханика нефтяных и газовых скважин

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ....................................................6
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД НА ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ТРЕХОСНОГО НАЗАВИСИМОГО НАГРУЖЕНИЯ ИСТИН...........................................42
1.1 Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТИН)...........................................42
1.2 Определение на установке ИСТИН деформационных характеристик анизотропных горных пород...........52
1.3 Определение на установке ИСТИН прочностных характеристик горных пород.................................64
1.4. Проведение на установке ИСТИН испытаний по схеме «по схеме полый цилиндр»..........................77
1.5. Моделирование деформирования и разрушения породы в окрестности горизонтальной скважины при наличии бокового распора..................................86
1.6. Испытания по схеме «полый цилиндр» при наличии бокового распора..................................93
1.7. Влияние масштабного эффекта на механические свойства горных пород......................................98
ГЛАВА 2. МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ПРЯМОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОВОДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НАКЛОННЫХ И
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН.......................... 104
2.1 Механико-математическая модель устойчивости наклонных
скважин в слоистых горных породах................. 108
2
2.2 Прямое моделирование на установке ИСТИН устойчивости наклонных скважин.........................................122
2.2.1. Программа нагружения образцов при моделировании проводки наклонных скважин................................123
2.2.2. Методика моделирования проводки наклонной скважины..................................................125
2.3. Определение параметров бурения, обеспечивающих устойчивость стволов наклонных скважин Рогожинского месторождения.............................................126
2.3.1. Данные об образцах.................................126
2.3.2. Результаты прямого моделирования бурения наклонных скважин на установке ИСТНН................................131
2.4. Результаты испытаний образцов породы из скв.789 Рогожниковского месторождения на установке ИСТНН..........153
2.4.1. Напряжения в окрестности горизонтальной
скважины..................................................153
2.4.2. Программа нагружения образцов при моделировании бурения горизонтальных скважин............................157
2.5. Определение допустимых депрессий при бурении горизонтальных скважин на пласте ЮС-2 Русскинского месторожден ия............................................160
2.5.1. Данные об испытанных образцах......................160
2.5.2. Данные по ультразвуковому прозвучиванию
образцов..................................................161
2.5.3. Результаты испытаний образцов.....................164
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛОВ СКВАЖИН В ОПЫТАХ НА ОДНООСНОЕ
СЖАТИЕ....................................................172
3.1 Определение упругих констант слоистых горных пород
3
в опытах на одноосное сжатие............................174
3.2 Определение прочностных констант горных пород
в опытах на одноосное сжатие............................178
3.3 Пример определения параметров бурения.............. 179
3.4. Оценка устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин в опытах на одноосное сжатие....................182
3.5. Методика проведения экспериментов по изучению деформационных и прочностных свойств в условиях одноосного сжатия.......................................185
3.6. Определение прочностных характеристик образцов кернового материала продуктивных пластов при одноосном сжатии на установке SHIMADZU, расчёт параметров устойчивости............................................189
ГЛАВА 4. МЕТОД НАПРАВЛЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ПЛАСТА - НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН...............................196
4.1. Экспериментальное изучение влияния напряжений на фильтрационные свойства пород коллекторов нефтяных
и газовых месторождений.................................198
4.1.1. Результаты испытаний на установке ИСТНН кернового материала из Нижнечутинского месторождения..............211
4.2. Метод направленной разгрузки пласта................222
4.3. Методика проведения работ по повышению продуктивности скважин методом направленной разгрузки пласта..........................................238
4.4. Результаты опытно-промысловых работ по методу направленной разгрузки пласта...................245
4
ГЛАВА 5. МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ И РАЗМЕРОВ ЗОН НАРУШЕННОСТИ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ОКРЕСТНОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВА-
ЖИН С УЧЕТОМ ФИЛЬТРАЦИИ НЕФТИ (ГАЗА)................252
5.1. Расчеты напряженного состояния без учета влияния сжимаемости флюида и зависимости его вязкости
от давления.........................................252
5.2. Влияние сжимаемости флюида (газа) и зависимости
его вязкости от давления на распределение напряжений и размер нарушенной зоны в окрестности скважины..............271
5.3. Механико-математическая модель ращрушения кернов горных пород при их отборе из коллекторов нефтяных месторождений.......................................287
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................300
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................303
5
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии добычи нефти и газа во многом основаны на бурении наклонных и горизонтальных скважин. Однако с их использованием возникли серьезные проблемы. Оказалось, что устойчивость стволов наклонных скважин существенно зависит от деформационных и прочностных характеристик горных пород, наличия и степени их анизотропии, а также от геометрии скважин и давления на их забое. Осложнения при бурении нефтяных и газовых скважин, связанные с потерей устойчивости ствола, как правило, сопровождаются большими затратами средств на ликвидацию их последствий, в связи с чем прогнозирование и предупреждение данного вида осложнений играет немаловажную роль в снижении себестоимости строительства скважин. Кроме того, разрушение стволов скважин является одним из основных факторов, ограничивающих максимальные дебиты скважин.
Традиционным подходом к решению подобных проблем является создание механико-математических моделей и отыскание с их помощью ответов на указанные вопросы. Однако для пород с ярко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств (в частности для слоистых пород) подобный путь сталкивается с большими трудностями. Это связано с тем, что попытки создать адекватную механико-математическую модель, описывающую процессы разрушения породы в окрестности наклонной скважины с учетом изменения угла се наклона, для сильно анизотропных пород приводят к ее резкому усложнению и увеличению числа деформационных и прочностных параметров, входящих в модель.
