Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

вие, существенном изменении извлекаемых запасов. Обнаруже­ ние в 1984 г. уплотнения коллектора и оседаний морского дна на месторождении Экофиск показало, что при гидродинамическом моделировании необходимо учитывать уменьшение порового объема залежи (см. главу 3). Специалисты, занимающиеся про­ блемами геомеханики и гидродинамики установили, что при па­ дении пластового давления только часть нагрузки от покрываю­ щей толщи переносится от пластового флюида на породы кол­ лектора и окружающий массив. Способность перераспределять нагрузку на окружающий массив зависит от жесткости покры­ вающих пород.

В реальных условиях покрывающие породы могут иметь раз­ личную степень жесткости, поэтому на окружающий массив пе­ реносится некоторая часть нагрузки от вышележащих пород. Это явление обычно называют арочным эффектом. В случае коллек­ тора Экофиск на величину арочного эффекта влияет жесткость пород и коллектора, распределение падения давления и пористо­ сти по коллектору, а также геометрия коллектора. Учет всех этих факторов для определения арочного эффекта производится в геомеханической модели оседаний.

Исходными данными для модели оседаний (геомеханической модели) является падение пластового давления из гидродинами­ ческой модели. Падение пластового давления определялось для 8 зон путем усреднения внутри каждой из зон. Основной результат геомеханического моделирования заключается в том, что нагруз­ ка от покрывающей толщи уменьшается в центральной части коллектора и увеличивается на флангах.

Гидродинамическая модель коллектора представляет собой трехфазную ЗД-модель единичной (простой) пористости [45]. Основная идея учета деформаций при гидродинамическом моде­ лировании заключается в необходимости учета уменьшения по­ рового объема залежи при падении давления путем изменения коэффициента сжимаемости коллектора (с учетом арочного эф­ фекта). Для использования этих данных в гидродинамической модели были построены зависимости изменения величины ароч­ ного эффекта со временем.

Поскольку в данном случае арочный эффект учитывается на­ прямую, были использованы непосредственные лабораторные данные по сжимаемости пород коллектора. Так как в опытах из­ менение пористости определялось по текущему поровому объему, лабораторные данные были пересчитаны относительно начально­ го порового объема по соответствующим формулам.

Гидродинамическое моделирование разработки месторожде­ ния показало положительный эффект от уплотнения коллектора.

Количество добытой нефти вследствие уплотнения по величине оказалось сходно с эффектом от заводнения. Таким образом, специалисты сделали вполне обоснованный вывод о том, что для коллекторов, подверженных деформациям, необходимо должным образом учитывать эффект уплотнения при гидродинамическом моделировании. При этом на месторождении Экофиск положи­ тельный эффект от уплотнения коллектора наблюдается в тече­ ние всего периода разработки.

В конкретных гидродинамических расчетах при разработке Технологических схем разработки месторождений учет измене­ ния фильтрационно-емкостных свойств в результате длительного действия высоких эффективных напряжений в настоящее время выполняется сравнительно редко. Большинство исследователей для аппроксимации связи проницаемости с давлением использу­ ют упрощенную функцию вида:

К(Р) = К0ехр(аАр),

где Ар - разность между текущим и начальным пластовым дав­ лением, МПа; а - коэффициент, учитывающий снижение прони­ цаемости в зависимости от давления, МПа"1; Ко - значение про­ ницаемости при исходном пластовом давлении.

В данной функции влияние времени действия пластового давления и, соответственно, накопление пластических деформа­ ций не учитывается. Тем не менее, в ряде расчетов использова­ ние данной зависимости приводит к положительным резуль­ татам.

Аналогичную зависимость использовали В.Д. Викторин [4, 5], A. Н. Щипанов, А.В. Распопов [26] для описания снижения тре­ щинной проницаемости турней-фаменских карбонатных объектов Пермского края, Р.В. Пепеляев при разработке методики гидро­ динамических расчетов отдельных терригенных объектов Запад­ ной Сибири с учетом снижения проницаемости, авторы данной работы [12] для прогноза снижения трещинной проницаемости продуктивных объектов АГКМ, а также Р.Н. Дияшев, А.В. Костерин, Э.В. Скворцов при анализе снижения продуктивности скважин, вскрывших трещинно-поровые месторождения Татар­ стана [7].

