Отчет о научно-исследовательской работе нефтегазовый инжиниринг наименование дисциплины

1.3. Геомеханические процессы. Методы изучения

Производство горных работ сопровождается нарушением естественного напряженного состояния породных массивов. Горные работы всегда связаны с образованием выработанных пространств в породном массиве или горных выработок. Окружающие выработку горные породы перемещаются в сторону выработанного пространства, причем величина этих перемещений тем больше, чем ближе горные породы расположены к породному обнажению, т.е. вмещающий горную выработку породный массив деформируется. Деформации растяжения в направлении выработки (в «радиальном» направлении) сопровождаются деформациями сжатия во взаимно перпендикулярных направлениях (в «окружном» и «продольном» направлениях), которые обычно совпадают с направлениями очертания контура выработки. Возникающие вокруг выработки деформации растяжения и сжатия горных пород определяют появление соответствующих по знаку и величине дополнительных напряжений, которые искажают или нарушают естественное напряженное состояние породных массивов.
Вокруг горных выработок формируется новое напряженнодеформированное состояние, которое наиболее существенно отличается от естественного вблизи контура выработок. Другой характерной чертой нового напряженно-деформированного состояния вокруг выработок обычно является относительное увеличение или концентрация «окружных» нормальных напряжений и относительное уменьшение или деконцентрация «радиальных» нормальных напряжений. Концентрация напряжений формирует так называемые области опорного давления, а деконцентрация – области разгрузки в породном массиве.
Если новое напряженно-деформированное состояние превосходит некоторый предельный для породного массива уровень, начинается его разрушение, которое в свою очередь изменяет напряженно-деформированное состояние вокруг выработок. Концентрация напряжений или опорное давление смещается вглубь массива, разгружая его приконтурную область. Разрушение на контуре выработок может носить спокойный статистический характер или динамический в виде горных ударов и выбросов. Но даже при статическом разрушении горных пород они представляют опасность для нормальной эксплуатации выработок, так как могут потерять устойчивость и обрушиться в выработку.
Таковы самые общие качественные закономерности геомеханических процессов, независимо от того, где они имеют место: вокруг капитальных, подготовительных или очистных выработок, при разработке пластовых или рудных месторождений, при подземных или открытых горных работах.
Для решения тех или иных инженерных задач горного дела, помимо качественного описания геомеханических процессов, необходима их количественная оценка, которая может быть получена в результате натурных измерений различных проявлений геомеханических процессов или в результате их моделирования. Моделирование обладает тем преимуществом по сравнению с натурными измерениями, что раскрывает общие качественные и количественные закономерности геомеханических процессов. Для анализа геомеханических процессов используется физическое и математическое моделирование.
Математическое моделирование имеет определенные преимущества перед физическим моделированием. Оно обладает наибольшей общностью при описании геомеханических процессов, так как свободно от влияния частных факторов, отражающих специфику горнотехнической ситуации и обычно воспроизводимых при физическом моделировании. Математическое моделирование позволяет исследовать геомеханические процессы в более широком диапазоне определяющих факторов, т.е. позволяет прогнозировать развитие геомеханических процессов.
В качестве методов математического моделирования наиболее широко используются методы механики сплошной среды: механики деформируемого твердого тела (теории упругости, теории пластичности, теории ползучести), механики сыпучих, вязких и жидких тел.
Имеется опыт математического моделирования с применением методов механики дискретной среды, которые в определенных условиях, например, для раздельно блочных породных массивов, представляются весьма перспективными.
С развитием вычислительной техники в математическом моделировании, наряду с традиционными аналитическими методами, все шире применяются численные методы.
Среди физических методов моделирования получило применение моделирование на эквивалентных материалах, на оптически активных материалах и центробежное моделирование.
Метод эквивалентных материалов основан на моделировании геомеханических процессов с помощью искусственных материалов, образующих модель исследуемого породного массива с выработками при соблюдении специальных критериев подобия. Этот метод позволяет исследовать, главным образом, качественную сторону геомеханических процессов.
Моделирование на эквивалентных материалах оказывается полезным в сложных по геологическому строению массивах для анализа геомеханических процессов, сопровождающихся расслаиванием, разрушением и перемещением горных пород. Метод позволяет также воспроизводить основные горнотехнические операции по выемке полезного ископаемого и креплению выработок. Вместе с тем следует подчеркнуть, что с помощью этого метода затруднительно построить подробную картину распределения напряжений в исследуемом породном массиве.
В основе поляризационно-оптического метода лежит способность некоторых прозрачных материалов приобретать под действием механической нагрузки свойство временного двойного лучепреломления.
Если на пути поляризованного луча, полученного после его прохождения через поляризатор, поместить напряженную плоскую модель из оптически чувствительного материала, то в каждой точке модели луч света будет разложен на два плоско-поляризованных луча, плоскости колебания, которые взаимно перпендикулярны и совпадают с направлениями главных нормальных напряжений. Имея различные скорости распространения, эти два луча приобретают на выходе из модели разность хода. После прохождения через анализатор лучи приводятся к одной плоскости, колебания опережающего и отстающего лучей, называемых изохромами, складываются и создают интерференционную картину полосы с одинаковой интенсивностью освещения, соединяют точки с одинаковой разностью хода и, следовательно, с одинаковой разностью главных нормальных напряжений.
Моделирование на оптически активных материалах позволяет построить распределение напряжений в исследуемом породном массиве, но становится малополезным при исследовании процессов разрушения и расслоения массива
Метод центробежного моделирования заключается в замере гравитационных сил инерционными, создаваемыми в модели в результате ее вращения в карете центрифуги. В принципе метод позволяет моделировать объемное напряженно-деформированное состояние пород вокруг выработок как в упругой области, так и за ее пределами.
Модель объекта, выполненную в защитном геометрическом масштабе, помещают в центрифуги и путем равномерного вращения нагружают объемными инерционными силами, придавая тем самым породам модели некоторый фиктивный удельный вес. Это позволяет в ряде случаев для изготовления модели принять материал, одинаковый по физико-механическим свойствам с материалом натуры, что создает определенные преимущества перед методом эквивалентных материалов.