Экспериментальное определение этих параметров для анизотропных пород само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования. Кроме того, любая механико-математическая модель требует
6
принятия некоторого закона прочности породы, что для анизотропных пород также является отдельной сложной задачей.
Все это вынуждант принимать определенные упрощения и допущения в модели, в результате чего такой подход позволяет провести лишь качественный анализ, но не может обеспечить практического решения проблемы устойчивости стволов скважин для конкретных месторождений.
Развитый в диссертации подход кардинально отличается от изложенного выше. В его основе лежит прямое моделирование процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности скважины на уникальном испытательном стенде трехосного независимого нагружения (ИСТИН) под действием реальных напряжений, возникающих в пласте при разной геометрии скважин и разных забойных давлениях. При этом программа нагружения исследуемых образцов, представляющих собой кубики с ребром 40 или 50 мм, определяется на основе механико-математической модели, учитывающей анизотропию деформационных и прочностных свойств горных пород.
Другой важнейшей проблемой, возникающей при разработке нефтяных и газовых месторождений, является повышение продуктивности скважин. Одной из основных причин снижения дебита скважин в процессе их эксплуатации является ухудшение фильтрационных свойств пласта в призабойной зоне скважин (ПЗГ1), что связано в основном с загрязнением и заиливанием естественных фильтрационных каналов в ПЗП при эксплуатации скважин.
Применяемые в настоящее время методы воздействия на ПЗП с целыо повышения ее проницаемости направлены в основном на «очистку» существующих фильтрационных каналов от посторонних частиц. Но зачастую это оказывается невозможным.
Имеется принципиально другая возможность восстановления проницаемости призабойной зоны пласта, основанная на том же подходе, что и при решении проблемы устойчивости стволов скважин в процессе их бурения и эксплуатации. При решении проблемы устойчивости стволов скважин задача за-
7
ключастся в том, чтобы не допустить растрескивание и разрушение породы в окрестности скважины. Однако процесс растрескивания и разрушения породы в окрестности скважины может быть использован и во благо. Академик С.А.Христианович предложил использовать этот процесс для повышения проницаемости призабойной зоны пласта, и на основе этой идеи был разработан новый метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта.
Идея метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной раз1рузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и созданию в пласте искусственной системы множественных мико- и макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной системы фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы значительно (на порядок и более) превышает природную проницаемость пласта.
В результате исследований и разработок, представленных в диссертации, разработаны теоретические и экспериментальные положения о процессах деформирования и разрушения анизотропных горных пород, совокупность которых можно квалифицировать как научное достижение, направленное на решение научной проблемы, имеющей важное практическое значение - повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин и увеличения их продуктивности.
Целями работы были:
Разработка нового подхода к решению геомеханических проблем, связанных с деформированием и разрушением горных пород в окрестности нефтяных и газовых скважин иод действием возникающих в них напряжений.
Изучение деформационных и прочностных характеристик анизотропных горных пород в условиях трехосного неравнокомпонентного нагружения образцов породы на установке ИСТИН.
8
Определение зависимости напряженного состояния, возникающего в окрестности наклонно направленных скважин, бурящихся в анизотропных (слоистых) горных породах, от геометрии скважин и величины давления на их забое.
Прямое моделирование на установке ИСТИН на основе разработанной механико-математической модели процессов деформирования и разрушения горных пород при бурении и эксплуатации скважин.
Экспериментальное определение на установке ИСТИН параметров бурения и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.
Разработка методики определения параметров бурения нефтяных и газовых скважин (в том числе горизонтальных) на основании результатов одноосных испытаний образцов горных пород.
Апробация развитого подхода для определения оптимальных параметров бурения скважин на конкретных месторождениях.
Разработка нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта.
Разработка технологии реализации метода направленной разгрузки пласта на скважинах нефтяных месторождений.
Проведение опытно-промысловых испытаний метода направленной разгрузки пласта по разработанной технологии на ряде нефтяных месторождений.
Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи:
Экспериментальное изучение на испытательной системе трехосного независимого нагружения ИСТИН деформационных и прочностных характеристик горных пород;
Изучение зависимости напряженного состояния, возникающего в окрестности наклонно направленных скважин, бурящихся в анизотропных (слоистых) горных породах, от геометрии скважин и величины давления на их забое;
Моделирование на установке ИСТИН процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности наклонных и горизонтальных скважин;
9
Экспериментальное изучение на установке ИСТНН влияния напряжений па фильтрационные свойства горных пород и определение параметров реализации метода направленной разгрузки пласта для условий конкретных месторождений;
Проведение на установке ИСТНН испытаний кернового материала из коллекторов нефтяных и газовых месторождений с целью определения параметров и режимов реализации на них метода направленной разгрузки пласта;
Проведение опытно-промысловых работ по методу направленной разгрузки пласта на ряде нефтяных месторождений;
Решение задачи о распределении напряжений, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины с учетом процесса фильтрации нефти (газа) и зависимости их вязкости и плотности от давления;
Анализ на основе полученного решения размеров зон разрушения, возникающих в окрестности нефтяной (газовой) скважины при понижении давления на ее забое, для различных критериев местного разрушения породы;
Решение задачи о росте трещины под действием давления газа, выделяющегося из нефти при уменьшении горного давления.
