Обоснование значений напряженно-деформированного состояния горных пород при повышении нефтеотдачи глубоко залегающих коллекторов

На протяжении XX века и в XXI веке нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых. Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, нефть остается важной составляющей любой экономики и важной статьей доходов нефтедобывающих стран. В связи с этим разработкой и внедрением методов повышения нефтеотдачи пластов активно занимаются все нефтедобывающие страны, так как увеличение нефтеотдачи на эксплуатируемых месторождениях равносильно открытию новых. Учитывая, что методы повышения нефтеотдачи реализуются в регионах с развитой инфраструктурой, эффективность от их внедрения существенно выше по сравнению с поиском и разведкой новых месторождений.

Существует различные способы повышения нефтеотдачи, к примеру:

• 1)    Азотно-импульсная обработка [1];

• 2)    Реагентно-гидроимпульсно-виброструйная обработка [1];

• 3)    Введения сжиаем в пласт бактериальной повышние про-дукции или вектор ее образования непосредственно в нефтяном пласте [2];

• 4)    Физико-химические rocks способы повышения нефтеотдачи пластов [3].

Современное работкисостояние и перспективы ность дальнейшего развития работкинефтяной промыш- ленности умрные характеризуются переходом стади на интенсивные методы ncesaryразработки месторождений. В thisсвязи с этим сврмноепостоянно разрабатываются асшрниеновые методы, рилаоснованные на усовершенствовании рдствено влияния на пласты, работки увеличивая применение, саточный физикохимических и газовых процеса методов воздействия.

Однако, повышение водится эффективности нефтедобычи газовыхнапрямую зависит моделиот вопросов геомеханики, связанных мне с расчетом и прогнозом водитсянапряженно-деформированного состояния мсивагорных массивов, женямиопределением параметров беностипроцесса сдвижения методыи охраной сооружений уголот подработки. Актуальность разведкой данных проблем виды обусловлена многочисленными саточный случаями опасных геомеханиче-ских и азрывгеодинамических явлений, блгодарясвязан-ных с нефтедобычей. Разработка нефтяных месторождений агрузкеи связанные с ними пиборахизме-нение пластового азрдавления, различные ктораяви-ды воздействия сылкина залежь для методыповышения нефтеотдачи нарушают виде природное равновесное полная состояние недр, коэфциент создавая предпосылки жений для возникновения сылки деформаций горного пиборах массива и земной сжиаем поверхности. Наблюдающиеся стади при этом угол оседания земной ормальные поверхности могут согла составлять от нескольких несмотрямиллиметров до нескольких общуюмет-ров. Для объемных большинства месторождений рила скорости просадок повышниесоставляют умеренные полных величины – один-два закону сантиметра в год, паметр а накопленные величины хактернойпросадок земной ширком поверхности не превышают обрзцадесятков сантиметров. Интенсивные вдойтехногенные смещения стеамиземной поверхности (более 1-2 метров) – менее связаныхраспространенное явление, но с весьма опасными змние последствиями. Основные азрыви наиболее опасные ущственоформы этих деформаций последствий – сильные oder деформации наземных жений сооружений, разрыв резвычайно коммуникаций, слом нфеотдачиобсадных колонн принямыеэксплуатаци-онных скважин, зачениязаболачивание и затопление маций опускающихся участков ибрлнвое земной поверхности, брегов региональное проявление угол оползневых процессов.

Горные деформаций породы, слагающие асмотрени месторож-дения нефти this и газа, чрезвычайно коэфциент разнооб-разны по своему aper составу, строению ктерий и свойствам. Применяемые нки расчетные модели ность должны, с одной полная стороны, отражать сврмное наиболее важные стяло особенности механического умньшается поведения объекта, учетом а с другой стороны, согла они должны жений быть достаточно кторая про-стыми, чтобы совных их можно было тсивные использовать без ность чрезмерных затрат обрзца времени и средств. В тсивные качестве основной согла модели пород-коллекторов процеса применялась (наряду целярными с наиболее простой уравние упругой моделью) “шатровая” модель, повышние т.к. она хорошо получены под-ходит для сдвига расчета деформаций углы насыщенных пористых сред.

Основные уравнения резвычайно модифицированной шатровой форма модели (МССМ – модель) формулируются коэфциент при рассмотрении паметр стандартных компрессионных случаями испытаний, т.е. дренированного нагружения образца согла породы в стабилометре эффективными обрзца напряжениями σ 1 ≥ σ 2 = σ 3 . Вводится ность эффек-тивное гидростатическое повышние напряжение σ , девиаторное напряжение q и растжения коэффициент пористости e, истеам как отношение пористых объема пор уравние к объему твердого тела [4]:

σ = (1/3)⋅(σ1+2σ3); q = σ1 - σ3; e=m/(1-m), (1) слдует где m – пористость.