1.4. Методология применения основ геомеханических моделей

Породный массив является сложной физической средой и обладает целым рядом структурно-механических особенностей, которые в значительной степени определяют его механическое состояние.
В самом общем случае породный массив является физически дискретной, неоднородной, анизотропной средой с начальным напряженным состоянием. Факторы, влияющие на формирование в породном массиве структурномеханических особенностей, могут быть геологические, инженерногеологические и горнотехнические (рисунок 1).
Очевидно, что математическое описание подобной среды является крайне сложным, а решение конкретных задач обычными аналитическими методами становится практически невозможным из-за непреодолимых математических трудностей.
Это обстоятельство вынуждает нас при аналитическом исследовании геомеханических процессов в качестве объекта исследований рассматривать не собственно породный массив, а некоторое его идеализированное математическое отображение, которое в дальнейшем будем именовать геомеханической моделью. Геомеханическая модель с определенной степенью приближения отображает механические свойства реального породного массива и закономерности их изменения в пространстве и времени.

Рис. 1. Схема к составлению геомеханической модели породного массива.
На основе геомеханических моделей могут быть составлены различные схемы, позволяющие исследовать закономерности механических процессов деформирования в зависимости от конкретных условий ведения горных работ. Иными словами, под расчетной схемой понимается определенная геомеханическая модель, для которой задана совокупность начальных и граничных условий, а также предопределен характер реализации механических процессов деформирования.
Говоря о том, что геомеханическая модель является идеализацией реального породного массива, приблеженно отражающией его свойства, мы подразумеваем следующие два основных аспекта.
Во-первых, при переходе от породного массива к его геомеханической модели ряд структурно-механических особенностей учитываются не в явном виде, а в косвенном. Например, породный массив со смешанной трещиноватостью естественного происхождения может быть представлен моделью нетрещиноватой, но анизотропной среды с эквивалентными характеристиками, т.е. исследование влияния трещинноватости на механические процессы деформирования массива сводится к изучению влияния анизотропии деформационных свойств геомеханической модели.
Во-вторых, в конкретной горно-геологической и горнотехнической обстановке степень проявления различных структурно-механических особенностей может быть таковой, что их учет не внесет принципиальных качественных и количественных изменений в оценку изучаемых механических процессов.
Последнее обстоятельство приводит к мысли о целесообразности иметь не одну универсальную геомеханическую модель, а их набор, причем каждая из этих моделей должна быть эквивалентна реальному массиву по его основному (в данных условиях) признаку.
Систематизируем эти модели следующим образом (рис. 1.). Прежде всего, следует выделить две основные группы моделей, характеризующие одну из важнейших структурно-механических особенностей породного массива, его сплошность. С этой точки зрения реальный породный массив может быть представлен моделями сплошной и дискретной среды.
В зависимости от характера связи между напряжениями и деформациями геомеханические модели сплошной среды могут подразделяться на модели линейно и нелинейно деформируемые.
Далее, в зависимости от сочетания структурно-механических особенностей и степени их проявления систематизацию геомеханических моделей сплошной среды можно представить следующим образом: неоднородная анизотропия; неоднородная изотропная; однородная анизотропия; однородная изотропия.
И наконец, с точки зрения поведения перечисленных моделей во времени они могут быть отнесены к классу реономных и склереномных.
Общая постановка комплекса инженерных исследований породного массива в целях количественного прогноза их механического поведения может быть представлена в виде совокупности следующих проблем.