Исследованиям механических процессов в горных породах при ведении в них горных работ и проходке выработок посвящено большое количество работ. Этими вопросами занимались такие известные ученые, как Христианович С.Л., Шемякин Е.И., Садовский М.А., Ганиев Р.Ф., Щелкачев В.И., Мирзаджанзаде А.Х., Желтов Ю.П., Гузь А.П., Николаевский В.Н., Барснблатт Г.И., Тер-Саркисов P.M., Басниев К.С., Черепанов Г.П., Быков В.Г., Капустянский С.М., Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г., Добрынин В.М., Маскет М., Друккер Д., Пратер В., Джегер Ч., Терцаги, Маскет. М и др.
В последние годы нефтяные добывающие компании стали уделять все больше внимания вопросам деформирования и разрушения горных пород для оценки осложнений, возникающих во время бурения и добычи. Это связано с
10
тем, что истощение запасов и высокие цены на нефть стимулируют бурение все более глубоких скважин во все более сложных геологических условиях. Кроме того, падающая добыча нефти и газа на месторождениях с большим сроком эксплуатации вынуждает искать новые технологии поддержания дебита скважин.
Типичными примерами проблем, которые могут возникать при бурении, являются неустойчивость с твола скважины и растрескивание пласта.
Несмотря на достаточно большое число работ, посвященных вопросу устойчивости стволов скважин при бурении и эксплуатации, геомеханический аспект проблемы остается практически не затронутым, что может иметь очень серьезные последствия. Бурение скважин и добыча нефти и газа приводят к изменению напряжений в пластах, достигших перед этим равновесия на протяжении геологических времен. Неустойчивость стволов скважин, смятие или сдвиг обсадных колонн, проседание земной поверхности, вынос песка при эксплуатации скважин - все это может быть проявлением изменяющихся напряжений в пласте.
Влияние геомеханических факторов может распространяться за пределы прискважинной области. Депрессия на пласт, создаваемая для обечпечения притока в скважину, сопровождается снижением давления в скважине ниже уровня порового давления в пласте, увеличивая риск разрушения горной породы. При уменьшении пластового давления нагрузка от горного давления перераспределяется таким образом, что напряжения, действующие в грунтовом скелете, увеличиваются. Это может привести к дополнительным деформациям или разрушению породы, проявляющимся в пластической деформации, разрушении цемента на контактах между зернами, прорастании существующих или образовании новых трещин [1]. В результате изменения в скелете породы под действием напряжений, возникающих в процессе эксплуатации месторождения, могут привести к закрытию пор и уплотнению пласта-коллектора [2]. Другие примеры возможных осложнений при понижении пластового давления - сни-
11
жение пористости и проницаемости, растрескивание пласта, вынос песка из скважин.
Эффекты деформирования и разрушения горных пород существенно проявляются в подземных хранилищах газа, где периодические процессы закачки и извлечения приводят к изменениям давления в поровом пространстве пласта-коллсктора. При этом повышение давления ведет к уменьшению эффективных сжимающих напряжений, действующих на грунтовый скелет горной породы, а его снижение увеличивает нагрузку на скелет, что повторяется периодически в каждом цикле закачки и извлечения газа. Если создаваемые напряжения превысят предел упругости породы, то пористость и проницаемость могут необратимо уменьшиться. Более того, так как окружающие породы испытывают постоянные циклические нагрузки, то в них могут образовываться новые трещины, что крайне не желательно [3].
Таким образом, можно сделать вывод, что возникающие в породе напряжения при бурении и эксплуатации скважин являются важным фактором, влияющим на эффективность разработки нефтяных и газовых месторождений. Однако надо понимать, что сами по себе поля напряжений, их ориентация и величина, имеют небольшое значение без привязки к самой породе, в которой они возникают.
Реакция породы на приложенные напряжения выражается в различных деформациях, которые могут привести как к уплотнению породы, так и к ее растрескиванию и разрушению. При этом поведение разных пород может очень сильно отличаться друг от друга. Помимо величины действующих напряжений реакция породы существенно зависит от ее типа, сцементированности, пористости и других факторов. Деформация в песчаниках зависит от размера, формы и количества площадок контакта между отдельными зернами породы, а в известняках - от структуры и прочности его скелета [4], [5].
С увеличением глубин и в связи с интенсификацией добычи нефти и газа эти вопросы становятся особенно острыми, поскольку правильное понимание
12
механизма разрушения горных пород позволяет в определенной мере прогнозировать неблагоприятные ситуации. Особенно эти вопросы актуальны для участков скважин, расположенных в интервалах геологического разреза, характеризующихся слабыми глинистыми породами [6].
Учет взаимного влияния геологических характеристик, ориентации ствола скважины и изменений напряжения, вызванных бурением или добычей углеводородов, является сложной задачей. Традиционный подход, применявшийся для моделирования пласта и происходящих в нем геомеханических процессов, не учитывал неоднородность и анизотропию упругих и прочностных свойств коллекторских и вмещающих пород. Механические свойства горных пород считались одинаковыми в каждой точке пласта и одинаковыми по всем направлениям, т.е. горная порода рассматривалась как однородная и изотропная среда. Кроме того, возникали сложности, обусловленные с одной стороны чрезмерно упрощенным описанием поведения породы, а с другой стороны - ограниченными возможностями моделирования и анализа, что связано с отсутствием достаточного количества экспериментальных данных о свойствах пород.