Особенно эффективно данная зависимость использована B. Ф. Перепеличенко, В.А. Дербеневым и др. для описания сни­ жения проницаемости коллектора одного из крупнейших газовых месторождений Китая с АВПД, приуроченного к терригенному типу, при этом дана оценка возможных изменений дебита сква­ жин с учетом данных о деформации коллектора и физических свойств газа, полученных из испытаний на образцах [22]. Во

ВНИИгазе было проведено экспериментальное исследование за­ висимости коэффициентов проницаемости и пористости от дав­ ления по 13 образцам керна. Отметим, что образцу не выдержи­ вались под нагрузкой длительное время, т.е. деформации ползу­ чести экспериментально не были получены и в последующем не учитывались. Показано, что неучет фактора снижения продук­ тивности скважин вследствие падения проницаемости может привести к значительным ошибкам в определение периода рен­ табельной разработки месторождения, что чревато недопоставка­ ми запланированных контрактных объемов продукции потреби­ телю.

Представленные три примера, естественно, но исчерпывают всего многообразия уже имеющихся подходов к учету снижения ФЕС в гидродинамических расчетах. Однако они показывают важность учета геомеханического фактора в расчетах продуктив­ ности нефтяных и газовых скважин.

6.1.2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФЕС ТЕРРИГЕННЫХ ПРОДУКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ

ПРИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ п о в ы ш е н н о г о ЭФФЕКТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ

На рис. 6.1.4 представлен общий график изменения параметра (пористости, проницаемости) при действии эффективного давле­ ния. Участок АВ соответствует падению параметра по мере роста эффективного давления, участок ВС соответствует падению па­ раметра в процессе действия постоянного эффективного напря­ жения, наконец, участок CD соответствует восстановлению пара­ метра в процессе снятия напряжений, т.е. в процессе разгрузки образца. Отметим некоторые характерные черты каждого участка.

Обычно выполаживание участка АВ наступает при превыше­ нии эффективных напряжений над природными на 30-40 %. Не­ обходимое время нагружения образца до эффективного давления, соответствующего природному, превышение которого уже не приводит к дальнейшему падению ФЕС (пористости и прони­ цаемости), как показали результаты аналогичных испытаний ав­ торов данной работы для Ачимовских отложений Западной Си­ бири, составляет 5-6 ч. При этом величина относительного изменения пористости и проницаемости определяется литологи­ ческими характеристиками пород-коллекторов, их степенью уп­ лотнения под влиянием общей истории формирования пород, сла­ гающих регион, и изменяется обычно в пределах 10~20 % отно­ сительных значений пористости. Отметим, что для терригенных коллекторов месторождений Соликамской депрессии (север

тимое уменьшение пористости на 10-16 %, а проницаемости - на 20-45 %. Отмечается значительно более интенсивное снижение проницаемости, нежели пористости [27]. При этом даже 2200 ч оказалось недостаточно для полного выполаживания кривых па­ дения проницаемости и пористости.

Участок CD - участок восстановления пористости и прони­ цаемости в процессе разгрузки образца. Обычно разгрузка образ­ ца занимает несколько больше времени, чем нагрузка - 10-12 ч. Характерным является то, что кривая разгрузки не выходит в начало кривой нагрузки, т.е. возникают пластические деформа­ ции. В частности, участок ВС является величиной пластической (остаточной) деформации, выраженной в параметре пористости или проницаемости, соответствующий уровню эффективных на­ пряжений, при которых получен участок ВС. При этом конечная величина пластической деформации при полной разгрузке образ­ ца (участок СЕ), как правило, превышает участок ВС, т.е. угол наклона ветви нагрузки превышает угол наклона ветви разгруз­ ки. Обычно соотношение углов наклона ветвей нагрузки и раз­ грузки образцов используют для определения «параметра уплот­ нения», который используется в «шатровой» модели деформиро­ вания коллектора, используемой для расчетов уплотнения и по­ следующей оценки оседаний земной поверхности.

При выполнении длительных экспериментов всегда встает во­ прос определения конечной величины деформации при полном затухании процесса ползучести, так как для этого требуются весьма длительные опыты. Очевидно, что держать образцы под нагрузкой свыше 1-2 мес чрезвычайно трудоемко и дорого. В связи с этим встает вопрос определения конечного значения де­ формаций при ограниченном времени выдержки образца под по­ стоянной нагрузкой.