Изучение породного массива как природного образования с отражением основных геологических факторов, существенных для решения инженерной задачи: структуры массива, состава пород, экзогенных явлений. В итоге исследуемый массив схематизируется геолого-структурной моделью.
Исследование механических свойств породного массива как элементов геолого-структурной модели и схематизации их на этой основе как отдельных разновидностей деформируемых тел (например, упругое или упруговязкое тело, зернистая среда). В результате создается геомеханическая модель исследуемого массива, содержащая данные о пространственном расположении и свойствах элементов геолого-структурной модели как механически взаимодействующих тел.
Решение задач геомеханики с целью количественного прогноза напряженно-деформированного состояния и движений массива, оценки прочности и устойчивости массива или его отдельных частей при тех или иных внешних воздействиях (сила тяжести, нагрузки сооружений, сейсмика и т.д.).
Геомеханическая модель строится для решения определенной инженерной проблемы. При этом в зависимости от представлений о распределении массы веществ в пространстве и во времени взаимодействующих тел выбирается модель сплошной или дискретной зернистой среды.

2. Геомеханическое моделирование. Оптимизация разработки.

При бурении скважин, разработке месторождений углеводородов и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) большое внимание традиционно уделяется геологическому и гидродинамическому моделированию. При этом до настоящего времени геомеханические модели широко не использовались. Осознание специалистами возросшей роли геомеханических исследований [4] привело к тому, что в настоящее время соответствующие разделы повсеместно включаются в проекты разработки. Практически все используемые геомеханические модели базируются на геологических моделях, которые определяют расположение набора пластов и пропластков. Далее с помощью уравнений теории упругости вычисляются действующие напряжения и деформации породы.

Представляется, что основной недостаток существующего подхода к геомеханическому моделированию заключается в первую очередь в том, что такие модели опираются на современный геологический разрез месторождения или ПХГ. При этом напряженно-деформированное состояние (НДС) породы в конкретной точке определяется в основном частью горного давления, пропорциональной глубине залегания и средней плотности вышележащих горных пород [5]. Традиционные геомеханические модели не учитывают истории формирования залежи в масштабе геологического времени и действующих при этом вплоть до настоящего момента тектонических сил. Соответствующие напряжения, как показано далее, сравнимы и даже могут превышать часть горного давления, обычно принимаемую во внимание, поэтому их неучет в геомеханических моделях не может быть оправдан, так как не позволяет правильно определить НДС породы.
В связи с этим предлагается новый подход к геомеханическому моделированию. Идея состоит в том, чтобы при палеогеомеханическом 3D-моделировании палеоструктурные построения отвечали за учет динамики целевого объекта (наибольшее внимание на месторождениях и ПХГ уделяется пластам-коллекторам) в геологическом времени, обеспечивая тем самым определение действующих на границах геологических периодов полей напряжений с учетом тектонических сил. Использование на рассматриваемых этапах критериев разрушения позволяет выяснить пространственное расположение областей трещиноватости породы, образующихся в результате разрушения растяжением или сдвигом. Знание месторасположения таких областей важно, например, при строительстве эксплуатационных скважин, поскольку эти области проявляют улучшенные фильтрационноемкостные свойства (ФЕС). Построение 3D-модели дает подробную картину значимых параметров НДС породы. Далее основные этапы палеогеомеханического 3D-моделирования рассматриваются на примере Невского ПХГ [3].