Такой подход неизбежно приводил к недооценке роли деформационнопрочностных свойств пород. Сейчас ситуация меняется, и в нефтегазовой отрасли начинают осознавать важность знания механических свойств горных пород и необходимость учитывать при исследованиях их изменение. Современные, более совершенные методы моделирования неизбежно требуют расширенного набора входных данных. Сложное поведение пород, их изменяющиеся и неоднородные свойства требуют более совершенных методов моделирования и программного обеспечения и более высокого качества данных, особенно кер-новых.
Механическое состояние массива горных пород определяется совокупностью показателей, характеризующих деформируемость, прочность устойчивость массива Г7-15].
13
Изучение механических свойств горных пород в лабораторных условиях включает целый комплекс исследований, в которых особое место занимают испытания по определению их основных деформационных и прочностных свойств. За последние десятилетия большое развитие получили методы испытаний горных пород с разрушением образцов. Наиболее распространенным видом испытаний горных пород являются испытания на сжатие в одноосно напряженном состоянии. Данные испытания проводятся на испытательных машинах сжатия (прессах). В процессе опыта регистрируются деформация и прочность образца и определяются механические свойства породы - модуль упругости, коэффициент Пуассона и прочность на одноосное сжатие.
I орные породы в массиве, в условиях естественного залегания, находятся в объемном напряженном состоянии. Поэтому для наиболее полного изучения их механических свойств проводят испытания на специальных лабораторных установках.
В настоящее время для определения упругих и прочностных характеристик горных пород главным образом используются экспериментальные установки типа Т.Кармана, в которых усилием пресса создают вертикальное давление на образец, а боковое давление по периметру образца создают гидравлическим путем с помощью гидромультипликатора. Подобные установки, называемые стабилометрами, позволяют создавать в испытываемом образце напряженные состояния, характеризуемые следующим соотношением главных нормальных напряжений сг, > ст2 = <т3.
На рисунке приведена схема конструкции одного из стабилометров. Нагрузки на образец осуществляются всесторонним сжатием до заданных пределов и последующим приложением возрастающей осевой сжимающей нагрузки при неизменном значении боковой.
14
Испытание образцов пород в объемном напряженном состоянии.
а - схема установки типа Т. Кармана; б - конструкция стабиломстра КП-3 (ВНИМИ).
1 - корпус; 2 - образец породы; 3 - плунжер осевого сжатия; 4 - плунжер гидромультиплика-тора; 5 - штуцер боковой нагрузки; 6-манометры для определения осевой и боковой нагрузок; 7 - шаровые шарниры; 8 - поршень осевого сжатия; 9 - штуцер осевой нагрузки; 10 - насос; 11 - редукторы.
Испытываемые образцы представляют собой цилиндры длиной 70 - 80 мм и диаметром 30 - 40 мм. Нагружение образцов осуществляется сжатием вдоль образующей образца и всесторонним обжатием по боковой поверхности. Подвергая образец породы одновременно с механическим нагружением нагреву с помощью специальных устройств, монтируемых в стабилометр, можно определять механические свойства пород при высоких всесторонних давлениях и температурах, моделируя тем самым условия нахождения пород на больших глубинах.
Таким образом, в установках, основанных на принципе Кармана, можно осуществлять независимое нагружение образцов лишь по двум осям.
Этого достаточно для определения упругих и некоторых прочностных характеристик горных пород в предположении их изотропности. Для существенно анизотропных пород определение этих параметров на установках со схемой Кармана оказывается невозможным. При этом именно анизотропия упругих и
15
прочностных свойств горных пород является основной причиной ряда серьезных проблем, возникающих при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.
Кроме того, важно отметить, что поскольку в широко распространенных установках, использующих схему Кармана, осуществляется двухосное нагружение образца, то эти установки не позволяют воспроизводить реальные напряженно-деформированные состояния, возникающие в пласте, которые являются существенно трехмерными. Между тем совершенно очевидно, что для решения геомеханических проблем необходимо иметь возможность прямого измерения деформационных и прочностных свойств анизотропных горных пород при истинно трехосном нагружении.
Попытки создания установок, позволяющие реализовывать на образцах горной породы так называемое «истинное трехосное нагружение» предпринимались достаточно давно. Для трехосных испытаний обычно используются кубические образцы горных пород с гранью 50 мм или больше. Основными требованиями, предъявляемыми к установкам на трехосное сжатие, является возможность создания трехосного независимого нагружения образца и обеспечение однородности полей напряжений и деформаций в образце.
Существующие в настоящее время установки на трехосное независимое нагружение образцов можно разделить на три типа:
1. Установки, использующие шесть жестких плит для нагружения образца в трех ортогональных направлениях.
В этих установках была реализована идея использования шести скользящих друг относительно друга плит для нагружения кубических образцов в трех ортогональных направлениях [16-19]. Позднее эта же идея была развита и использована в других установках [20-24].
