Отчет о научно-исследовательской работе нефтегазовый инжиниринг наименование дисциплины

1. Методы, направленные на восстановление, хотя бы частичное, естественной проницаемости породы в призабойной части пласта.
К таким способам следует отнести методы вибрационного воздействия на пласт, ультразвуковые методы, метод гидроимпульсного воздействия, имплозию пласта и т.п.
Цель применения этих методов - «прочищение» естественных фильтрационных каналов, загрязненных в процессе бурения и эксплуатации скважин. 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. 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.
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. Особое место среди традиционных способов повышения дебита скважин занимает гидроразрыв пласта.
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. Эффект при этом достигается прежде всего за счет значительного увеличения поверхности фильтрации, т.е. поверхности, через которую нефть из пласта поступает в скважину.
Метод гидроразрыва пласта хорошо зарекомендовал себя на месторождениях с различными коллекторами, в том числе и на терригенных с низкими коллекторскими свойствами. Однако, как показала практика, на терригенных коллекторах с высоким содержанием глин его эффективность оказывается недостаточной, что связано, вероятно, с набуханием глин в окрестности трещины гидроразрыва, приводящим к резкому уменьшению проницаемости породы в ее окрестности. Кроме того, при увеличении глубины разработки образование трещины гидроразрыва сталкивается с большими техническими трудностями, связанными с необходимостью создания и поддержания на забое скважины очень высоких давлений. Существенным недостатком способа гидроразрыва пласта является также высокая стоимость проведения работ, что связано с необходимостью использования специальной техники и специальных материалов.
В Институте проблем механики Российской академии наук группой специалистов был разработан новый способ повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта (первоначальное название - метод георыхления). В его основе лежат идеи, высказанные академиком С.А. Христиановичем относительно решающего влияния действующих в окрестности скважин напряжений на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит нефтяных и газовых скважин.
Ухудшение проницаемости призабойной зоны пласта (ПЗП) имеет место практически при любых условиях завершения строительства скважин и зависит от различных факторов. Как отмечалось, традиционно считается, что основным из них является загрязнение ПЗП в результате проникновения в пласт фильтрата и твердой фазы бурового раствора. В то же время роль напряжений в формировании фильтрационных свойств ПЗП исследована совершенно недостаточно.
Выполненные в последние годы специалистами Института проблем механики РАН под руководством автора теоретические исследования, многочисленные лабораторные испытания кернового материала на установке ИСТИН и опытно-промышленные работы на скважинах показали, что в зависимости от структуры и деформационных свойств породы, глубины залегания пластов и пластового давления нефти, конструкции забоя скважин и условий их эксплуатации возникающие в породе напряжения могут значительно (в разы и даже десятки раз) и, что важно, необратимо изменять проницаемость породы в призабойной зоне пласта. Причем, проницаемость может как увеличиваться, так и уменьшаться.
Причина необратимого уменьшения проницаемости породы связана с тем, что при достижении напряжениями некоторого предельного для данного материала значения (предела текучести), начинается пластическое деформирование имеющейся в песчанике глины, что приводит к "затеканию" части фильтрационных каналов и уменьшению проницаемости породы. В силу необратимости пластических деформаций уменьшение проницаемости также необратимо, что и наблюдается на практике.
Возможен и обратный процесс. Как показали исследования на установке ИСТИН образцов породы из коллекторов многочисленных месторождений, для большинства пород существуют напряженные состояния, при которых в них начинает развиваться процесс трещинообразования, приводящий к резкому увеличению проницаемости породы. Это явление было названо георыхлением. Если реализовать такие напряженные состояния в призабойной зоне пласта, то возникающие при этом трещины будут играть роль новых фильтрационных каналов, что приведет к резкому необратимому повышению проницаемости породы в призабойной зоне пласта. Академик С.А.Христиа-нович 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 (метод НРП).
Суть метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления создавать в окрестности скважины напряжения, приводящие к растрескиванию породы и созданию в пласте искусственной системы множественных макротрещин. Эта система трещин играет роль искусственной сетки фильтрационных каналов, причем проницаемость этой новой системы фильтрационных каналов значительно (на порядок) превышает природную проницаемость пласта.
На рис.4.1 приведена фотография образца породы после его испытания на установке ИСТИН [1], в ходе которых моделировалось создание депрессии на забое необсаженной скважины. На ней хорошо видно, как вокруг отверстий образуется система макротрещин. В случае менее прочных пород может происходить даже разрушение породы с выносом в отверстие, рис.4.2.

