книги из ГПНТБ / Особенности вскрытия, испытания и опробования трещинных коллекторов нефти

Г Л А В Л Ш

Т Е О Р И Я И П Р А К Т И К А С О В Р Е М Е Н Н Ы Х М Е Т О Д О В И С П Ы Т А Н И Я

И О П Р О Б О В А Н И Я Т Р Е Щ И Н Н Ы Х К О Л Л Е К Т О Р О В Н Е Ф Т И И Г А З А В П Р О Ц Е С С Е Б У Р Е Н И Я

Принцип действия пластоиспытателя основан на создании пе­ репада давления (депрессии) между продуктивным горизонтом и скважиной (бурильной или обсадной колонной). За счет создан­ ной депрессии пластовая жидкость, преодолевая как естествен­ ные преграды, так и искусственные, возникшие в результате вскрытия продуктивного горизонта, устремляется в скважину. При работе с пластопспытателе.м депрессия и время стояния.на притоке, т. е. время воздействия депрессии на продуктивный го­ ризонт, имеют решающее значение. Казалось бы, этим двум пара­ метрам должно быть уделено максимальное внимание как со сто­ роны производственных, так и научно-исследовательских орга­ низаций. Однако это не так, н прежде всего потому, что до сих пор среди большинства производственников и ученых бытует мне­ ние, что чем больше создается депрессия, тем лучше. Так, А. К. Степанянц в своей известной книге «Вскрытие продуктивных пластов» [49], пишет, что большие депрессии желательны при интенсивной очистке призабойной зоны в малопроницаемых пла­ стах. Большие депрессии завышают выход газа из пласта по сравнению с нефтью, вызывают повышенный дебит нефти вслед­ ствие работы расширяющихся пузырьков газа.

Рекомендована методика, предусматривающая три первом спуске испытателя устанавливать максимально допустимую де­ прессию с целью очистки призабойной зоны и выявления содер­ жания нефти пласта, затем при втором спуске испытателя сни­ жать депрессию для получения более точных сведений о продук­ ции пласта и его параметрах.

Если рекомендации А. К. Степанянца совершенно правиль­ ны для гранулярных коллекторов, то для трещинных они мало­ приемлемы, так как их использование может привести к ошибоч­ ным выводам.

52

нефти, Белорусская ССР).

Все сказанное позволяет утверждать, что к величине депрес­ сии и времени стояния на притоке при опробовании трещинных коллекторов пластоиспытателем нельзя подходить упрощенно. Учитывая это, а также то, что в последнее время открывается все больше и больше месторождений, содержащих нефть в трещин-

53

ных коллекторах, с 1965 г. в БелНИГРИ были начаты лабора­ торные и промысловые исследования по установлению степени влияния различных параметров, задаваемых пластоиспытателю (депрессии и времени стояния на притоке), на трещинный коллек­ тор. Ниже приводятся результаты этих исследований.

§ 1. СОСТОЯНИЕ ПРИСТВОЛЬНОЙ з о н ы ПРОДУКТИВНОГО ГОРИЗОНТА ПЕРЕД СПУСКОМ ИСПЫТАТЕЛЯ ПЛАСТОВ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Напряженное состояние в приствольной зоне скважины возни­ кает под действием горного давления, создаваемого весом выше­ лежащих пород разреза. После проводки скважины напряжения в толще пород вокруг ствола определяются уравнениями [23]

°z = —Рт-

Для создания депрессии при опробовании продуктивных го­ ризонтов снижается давление столба жидкости в скважине. При максимальной депрессии рс=0 напряжения на стенки скважины будут соответственно равны

аг = — Рт-

Таким образом, при опробовании деформация призабониой зоны пласта в основном связана с действием кольцевого (танген­ циального) и вертикального сжимающих напряжений. Величина

54

вертикального напряжения равна горному давлению, а кольце­ вое сжимающее напряжение зависит от горного давления и коэф­

Всесоюзного института горной механики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) были проведены исследования явления бокового рас­ пора [30, 31, 34]. Несмотря на то что в этих исследованиях исполь­ зованы ограниченные нагрузки, встречающиеся в практике гор­ ных работ на твердые полезные ископаемые, они представляют интерес для оценки напряженного состояния приствольных зон нефтяных и газовых скважин.

Исследованиями ВНИМИ было установлено, что сжатие об­

активной нагрузки, сжимающей породу при условии полного предотвращения деформации выдавливания; В— коэффициент поперечной разгрузки, показывающий, насколько снижается дав­

грузки, действующей на образец: чем больше нагрузка, тем боль­ ше Ап и Ао, но в определенном интервале их можно принимать посто я н н ы м и вел ични а м и.