Основными достоинствами испытательных систем, использующих принцип скользящих нагружающих плит, является:
16
- перемещения, вызываемые каждой из нагружающих плит, одинаковы по поверхности образца в силу жесткости плит;
- отсутствует взаимовлияние граней образца;
- три главных напряжения могут произвольно изменяться в ходе эксперимента;
Основными недостатками этого типа испытательных машин является то обстоятельство, что в них сложно избавиться от трения между соприкасающимися плитами, а также между плитами и образцом, что затрудняет получения достоверных экспериментальных данных. По этой причине в настоящее время в установках на трехосное независимое нагружение практически не используются шесть скользящих нагружающих плит. Более широкое применение нашло использование трех пар жестких нагружающих плит с зазорами между двумя плитами [25], [26].
2. Установки с шестью гибкими нагружающими элементами.
В этих установках для нагружения кубического образца в трех ортогональных направлениях используются гибкие мембраны, заполненные под давлением водой. Первым предложил такой принцип на1ружения образца Ве11 в 1965 г. [27]. Смысл нагружения образцов посредством заполненных жидкостью резиновых мембран заключается в том., что при их использовании трение между нагружающей поверхностью, т.е. резиновой мембраной, и поверхностью образца относительно невелико. Однако такого типа установки обладают существенными недостатками, связанными с тем, что резиновая нагружающая мембрана закрывает только 60% грани образца. Это приводит к тому, что в ходе опыта невозможно обеспечить однородность деформации внутри образца, особенно вблизи его граней. Кроме того, во время эксперимента невозможно создать в образце большие деформации, поскольку при этом начинает проявляться взаимовлияние концевых зон образца. Тем не менее, такие установки и их модификации используются в ряде исследовательских центров [28-33].
3. Установки смешанного типа.
17
Green в 1969 г. [34] предложил использовать установки смешанного, в которых в двух направлениях нагрузка кубического образца осуществляется жесткими плитами, а в третьем направлении - гибкими резиновыми мембранами. При этом между жесткими плитами оставляется зазор, чтобы исклюсить их взаимодействие. Идея заключалась в том, чтобы попытаться совместить достоинства двух предыдущих типов установок на трехосное независимое нагружение и одновременно избавиться от присущих им недостатков. Однако во всех этих установках оставался главный недостаток - нажимные элементы не закрывали всей поверхности образца, что неизбежно приводит к неоднородности полей деформаций и напряжений внутри образца в ходе эксперимента. Такие установки были созданы рядом исследователей [35-39], однако широкого распространения они не получили, поскольку они обладают прежними недостатками, хотя и в меньшей степени, однако при изготовлении и эксплуатации они оказались значительно сложнее и не надежнее.
Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время за рубежом практически нет установок, позволяющих осуществлять независимое трехосное образцов горных пород, обеспечивая при этом в них однородность полей деформаций и напряжений. В России такие установки отсутствуют.
Как отмечалось выше, среди множества задач, которые необходимо решать в процессе разбуривания и эксплуатации месторождения, важнейшими являются обеспечение устойчивости стволов скважин при бурении и эксплуатации и повышение дебита скважин.
В нашей стране впервые проблема потери естественной устойчивости пород, слагающих стенки буровых скважин, возникла на ряде нефтяных месторождений юга страны, где при освоении глубокозалегающих горизонтов происходили обвалы горных пород. Известно множество случаев массовых выходов из строя нефтяных и газовых скважин, вскрывших соляные и глинистые породы. Подтверждением этому могут служить нефтяные месторождения Западной
18
Сибири, на некоторых из которых наблюдались нарушения как отдельных скважин, так и целых кустов скважин.
В результате работ по изучению причин обрушения горных пород появились различные гипотезы, объясняющих эти причины. Долгое время в качестве основной причины обвалов в скважинах рассматривали набухание глин, слагающих стенки скважины, вследствие поглощения воды из бурового раствора [40]. В работе А.Н. Динника [41] при изучении вопроса устойчивости стенок скважин состояние приствольной зоны скважины рассматривается в процессе проводки скважины, так как именно образование горной выработки, сопровождающееся объемным неравномерным сжатием окружающих пород и физикохимическим воздействием жидкости на них, влечет за собой неустойчивость пород.
Для случая, когда скважина заполнена жидкостью, которая создает противодавление на стенки, С.Г. Лехницким [42] были предложены формулы для определения трех главных нормальных напряжений.
Анализируя причины осложнений при бурении скважин в Башкирии, М.И. Исаев [43] приходит к выводу, что основной причиной обвалов пород при бурении является горное давление, а роль гидратации и размокания при взаимодействии с промывочными жидкостями сводится к изменению механических свойств пород и, следовательно, к уменьшению или увеличению степени проявления горного давления.
Ю.Н. Васильев и И.Н. Дубинина [44] причинами, по которым возникают напряжения, разрушающие горную породу в призабойной зоне скважины, называют следующие: перераспределение напряжений, обусловленных весом горных пород; снижение пластового давления; фильтрация жидкости или газа к стволу скважины. В работе оцениваются напряжения, вызываемые всеми перечисленными причинами.
И.М. Петухов и А.П. Запрягаев [45] экспериментально исследовали деформации стенок незакрепленных скважин различного диаметра в зависимости
19
от вида напряженного состояния горного массива. Полученные ими результаты предлагается использовать для определения устойчивости стенок незакрепленных скважин на различных глубинах при решении вопроса о прочности пород, определяемой с учетом коэффициента структурного ослабления, температу рного фактора и консистенции бурового раствора.