Для решения этой задачи можно воспользоваться методом экстраполяции, который применили специалисты компании «Phillips Petroleum Со» при изучении физико-механические свойств мелового коллектора месторождения Экофиск [42]. В разделе 3.3 уже упоминалось, что деформации порового про­ странства пород этого месторождения имеют выраженную зави­ симость от времени, т.е. уплотнение продолжается в течение дли­ тельного времени после приложения нагрузки.

В ходе опытов на ползучесть было установлено, что экспери­ ментальные данные в инверсионных координатах (1/время), (1/АКПор) хорошо аппроксимируются прямой линией (рис. 6.1.5). Это дает возможность оценить предельную величину деформа­ ции путем экстраполяции прямой на начало координат, что соот­ ветствует бесконечному времени нагружения. Для проверки точ-

Рис. 6.1.5. Определение конечной величины изменения пористости методом инверсии при бесконечном времени действия постоянного давления (по данным работы [42]):

1 - точки, полученные экспериментально; 2 - аппроксимирующая прямая

ности такого метода экстраполяции специалистами Phillips Petro­ leum Со была выполнена серия длительных испытаний на ползу­ честь, когда нагрузка 41,1 МПа действовала на образцы в тече­ ние 24 мес. После нагружения затухание деформаций происхо­ дило в течение 2-3 недель. В результате было установлено, что замеренные величины деформации всегда несколько меньше, чем найденные путем экстраполяции (см. рис. 6.1.5). Т.е. данный ме­ тод дает максимально возможную величину деформации при данном уровне нагрузки. Кроме того, было установлено, что для эффективного давления 50 МПа чаще всего требуется 10-20 ч времени нагружения, чтобы начало проявляться указанное ли­ нейное поведение деформирования образца.

Таким образом, используя сравнительно небольшие сроки на­ гружения, с помощью данного инверсионного метода (назовем его методом «инверсии») можно оценить конечную величину деформации, соответствующую полному затуханию процесса ползучести.

Величина участка ВС - участка уплотнения образца коллек­ тора под постоянной нагрузкой зависит не только от времени действия нагрузки, но и от степени исходного уплотнения про­ дуктивного объекта. Очень часто для объектов, залегающих на значительных глубинах (3-4 км и более) величина данного уча­ стка весьма незначительна, уже при нагружении в течение 5060 ч наступает полное выполаживание кривой падения пористо­ сти или проницаемости и исследователю становится ясно, что дальнейшего уплотнения образца не предвидится. Покажем это на примере продуктивных объектов Астраханского ГКМ и ачимовских отложений Уренгойского НГКМ.

Для АГКМ исследования выполнялись по следующей про­ грамме на 6 образцах керна (3 образца для пористости и 3 об­ разца для проницаемости), отобранных из скв. 823.

Для пористости:

1.Измерения пористости, модуля упругости, коэффициента Пуассона в условиях, близких к атмосферным.

2.Нагружение образца до эффективного давления 60 МПа в течение 5 ч. Измерения пористости, модуля упругости, коэффи­ циента Пуассона при давлениях 12, 24, 36, 48, 60 МПа.

3.Выдержка образца под нагрузкой 60 МПа в течение 180 ч. Каждые 24 ч измерения пористости, модуля упругости, коэффи­ циента Пуассона.

4.Разгрузка образца до эффективного давления 30 МПа в те­ чение 10 ч. Измерение пористости, модуля упругости, коэффици­

ента Пуассона при эффективных давлениях 55, 50, 45, 40, 35,

30МПа.

Итого 195 ч на образец.

Для проницаемости:

1.Измерение проницаемости в условиях, близких к атмо­ сферным.

2.Нагружение образца до эффективного давления 60 МПа в течение 5 ч. Измерение проницаемости при давлениях 12, 24, 36, 48, 60 МПа.

3.Выдержка образца под нагрузкой 60 МПа в течение 180 ч. Каждые 24 ч измерение проницаемости.

4.Разгрузка образца до эффективного давления 30 МПа в те­ чение 10 ч. Измерение проницаемости при эффективных давле­ ниях 55, 50, 45, 40, 35, 30 МПа.

Итого 195 ч на образец.

Испытания проводились в институте «ТюменНИИгипрогаз». Основная цель проведенного эксперимента - получение пласти­ ческих (необратимых) величин деформаций образцов, характер­ ных для длительного действия эффективных напряжений. В