Аналогичным неравенством связаны между собой коэффици­ ент поперечной разгрузки при длительном развитии деформаций Вп и коэффициент поперечной разгрузки при кратковременном развитии деформаций В0:

(19)

Для пород, близких по свойствам к пластичным, значения коэф­ фициентов А близки к единице, коэффициентов В — к нулю. На основании проведенных исследований Б. В. Матвеев, Ю, М. Кар-

55

ташов и И. Г. Б еллад [31] сделали важный для практики вывод о том, что для расчетов напряженного состояния сжимаемого массива пород около горных выработок можно использовать ап­

Кроме того, для оценки напряжений и деформаций породы в мо­ мент приложения к ней нагрузок необходимо использовать вели­ чины А0 и В0, а по истечении достаточно длительного времени — соответственно Ап и Вп.

Метод испытания горных пород на боковой распор, разрабо­ танный ВНИМИ применительно к задачам прогноза горного дав­ ления на крепь шахтных стволов, состоит в приложении к цилин­ дрическим образцам породы (диаметром 36 мм и высотой 40 или 70 мм) объемных нагрузок, имитирующих горное и боковое дав­ ления, отвечающих задаваемым деформациям выдавливания (поперечным деформациям образца).

В табл. 17 в качестве примера приведены коэффициенты бо­ кового распора некоторых пород, определенные методом ВНИМИ [30].

Т а б л и ц а 17 Коэффициент боковогораспора некоторых пород

Из всего сказанного можно заключить, что кольцевые сжи­ мающие напряжения в зависимости от величины бокового рас­ пора могут быть меньше, равны или больше горного давления. Отсюда, напряженное состояние приствольной зоны продуктив­ ного горизонта зависит от физико-механических свойств горных

.56

пород, слагающих продуктивный интервал; времени, прошедшего с момента вскрытия до опробования, и времени процесса опробо­ вания.

После вскрытия скважиной разреза горных пород вступает в действие механизм перераспределения напряжений [12, 53], кото­ рый наиболее резко проявляет себя в приствольной зоне скважи­ ны. Это изменение напряжений непосредственно связано с геоло­ го-тектоническими особенностями разреза, литологией горных по­ род, чередованием менее прочных пластичных пластов с более прочными и упругими, техникой и технологией проводки скважи­ ны и многими другими факторами, действие которых изучено сла­ бо или вовсе не изучено. Наиболее сильное влияние на изменение напряженного состояния ствола скважины оказывает деформа­ ция пластичных пород разреза и вытекание их в ствол под дейст­ вием горного давления. При этом происходит снижение горного, давления в отложениях, залегающих под пластичным пластом, и снижение напряжений в пластах, залегающих выше, за счет об­

вить, что снижение горного давления в пластичном пласте опре­ деляется уравнением

1а

(22)

а

где Ро — снижение горного давления в кгс/см2 ; qn — горное дав­ ление до проводки скважины в кгс/см2 ; q — величина пониженно­ го горного давления в кгс/см2 ; Ко — коэффициент сцепления по­ роды пластичного пласта в зоне г0 в кгс/см2 ; a=igq>, ф — угол внутреннего трения; г, г0 и г% —соответственно текущий радиус, радиус нарушенной зоны пластичного пласта, радиус зоны пони­ женного горного давления в м.

Коэффициент сцепления и угол внутреннего трения являются характеристиками предельных состояний горной породы (паспор­ та прочности). При большом всестороннем сжатии можно при­ ближенно считать коэффициент сцепления постоянным, не зави­ сящим от изменения горного давления, т. е. /Со = /(—const. Угол внутреннего трения для пластичных пород в условиях большого давления всестороннего сжатия очень мал, т. е. с повышением давления а -> 0.

В условиях скважины, заполненной промывочной жидкостью? понижение радиального напряжения в приствольной зоне воз­ можно до величины, равной давлению столба глинистого раство­ ра. Учитывая это, минимально возможная величина горного дав­

57

практики точностью определяется из выражения

Обычно на практике представляет интерес радиус зоны понижен­ ного горного давления. Решая уравнение (24 ) относительно г%, получаем

горного давления зависит от радиуса зоны нарушения пласта, но

пятской впадины: средневзвешенная плотность горных пород 2,2 г/см3 ; плотность промывочной жидкости 1,2 г/см3 ; при буре­ нии скважины в зоне пластичного пласта образуются каверны, по­ этому радиус нарушенной зоны, включающий радиус каверн и участок пласта с нарушенной структурой, значительно больший диаметра скважины, для расчетов принят равным 2 м; коэффи­ циенты сцепления горных пород приняты ориентировочно 30, 50 и 100 кгс/см2 [10, 46, 48].

На глубинах 3 0 0 0 — 4 0 0 0 м зона пониженного горного давле­ ния простирается на 3 0 — 5 0 м ниже подошвы пласта, представ­ ленного пластичными породами. Величина зоны пониженного горного давления связана с радиусом нарушения (каверн) плас­ тичного пласта.