Блохин B.C. и Терентьев В.Д. [46] предложили метод расчета величины и характера распределения нормальных напряжений и перемещений в приствольной зоне вертикальной скважины. Метод разработан с использованием замеренных в естественных условиях давлений гидроразрыва. В работе Кацауро-ва И.Н. [47] приведена формула для определения радиуса области неупругих деформаций, с учётом сцепления породы в области неупругих деформаций.
Повреждения ствола скважины во время бурения могут происходить по различным механизмам [48,49]. На устойчивость ствола скважины влияют различные факторы, основными из которых являются соотношение между наклоном скважины, углом падения пласта, различие прочностных свойств породы по направлению вдоль плоскостей напластования и по нормали к ним [50]. Это связано с тем, что бурение и эксплуатация скважин влияют на локальное напряженно-деформированное состояние в пласте. По мере того, как напряжения на стенках скважины перераспределяются, при определенных условиях касательные напряжения могут превысить предел прочности породы, что приводит в процессе бурения скважины к разрушению горной породы и потере устойчивости ствола скважины, а при ее эксплуатации - к выносу песка из скважины. При этом характер потери устойчивости будет зависеть от механических свойств материала, а также видов распределения начальных напряжений.
Таким образом, из анализа состояния вопроса на сегодняшний день можно сделать вывод, что методические разработки по прочностным расчетам ствола скважины выполнены в настоящее время главным образом для вертикальных скважин. В то же время основным инструментом разработки нефтяных
20
и газовых месторождений постепенно становится бурение наклонных и горизонтальных скважин, в том числе на депрессии. Особенность таких задач устойчивости заключается в том, что для них на первый план выходит анизотропия деформационных и прочностных свойств горных пород, в которых осуществляется проводка скважины. Кроме того, горизонтальные участки скважины принципиально отличаются от вертикальных тем, что напряженное состояние прилегающих к ним горных пород не осесимметрично относительно оси скважины. Эти вопросы сегодня изучены совершенно недостаточно и требуют всестороннего исследования.
Другой важнейшей проблемой, возникающей при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, является задача повышения продуктивности скважин.
Одной из главных причин снижения дебита нефтяных и газовых скважин является ухудшение проницаемости породы в призабойной зоне пласта (ПЗП) [51-58]. Традиционно считалось, что основной причиной этого на этапе бурения является проникновение глинистых частиц бурого раствора в поровое пространство продуктивного пласта, приводящее к закупорке пор и трещин, к набуханию и уплотнению глинистых частиц, а в процессе эксплуатации скважин - заиливание, запарафироваиие фильтрационных каналов.
Существующие в настоящее время методы интенсификации добычи нефти и газа можно условно разбить на три основные группы.
1. Физические методы, направленные на восстановление, хотя бы частичное, естественной проницаемости породы в призабойной части пласта. К физическим методам относятся методы, использующие в качестве источника воздействия на иласг различные физические процессы. Это методы вибрационного воздействия на пласт, ультразвуковые методы, метод гидроимпульсного воздействия, имплозия пласта, тепловое воздействие и т.п. [59,60]
Цель применения этих методов - «прочищение» естественных фильтрационных каналов, загрязненных в процессе бурения и эксплуатации скважин.
21
Однако для пластов с очень низкой проницаемостью и тонкими фильтрационными каналами зачастую сделать это оказывается невозможно, в результате чего эффективность применения указанных методов на таких пластах мала.
2. Химические методы обработки пласта кислотами и другими химическими реагентами.
При использовании этих методов в пласт закачивается кислота (обычно соляная с добавлением плавиковой кислоты) или другой химический реагент. Цель метода - растворить засоряющие фильтрационные каналы примеси или саму породу с тем, чтобы повысить проницаемость пласта в прискважинной области [61-64].
Эти методы получили сейчас довольно широкое распространение, однако они дают хороший эффект на карбонатных коллекторах, или на песчаниках с большим содержанием карбонатов, что связано с хорошей растворимостью карбонатов кислотой. Такие коллекторы в Западной Сибири практически отсутствуют.
3. Значительно более эффективным направлением увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта представляется образование в этой области искусственных трещин, играющих роль новых фильтрационных каналов высокой проницаемости. Рост трещин происходит за счет направленного создания в пласте напряжений, необходимых для растрескивания породы.
Особое место среди традиционных способов повышения дебита скважин занимает гидроразрыв пласта [65-67].
Метод гидроразрыва пласта заключается в том, что за счет создания на забое скважины давления, сравнимого по величине со значением горного давления на данной глубине, в пласте образуют трещину гидроразрыва, протяженность которой может достигать десятков и даже сотен метров. Порода продуктивного пласта разрывается по плоскостям минимальных напряжений горного давления и за счет продолжающейся закачки жидкости образовавшаяся трещина увеличивается в размерах. Далее этой же жидкостью транспортируется в
22
трещину расклинивающий агент (проппант), который удерживает ее в раскрытом состоянии после снятия избыточного давления. В результате создается создается высокопроводящий канал для поступления в скважину дополнительной нефти. Эффект достигается прежде всего за счет значительного увеличения поверхности фильтрации, т.е. поверхности, через которую нефть из пласта поступает в скважину.
Трещины, образующиеся при ГРП, имеют вертикальную и горизонтальную ориентацию. Протяженность трещин достигает нескольких десятков метров, ширина - от нескольких миллиметров до сантиметров.