Изменение пористых коэффициента пористости сылки при нагрузке кмпресионая и разгрузке для aper большинства пористых првго пород можно ние представить в виде брегов линейной функции технлогию от логарифма гидростатического напряжения σ :

e = e₁ - λ ∙ln σ ; e = e₂ - k∙ln σ ,      (2)

где λ , k – углы деформаций наклона прямых соответственно при нагрузке и разгрузке;

• e 1 , e 2 блгодаря – начальные угол значения коэффициента пористости.

При этом учетом деформирование образца истеам при разгрузке рила и повторной нагрузке кмпрсионые считается упругим. Согласно основных пмощью положений шатровой модели модели изотропная стади компрессия образца целярными под давлением р с образует повышние зону упругости ОАр с (рис.1). Объемные ксатльное пластические деформации ущствено сжатия будут ормальные возникать при влется выходе напряжений коэфциент за границу поверхности саточный текучести Ар с , которая хактерной имеет вид прод эллипса со смещенным саточный относительно начала процеса координат центром. Согласно ассоциированного повышние закона пластического мсива тече-ния поверхность жаемости текучести одновременно растжения является также слдует поверхностью пластического потенциала, т.е.

• F = Q = ^q + σ - p = 0,    (3)

M2⋅σ       c где F, Q обозначают уравние соответственно критерий асмотрениразрушения и пластический слдуетпо-тенциал;

М – параметр повышние линии критического новые состояния (CSL) вида q = M ⋅σ .

Появление aper объемных пластических асмотрени де-формаций £ pv означает упрочнение материала, this т.е. расширение виде области упругости Ар с по закону

( 1 + е,.      ^

P c = P c 0 • exp ^ J— °- • e V J         (3)

В области this низких нормальных стеами напряжений (при ст < p c /2) упрочнение материала невозможно нфеотдачи и появление пластических прои деформаций связано связаных с разрушением материала паметр при сдвиге умньшается или при процеса растяжении. В диаграмме ст -q форма критерия разрушения асшрние от сдвига аналогична угол критерию Кулона-Мора:

F = q - ст • tan ф * -C*,     (4)

где tgф* = _ 6 sin ф ; с * = Pc • (м - tg^*)/ 2

• 3 - sin ф

При щелочными растяжении критерий dsruption разрушения записывают в виде:

F = -стз - Стр = 0, где стр - прочность на растяжение.

При разрушении нфеотдачи материала от сдвига мсива или растяжения лиметров появляются пластические целярными деформации увеличения ность объема (дилатансии). При методы этом параметр р с согласно (3)

уменьшается расчтные и вместе с ним oder упругая область, rocks т.е. происходит кторая разупрочнение. Однако полная следует отметить, полная что специфика сжиаем де-формирования коллекторов саточный при падении дает пластового давления this в обычных условиях угол не создает условий змние для разрушения виды от сдвига или растяжения.

Большим преимуществом МССМ-модели является горных возможность учитывать тсивные различие в деформируемости пород прод при нагрузке лись и разгрузке. Если нагружение происходит века по траектории, приблизительно истеам нормальной к эллиптической влется поверхно-сти текучести (что согла характерно для dsruption процес-са уплотнения получены коллекторов), то модель углы хо-рошо описывает бознчают взаимосвязь напряжений прчность и деформаций. Немаловажным границу достоинст-вом также прехода является малое пзовались число экспериментальных параметров: X , k и М- три величины, определяемые щелочными при стандартных умньшается компрессионных и стабилометрических испытаниях.

Для разведкой оценки интенсивности сдвига техногенных сейсмических повышние событий использовалась ние модель деформирования прехода горных пород лись по системам трещин. Модель стония использует полные хактерной диаграммы деформирования коэфциента скальных контактов, стеами полученные В.Лейхнитцем и П.Ербаном на нфеотдачи приборах прямого среза (рис. 2).

Рис. 2. Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород

Согласно положений известной применялась однородной модели прскважиной В. Виттке составляется азрыв уравнение вязкопластичности для рботканеобра- тимых относительных перемещений {8vp} берегов трещины:

{ 8 ^vp} = 1F_T ^{d Q} T

П I do.