Некоторые исследователи считают, что в продуктивных горнзонтах нефтяных и газовых месторождений, залегающих на боль­ ших глубинах, наблюдалось снижение горного давления в про­ цессе формирования залежи в связи с особенностями тектониче­ ских процессов [46]. Чередование пластов, сложенных горными породами с различными физико-механическими и коллекторскими свойствами, также вызывает снижение горного давления в нефтяных и газовых скважинах.

Изменение напряженного состояния приствольной зоны про­ дуктивного горизонта влияет на особенности поведения коллек­ тора при вызове притока и извлечении пластовой жидкости [11, 13]. Вследствие высокой сжимаемости трещинных коллекторов

58

Т а б л и ц а 18

Величина радиуса разгруженной зоны при различных глубинах залегания пластичного пласта

Радиус зоны пониженного горного даплення, м

Глубина

залегания, м

Л'-ЗО кгс/см» К=50 кгс/см3 А"=10п. кгс/сма

действия горного давления лабораторные эксперименты проводи­ лись нами для трех наиболее характерных типов напряженных состояний приствольной зоны продуктивного горизонта: 1) все­ стороннего сжатия, равного горному давлению; 2) осевой нагруз­ ке, равной горному давлению, и боковом давлении, равном дав­ лению столба промывочной жидкости в скважине; 3) всесторон­ нем сжатии, равном давлению столба промывочной жидкости. В первом случае напряженное состояние соответствовало части пласта, удаленной от ствола скважины. Во втором — пристволь­ ной зоне скважины, вскрывшей разрез, представленный плотны­ ми и прочными породами с высокими упругими свойствами, име­ ющими низкий коэффициент бокового распора, в котором отсут­ ствует разгружающий пластичный горизонт. В третьем случае напряженное состояние соответствовало участку пласта в при­ ствольной зоне скважины, когда имеются хорошие условия для разгрузки горного давления.

Очевидно, в некоторых геологических условиях приствольная зона скважины последовательно с течением времени может нахо­

коллектора к натуре блоки моделей изготавливались из образцов керна, наиболее соответствующих по своим физико-механическим свойствам породам продуктивных горизонтов. В связи с тем, что основной целью экспериментов было изучение напряжений, воз­ никающих в блоках при изменении давления в трещинах, раскрытость искусственных трещин была выбрана из соображений сво­ бодной прокачки рабочей жидкости.

Блоки моделей представляли собой бруски керна с централь­ ными отверстиями, имитирующими скважины. Всестороннее сжа­ тие осуществлялось гидрообжимом, а осевая нагрузка (горное давление) —нажимом поршня. Через трещины в центральное от­ верстие подавалась жидкость, создающая пластовое давление или давление, подобное давлению столба жидкости в скважине. Такое нагружение вызывало напряжения в блоке, аналогичные

59

ветствие напряженного состояния будет достигнуто с достаточной для экспериментов точностью. В этом случае формула тангенци­ ального напряжения на стенки отверстия примет вид

Очевидно, условия подобия будут соблюдены, если

Аналогичным способом были проанализированы условия по­ добия на внешнем контуре модели.

Итак, для того чтобы создать напряженное состояние в моде­ ли из естественного образца, аналогичное естественному пласту, достаточно нагрузить модель осевым, внешним и внутренним дав­ лениями, соответственно равными горному, боковому и пластово­ му давлениям естественного пласта.

§ 2. УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для выполнения лабораторных исследований была спроекти­ рована и изготовлена специальная лабораторная установка, по­ зволяющая воспроизводить процессы опробования трещинного коллектора пластовой жидкостью с помощью испытателя пла­ стов. Принципиальная схема установки показана на рис. 17. Ус­ тановка представляет собой бомбу высокого давления 1 с закреп­ ленным снизу нажимным прессом 2, к которому подключены системы, обеспечивающие создание напряжений в модели тре­ щинного коллектора, подобных пластовым условиям; прокачку жидкости через трещины модели и моделирование процессов оп­ робования; измерение и запись деформаций модели и давления

6 служат для управления работой системы вручную. Автомати­ ческое управление насосом осуществляется контактным маномет­ ром 7. Наблюдение за давлением в камере ведется по образцово­ му манометру 8. Для создания бокового или всестороннего сжа­ тия модели трещинного коллектора используется насос 9, кото­ рый подает масло через компенсатор 10 в мультипликатор 11. Автоматическое управление насосом осуществляется с помощью контактного манометра 12. Наблюдение за давлением в камере ведется по образцовому манометру 13. Манометр 14 служит для контроля за работой мультипликатора 11.

Управление системой бокового давления осуществляется с помощью кранов 15, 16 и 17. Эти краны позволяют использовать систему бокового давления для выполнения технических опера­ ций, необходимых при обслуживании установки (выпрессовывание головки бомбы из камеры для смены модели трещинного кол-'

61