Теория гидравлического разрыва пласта зародилась в России в конце 50-х годов прошлого столетия. Основоположниками ее стали советские ученые С. А. Хрисгианович и Ю. П. Желтов. Они описали математическую модель вертикальной трещины и дали теоретическое обоснование данному методу [68]. Их формулы до сих пор используются в расчетах проектирования трещины гидроразрыва.
Еще одним методом повышения дебита скважин, использующим направленное создание в пласте требуемых напряжений, является метод щелевой разгрузки пласта (ЩРП) [69]. Но в отличие от гидроразрыва пласта, основанном на образовании искусственной протяженной трещины за счет создания в пласте больших (сравнимых с горны) напряжений, метод ЩРП направлен на разгрузку пласта от касательных напряжений, вызывающих пластическое течение рассеянной в породе глины и затекание тем самым естественных фильтрационных каналов.
Основой рассматриваемой технологии ЩРП является возможность управления величиной касательных напряжений возникших в прискважинной зоне за счет горного давления в результате бурения скважины. При этом разгружающая полость формируется вдоль вертикальной оси скважины путем прорезания в продуктивном пласте щели, ориентированной перпендикулярно главным напряжениям в горном массиве. Вследствие этого при достаточной
23
толщине разгружающей полости касательные напряжения снимаются полностью и в дальнейшем не восстанавливаются. Зона разгрузки охватывает практически весь пласт.
Таким образом, создание в продуктивном пласте вертикальных, диаметрально расположенных щелей приводит к разгрузке пород в прискважинной зоне, а вследствие этого, к увеличению ее проницаемости, выходу за пределы зоны кольматации пород и дополнительному вымыванию глинистых частиц, к увеличению площади фильтрации. Все это вызывает резкое возрастание производительности скважин.
Сущность способа в том, что при помощи гидропескоструйной перфорации по обе стороны от ствола скважины в диаметрально противоположных направлениях на всю мощность пласта создаются линейные горные выработки (щели) шириной каждая с диаметр скважины и длиной 700-1000 мм. За счёт этого происходит разгрузка прискважинной зоны, чем обеспечивается улучшение ее коллекторских свойств.
Одним из основных факторов, определяющих состояние и производительность нефтяных скважин, являются действующие в их окрестности напряжения. Это относится как к вопросам устойчивости стенок скважин при бурении и эксплуатации, так и влиянию напряжений на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит скважин. В связи с этим необходимо иметь представление о величине действующих в окрестности скважины напряжений и их влиянии на размер возникающих зон разрушения породы в призабойной зоне пласта. Кроме того, необходимо представлять, насколько сильно влияет на величину напряжений и размер зон разрушения градиент давления флюида, его сжимаемость и вязкость как функции давления.
Эти вопросы в той или иной мере затрагивались разными исследователями [70-80]. Ранее проводились исследования напряженного состояния, процессов деформирования и разрушения породы в окрестности горных выработок применительно главным образом к проблемам разработки месторождений
24
твердых полезных ископаемых [70-80]. Однако, естественно вопросы влияния фильтрации: градиента давления, сжимаемости, вязкости в этих работах не рассматривались.
Структура работы следующая.
В гл.1 приведено подробное описание испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТНН), позволяющей реализовать предложенный в диссертации новый подход к решению поставленных геомеханических задач.
В настоящее время для определения упругих и прочностных характеристик горных пород главным образом используются экспериментальные установки, в основу которых заложен принцип Кармана Нагружение цилиндрических образцов в этих установках осуществляется сжатием вдоль образующей образца и всесторонним обжатием по боковой поверхности. Таким образом, в установках, основанных на принципе Кармана, можно осуществлять независимое нагружение образцов лишь по двум осям.
Этого оказывается достаточным для определения упругих и некоторых прочностных характеристик горных пород, да и то в предположении их изотропности. Для существенно анизотропных пород определение этих параметров на установках с кармановской схемой оказывется невозможным. При этом именно анизотропия упругих и прочностных свойств горных пород является основной причиной ряда серьезных проблем, возникающих при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.
Кроме того, важно отметить, что поскольку в широко распространенных установках, использующих схему Кармана, осуществляется двухосное нагружение образца, то эти установки не позволяют воспроизводить реальные напряженно-деформированные состояния, возникающие в пласте, которые являются существенно трехмерными.
25
Всех этих недостатков лишена созданная в Институте проблем механики РАН испытательная система треосного независимого нагружения (ИСТИН). Установка ИСТИН представляет собой уникальный исследовательский комплекс для изучения деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород. Она позволяет нагружать образцы горных пород в форме куба с ребром 40 или 50 мм независимо по каждому из трех направлений, что достигается благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствия друг другу.
Такая конструкция узла нагружения является отличительной особенностью ИСТИН. По сравнению с другими испытательными средствами на сложное нагружение с использованием жестких нажимных плит она обеспечивает равномерное приложение нагрузок по всей площади образца в течение всего процесса деформирования, включая стадию разрушения. Это существенно упрощает анализ результатов экспериментов, так как отпадает необходимость учета возможности концентрации напряжений вблизи ребра образца. Кроме того, это открывает возможность воссоздавать в ходе испытаний любые напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении скважины, ее освоении и эксплуатации, и изучать их влияние на фильтрационные свойства породы.