Рис. 4.1. Образование зоны трещин вокруг отверстия, имитирующего скважину в прочной породе

Рис. 4.2. Образование зоны трещин вокруг отверстия, имитирующего скважину в слабой породе.
На фотографиях хорошо видны образующиеся макротрещины, которые в случае скважин будут образовывать искусственную сетку фильтрационных каналов поверх загрязненной естественной системы фильтрационных каналов.
Второй важный момент метода направленной разгрузки пласта - это необходимость поддержания требуемого давления на забое скважины в течение достаточно длительного времени, поскольку процесс трещинообразования развивается постепенно, распространяясь со временем в глубь пласта. Это связано, во-первых, с перестройкой воронки депрессии в окрестности скважины, и, во-вторых, с тем, что при больших напряжениях горные породы перестают быть упругими и начинают деформироваться во времени («ползти»).
Опыт практического применения метода НРП показал, что за счет только снижения давления на забое скважины создать в пласте напряжения, необходимые для растрескивания породы, обычно не удается. Поэтому до снижения давления на забое скважины необходимо предварительно внести в пласт концентраторы напряжений, в окрестности которых напряжения значительно возрастают.
В качестве концентраторов напряжений могут выступать перфорационные отверстия, вертикальные или горизонтальные щели.
Наличие концентраторов напряжений позволяет не только инициировать рост процесс трещинообразования в окрестности скважины, но и сделать его значительно более интенсивным и протяженным.
Конечно, проще всего сделать дополнительную перфорацию. Однако проблема состоит в том, что величина напряжений, возникающих вокруг перфорационных отверстий, во многом зависит от их формы и объёма, плотности и т.д. Наиболее пригодны для этой цели перфорационные отверстия, форма которых близка к цилиндрической. Такие перфорационные системы нами уже разработаны. При работе на скважинах мы предлагаем провести дополнительную перфорацию в заранее выбранных интервалах.
На следующих пяти рисунках схематично продемонстрирован процесс трещинообразования в призабойной зоне пласта в процессе понижения давления на забое скважины.
На рис. 4.3 показан участок ствола обсаженной скважины с эксплуатационным перфорационным отверстием.

Рис. 4.3 Участок ствола скважины со старым перфорационным отверстием.
Затем скважина дополнительно перфорируется. На рис. 4.4 показано одно из дополнительных перфорационных отверстий, форма которого, как вы видите, значительно отличается от эксплуатационного.

Рис.4.4. Дополнительная перфорация скважины.
После дополнительной перфорации начинаем снижать давление на забое скважины. При некотором его значении вблизи дополнительных перфорационных отверстий порода начинает растрескиваться, рис.4.5.

Рис.4.5. Начало трещинообразования в породе при снижении давления на забое скважины.
Чтобы сделать процесс трещинообразования более интенсивным и распространить его максимально в глубь пласта, давление на забое скважины еще больше понижается и выдерживается необходимое время. На рис.4.6 схематично показано, как зона растрескивания породы увеличивается и захватывает эксплуатационные перфорационные отверстия, что также увеличивает дебит скважины.

Рис.4.6. Рост зоны трещинообразования в породе при дальнейшем понижении давления на забое скважины.

После проведения работ по методу направленной разгрузки пласта давление на забое скважин повышается до эксплуатационных значений, рис.4.7.