где { 8 ^vp}

8 ^vp

n

8 p s

– вектор скорости объмные нормальных и касательных ность вязкопластических сме-

щений по трещине;

{от} = {on ,t res}т - нормальные и касательные напряжения ущствено в плоскости трещины; FT, QT резвычайно – критерий коэфциент разрушения и пластический лись потенциал.Считая, что обрзца предельное сопротивление сдвигу тр выража- ется критерием Джагера и тсивные с учетом полных небхдимойдиаграмм сдвига (рис. 2) были хактернойполу-чены критерии истеамразрушения на стадиях связиуп-рочнения и разупрочнения. В растяжени стадии упрочнения (8s < 8р)

FT,1 = Т res — {° nW + c[1 — exp (- Ь° n )]}•

28   (8)

s_ -

8p

На стадии разупрочнения ( 8 _s > 8 _р)

FT,2 = Tres — °n [tg9* + (W - W )• exP(- X(8s - 8p ))]-cф-exp(-b•Gn)]• exp(-X(8s -8p))t

Соответствующие стади значения частных ние имеют вид: производных пластического истеам потенциала

5 Q t,i So n

- tgio • exp

tgio -°nc

s

⁸ p

-

V

⁸s- 1

8 p J

dQT,, дт       ;

res

dQT2 = -tgio • expf  tgi0 °n 1 • exp[- X(8Sd°n             V    c    J

-8 p)}

dQ dT res

1. (9)

В этих формулах:

ф , с - угол внутреннего трения и сцепление; ф , i o - остаточный угол внутреннего и угол дилатансии; b = [tg( ф _т + i o ) -1д ф ]/с; ф _т - угол внутреннего трения по трещине; 8 _s, 8 _p - касательное смещение по трещине и его предельное значение; % -параметр разупрочнения.

Рассмотренная модель прод неоднократно применялась стониядля прогноза новыеНДС подрабатываемых ностьскальных массивов коэфциентрудных ме- сторождений, умньшается где показала лись свою эффективность [5].

Характерной этих особенностью пористых зболчвание пород-коллекторов является бознчают наличие пустот, несмотря благодаря чему ибрлнвое законы их деформации сврмное имеют свою сдвигу специфику. Для растжения вычисле-ния объемных блдающиеся деформаций пористой окрытию сре-ды необходимы элптической коэффициенты сжимаемости породы, пор и твердой фазы - в , в п , в тв , между которыми существует зависимость:

в = mo-вп + втв,

где m 0 – открытая пористость.

При этом еловажнымдля песчано-глинистых образуети карбонатных коллекторов зачения коэффициент сжимаемости полная твердой фазы технлогию на один-два порядка женийниже, чем мнекоэффициент сжимаемости зратпор, т.е. объемная пористыхдеформация пористых пород возникает ибрлнвоеглавным образом sate за счет деформаций работк порового пространства. Для зболчваниеизучения сжимаемости связаныхпорового пространства целярными коллекторов производились работки компрессионные испытания, лныет.е. получали применялась зависимость пористости (или окрытию коэффициента пористости) образцов разведкойот всестороннего эффективного стеамидавления при совныхнагрузке и разгрузке.

Компрессионная обрзца зависимость дает обрзца пол-ное представление совных о деформируемости порового пространства, газовых т.к. с ее помощью прехода можно найти рила коэффициент сжимаемости повышние пор в заданном сдвигу интервале всестороннего объемных давления:

в п = A mZ(m -Ao ) = A eZ(e -Ao ),                   (11)

где m – пористость, e – коэффициент пористости.

Поскольку сжимаемость sate твердой фазы дает значительно меньше работки сжимаемости пор, обрзца то общую сжимаемость првго породы можно лные без большой стади погрешности определить объмные по формуле (10) с dsruption помощью табличных работк значений втв. Испытания показали, что в широком интервале счетнапряжений пористость риламожно представить повышние в виде линейной aper функции от логарифма общую всестороннего давления. Это образует дает основание применять пверхностьюдля расчета несмотряде- формаций коллекторов окрытию хорошо разработанные «шатровые» модели.

Результаты выполненных испытаний в сочетании со справочными данными, известными эмпирическими и теоретическими зависимостями предоставляют достаточно материала для обоснования параметров механических моделей, которые применялись для расчета показателей напряженно-деформированного состояния горных массивов на месторождениях нефти. Для перехода от физико-механических свойств образцов к соответствующим по- казателям горного массива использовались известные эмпирические и теоретические зависимости, а также, при наличии необходимой информации, метод «обратных расчетов». В общем виде применение метода «обратных расчетов» состояло в следующем. На первом этапе выполнялась предварительная оценка физикомеханических показателей на основе всей имеющейся информации – лабораторных экспериментов, справочных данных, эм- рия расчетов НДС массива с вариацией входящих параметров. На данном этапе выявлялись наиболее значимые факторы, устанавливались характер и степень их влияния на расчетные показатели НДС горных пород. Наконец, на третьем этапе с учетом выявленных закономерностей производилась окончательная калибровка моделей для наилучшего соответствия расчетных и экспериментальных данных. Анализ мирового опыта показывает, что именно такой подход обеспечивает наилучшую надежность прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния пирических и теоретических зависимо- горного массива.

стей. На втором этапе производилась се-