Установка ИСТИН позволяет определять деформационные и прочностные характеристики анизотропных горных пород. Для определения типа анизотропии породы используется специально созданная установка по измерению скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в трех направлениях. После этого путем испытания образцов породы на установке ИСТИН по специальным программам нагружения определяются упругие модули породы. При трансверсальпом типе анизотропии, который характерен для большинства горных пород и связан с наличием напластования, упругое деформирование породы описывается пятью упругими модулями.
26
Важной особенностью установки ИСТИН является возможность исследования зависимости фильтрационных свойств горных пород от величины и вида действующих в них напряжений. Известно, что проницаемость горных пород может как уменьшаться, так и увеличиваться (причем необратимо) в зависимости от возникающих в них напряжений. Тип и уровень этих напряжений определяются конструкцией забоя (наличие или отсутствие обсадки, тип перфорации и так далее) и создаваемыми на забое скважины депрессиями. Установка ИСТИН позволяет моделировать эти условия на образцах породы и непрерывно регистрировать при этом изменение их проницаемости.
На установке ИСТИН реализована схема эксперимента, представляющего большой интерес при решении проблем, связанных с устойчивостью стволов горизонтальных скважин и определению максимально допустимых депрессий на их забое. Это опыты по прямому моделированию на установке ИСТИН процесса создания депрессий на забое горизонтальной скважины с целью определения депрессий, при которых начинается вынос песка из скважины и разрушение стенок скважины. Эти эксперименты можно рассматривать как аналоги известным испытаниям цилиндрических образцов по схеме «полый цилиндр». Такая схема эксперимента практически не используется в практике российских исследовательских организаций.
В гл.2 излагается новый подход к анализу геомеханических процессов, в основе которых лежат процессы деформирования и разрушения анизотропных горных пород под действием возникающих в них напряжений.
Суть его заключается в том, что механико-математическое моделирование при ответе на вопрос о деформировании и разрушении горной породы под действием приложенных напряжений предлагается заменить прямым моделированием этих процессов на испытательной системе ИСТИН. Оно включает в себя два этапа.
Первоначально на кубических образцах определяется тип анизотропии горных пород и по специальным программам на!ружения измеряются их упру-
27
гие и прочностные характеристики. Затем, используя найденные упругие модули пород, рассчитываются напряжения, возникающие в пласте при различных параметрах изучаемых процессов, и определяются наиболее опасные места с точки зрения начала разрушения. Найденные зависимости ипользуются для составления программ нагружения образцов на установке ИСТИН при последующем прямом моделировании.
На втором этапе производится прямое моделирование изучаемых процессов на установке ИСТИН. С этой целью изготавливаются специальные образцы, ориентация которых относительно осей анизотропии соответствует направлению главных напряжений в наиболее опасных местах. Затем образцы нагружаются по программам нагружения, составленным на первом этапе и отвечающим реальным изменениям напряженного состояния в рассматриваемых точках пласта в ходе протекания изучаемых процессов.
Разработанный подход использован в диссертации для решения проблемы устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации.
При бурении наклонных скважин, как показывает практика, для ряда месторождений при достижении угла наклона скважины определенной величины (для разных пород она может быть различной) возникают осложнения при бурении. Происходит остановка проходки и вынос большого количества шлама, что свидетельствует о разрушении и осыпании стенок ствола скважины. Аналогичные проблемы возникают и при бурении горизонтальных скважин на депрессии. При достижении определенных депрессий, значения которых также различны для разных пород, начинается разрушение породы в окрестности скважины и скважина теряет устойчивость.
Для прямого моделирования на установке ИСТИН процесса проводки наклонной скважины необходимо знать, какие напряжения, соответствующие тому или иному углу наклона скважины, следует прикладывать к граням образцов в ходе моделирования. С этой целью была разработана механико-
28
математическая модель явления, согласно которой основным фактором, влияющим на устойчивость стволов скважин, является анизотропия прочностных свойств пород, в которых осуществляется проводка скважины. Эта анизотропия обусловлена наличием плоскостей напластования, являющимися по существу поверхностями ослабления, вдоль которых прочностные характеристики значительно понижены по сравнению с другими направлениями. Поэтому можно ожидать, что именно по этим поверхностям в первую очередь будет происходить разрушение породы в ходе проводки скважины под действием возникающих на них касательных напряжений.
Начало разрушения определяется двумя основными факторами:
- величиной касательных напряжений, действующих в плоскостях напластования (ослабления);
- прочностными характеристиками породы, и в первую очередь прочностными характеристиками вдоль плоскостей напластования;
Величина касательных напряжений, действующих на контуре скважины в плоскостях напластования, зависит от угла наклона скважины к этим поверхностям, точки на контуре скважины и давления жидкости в скважине. При незначительном угле наклона скважины касательные напряжения в горизонтальных плоскостях невелики. При увеличении угла наклона скважины растут и касательные напряжения в плоскостях напластования, т.е. опасность разрушения породы на контуре скважины увеличивается.
Следующим шагом после выбора программы нагружения является изготовление образцов для прямого моделирования на установке ИСТИН условий, возникающих на контуре наклонной скважины, и исследования зависимости устойчивости стенок скважины от угла наклона скважины. Для зтого из керно-вого материала изготавливаются образцы породы, соответствующие различным углам наклона скважины к вертикали. С этой целью образцы выпиливаются таким образом, чтобы их вертикальная ось составляла с осью керна угол, равный углу наклона скважины. Обычно это углы 0°, 15°, 30°, 45°, 60°.
29