Рис.4.7. Искусственная система трещин в окрестности скважины после проведения работ по методу НРП.
Здесь следует отметить следующее. При гидроразрыве пласта после выполнения работ давление в скважине понижается. Соответственно понижается давление и в трещине гидроразрыва. Поэтому для поддержания ее раскрытия приходится закачивать в трещину пропант. При использовании метода НРП после проведения работ давление на забое скважины повышается. Соответственно повышается давление и внутри образовавшихся трещин. Поэтому они не только не закрываются, но даже несколько раскрываются, дополнительно увеличивая тем самым проницаемость породы в окрестности скважины, рис.4.7.
Эффект от применения метода направленной разгрузки пласта слагается из двух факторов - ликвидация эффекта кольматации и фактического увеличения поверхности фильтрации вокруг скважины.
1. При бурении и цементировании скважины вокруг нее в призабойной части пласта образуется зона пониженной проницаемости (зона кольматации). Причин ее образования несколько - это возникновение глинистой корки на поверхности скважины, засорение природных фильтрационных каналов твердыми частицами бурового раствора при бурении и частицами тампонажного раствора при цементировании скважин и др. Проницаемость породы в зоне кольматации зачастую ниже природной в десятки раз. Ухудшение проницаемости пласта в призабойной зоне происходит также не только при бурении скважин, но и при их эксплуатации. В результате дебит скважин оказывается существенно пониженным по сравнению с потенциально возможным.
2. Вторым фактором, приводящим к увеличению приемистости скважин при использовании метода направленной разгрузки пласта, является фактическое увеличение поверхности фильтрации воды в пласт за счет значительного, в десятки раз, увеличения проницаемости породы в призабойной части скважин. На рис.5.8 схематично изображен участок скважины в продуктивной части пласта, и зона (заштрихованная), в которой произошло трещинообразование.

Рис.5.8. Схематичное изображение зоны повышенной проницаемости
Если проницаемость породы в зоне трещинообразования k₂ повысилась более, чем в 10 раз, то с точки зрения фильтрации воды в пласт — это аналогично образованию вокруг скважины «каверны» такой же формы и размера. Соответственно возрастает и поверхность фильтрации воды в пласт и пропорционально ей - дебит скважины. Точный расчет формы и размера образующейся «каверны» представляет собой сложную трехмерную математическую задачу, для решения которой, кроме того, должны быть проведены дополнительные испытания образцов породы из продуктивной толщи пласта. Необходимо еще раз подчеркнуть, что зону георыхления вокруг скважины можно считать «каверной» лишь с точки зрения фильтрации воды в пласт, поскольку при большой проницаемости породы в ней она оказывает течению жидкости очень небольшое сопротивление. В действительности она, конечно, заполнена породой, но породой значительно более растресканной и разуплотненной, чем исходная.
Из изложенного следует, что для выработки оптимальных режимов освоения и эксплуатации скважин важно знать, к каким последствиям с точки зрения изменения проницаемости пласта приводят возникающие в породе напряжения, и какие давления необходимо поддерживать на забое скважины, чтобы, с одной стороны, не допустить негативных деформационных процессов в пласте, а с другой - инициировать процесс трещинообразования в окрестности скважины, увеличив тем самым проницаемость породы в этой области.
Для ответа на этот вопрос был использован тот же подход, что и при решении проблемы устойчивости стволов скважин, гл.3. На первом этапе рассчитываются напряжения, действующие в окрестности скважины при различных конструкциях ее забоя, и их изменение при изменении давления на забое. В простых случаях (открытый ствол скважины) - это аналитические расчеты, в более сложных (наличие обсадки, перфорационных отверстий, щелей и т.п.) - численные с использованием трехмерных программ расчета напряженнодеформированного состояния. Каждому из перечисленных выше случаев конструкции забоя соответствует своя программа нагружения образцов, отвечающая постепенному снижению давления на забое скважины.
Затем производится прямое моделирование анализируемой ситуации на установке ИСТИН. С этой целью к образцам породы прикладываются рассчитанные напряжения и регистрируется деформация образца в трех направлениях с одновременным измерением проницаемости образца. В результате определяются напряжения, и соответственно - давления на забое скважины, при которых в пласте начинается процесс трещинообразования или разрушения. На основе этих данных составляется план реализации метода направленной разгрузки пласта на конкретной скважине.

4.2. Методика проведения работ по повышению продуктивности скважин методом направленной разгрузки пласта

Разработка технологического регламента работ по повышению продуктивности скважин методом направленной разгрузки пласта (НРП) на конкретном месторождении включает в себя следующие этапы.