2.1. Построение 3D-палеоструктур объекта исследования

Далее будут использованы ранее опубликованные данные по стратиграфическим разбивкам скважин Гдовского горизонта Невского ПХГ [6, 7]. Здесь газ хранится в относительно тонком I гдовском пласте, входящем в состав Гдовского горизонта и примыкающем к его подошве. Показано [6, 7], что основной структурообразующий этап для кровли Гдовского горизонта приурочен к моменту завершения формирования Воронежского горизонта и полностью совпадает с современным структурным планом. Можно построить все трехмерные палеоструктуры, соответствующие известным реперным горизонтам, выделяемым в осадочном чехле. Для каждой из них может быть построена полная трехмерная картина НДС породы Гдовского горизонта в соответствующие моменты геологического времени. В настоящей статье речь будет идти о тех палеоструктурах, когда деформации целевого объекта – I гдовского пласта – были существенными, что говорит о значительности вызвавших их тектонических напряжений и возможном образовании областей трещиноватости породы. Далее новый подход, т.е. палеогеомеханическое 3D-моделирование, будет продемонстрирован с использованием трех палеоструктур: на момент завершения формирования собственно Гдовского горизонта, на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта (рис. 2.1) и на современном этапе [3].

Рис. 2.1. Разность абсолютных отметок кровли Гдовского и Пярнуско-Наровского горизонтов, м

Как известно [6], Невское ПХГ простирается в направлении от юга-запада к северо-востоку. Будем использовать условную прямоугольную систему координат XYZ, оси X и Y лежат в горизонтальной плоскости. Для удобства трехмерного моделирования в системе координат оси X и Y повернуты против часовой стрелки на 45° относительно направления на север, а ось Z направлена вглубь Земли. Абсолютные отметки горизонтов взяты со знаком плюс, что удобно для 3D-графиков палеоструктур. В выбранной системе координат ПХГ простирается в направлении оси X, рассматриваемая область в горизонтальной плоскости охватывает эксплуатационные и разведочные скважины, по которым имеется информация о стратиграфических разбивках. Понятно, что переход от традиционных координат с направлением осей с юга на север и с запада на восток не затрагивает физической сущности вопроса и не может влиять на результаты.

Как легко показать, изгиб Гдовского горизонта на каждом геологическом этапе определяется разностью абсолютных отметок ξ(x, y) кровли Гдовского горизонта и кровли горизонта, формирование которого завершилось на данном этапе. Палеоструктура на рис. 2.1 характеризует деформацию Гдовского горизонта на момент завершения накопления Пярнуско-Наровского горизонта.

2.2. Определение НДС породы в масштабе целевого объекта

В разработанной палеогеомеханической 3D-модели [3] будем использовать принцип независимости действия сил [8]. При этом напряжения и деформации, существующие в рассматриваемой системе, есть результат суперпозиции напряжений и деформаций, вызванных различными нагрузками, приложенными к системе.

Во-первых, будем рассматривать обычно учитываемые напряжения, связанные с весом вышележащих горных пород. Запишем соответствующие выражения для эффективных, т.е. действующих на скелет породы, вертикальной σвэ и горизонтальной σгэ составляющих напряжения:

(2.1)
(2.2)
где
ρп – средняя плотность вышележащих горных пород;
g – ускорение свободного падения;
H – глубина залегания;
p – давление флюида в пласте;
ν – коэффициент Пуассона породы.
Во-вторых, будем рассматривать связанные с тектоническими силами напряжения, которые в обычных геомеханических моделях неизвестны и поэтому не могут быть учтены, хотя в реальности они весьма существенны и способны даже превышать напряжения, связанные с весом вышележащих пород. Трехмерные палеоструктуры, изменяющиеся при переходе от одного геологического периода к другому, позволяют найти напряжения, связанные с тектоническими нагрузками. Итоговые напряжения, действующие в любой точке на породу Гдовского горизонта, определялись суммированием соответствующих компонент напряжений, определяемых как весом вышележащих горных пород, так и тектоническими силами.
После нахождения главных горизонтальных σ1, σ2 и вертикального σ3 напряжений проверялось выполнение критериев разрушения. Первое условие разрушения породы пласта действующими на него растягивающими напряжениями, которые в существующих геомеханических моделях практически не могут возникнуть, имеет вид:
(2.3)
где
σр – предел прочности породы на одноосное растяжение;
σмин – минимальное из главных напряжений, действующих на породу/
В результате находились области трещиноватости и улучшенных ФЕС породы I гдовского пласта, созданные под действием растягивающих напряжений.
Вторым использовался критерий Кулона – Мора:
(2.4)
где
σмакс – максимальное из главных напряжений, действующих на породу;
С и – соответственно сцепление и угол разрушения породы пласта (где φ – угол внутреннего трения породы).
Критерий Кулона – Мора позволил найти области трещиноватости I гдовского пласта как результат сдвиговых разрушений. Ранее образование таких областей в пластахколлекторах рассматривалось в одномерной постановке [5].
Поскольку в областях разрушений породы растяжением и сдвигом приближение упругой деформации не работает, главные напряжения в этих областях находились с помощью критерия Кулона – Мора. Таким образом определено полное (3D) поле напряжений в целевом объекте – I гдовском пласте Невского ПХГ. Поскольку средняя толщина I гдовского пласта (объекта хранения газа) на порядок меньше средней толщины Гдовского горизонта, значения величин, определяемых в палеогеомеханической 3D-модели, слабо изменяются по толщине I гдовского пласта. Без ограничения общности давление флюида в I гдовском пласте будем считать гидростатическим.
Расчеты проводились с помощью программы, написанной на Фортране [3]. Расчетная сетка по горизонтали состояла из 500 тыс. узлов, в некоторых случаях из 2 млн узлов. Использовались также следующие входные данные: ρп = 2500 кг/м³; С = 3,03 МПа и φ = 38,9°, по результатам исследования керна из интервала 1002–1018 м скважины № 184 Гдовского горизонта Невского ПХГ [4]. Поскольку эксперименты по определению модуля Юнга (E), ν и σр для гдовского песчаника не проводились, использовались данные для близкого по свойствам песчаника Шигровского горизонта Увязовского ПХГ: E = 4,4 ГПа, ν = 0,28, σр = 0,37 МПа.

2.3. Анализ результатов 3D-моделирования

Результаты для I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта приведены на рис. 2.2, где показана схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ. Видно, что области с упругой деформацией пород составляют бо́льшую часть площади ПХГ. Области разрушения породы растягивающими напряжениями образуют сложную структуру из крупных «пятен» в левом нижнем и правом верхнем углах схемы, а также у ее правой границы. В дополнение к крупным имеется множество мелких областей трещиноватости, возникшей вследствие разрушения растяжением, распределенных по площади структуры.

Рис. 2.2. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта
Отметим, что уже сам факт появления областей разрушения породы растягивающими напряжениями говорит о значимости и величине тектонических сил, которые в традиционных геомеханических моделях не учитываются. Действительно, найденные в палеогеомеханической 3D-модели напряжения, связанные с тектоническими силами, сравнимы по величине или даже превышают обычно рассматриваемые напряжения, связанные с весом вышележащих горных пород.
Области разрушения сдвигом породы I гдовского пласта Невского ПХГ смещены от центра к левому нижнему углу схемы и занимают значительно меньшую площадь по сравнению с областями разрушения породы растягивающими напряжениями. Это сложная мозаика из сравнительно небольших пятен, обусловленная изменчивостью палеорельефа в этих областях. Важность правильного и точного определения на местности областей разрушения породы сдвигом подтверждается близким расположением эксплуатационных скважин Невского ПХГ.
Результаты палеогеомеханического 3D-моделирования для I гдовского пласта Невского ПХГ на современном этапе [3] приведены на рис. 2.3–2.5.

Рис. 2.3. Увеличенный фрагмент схемы областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на современном этапе

Рис. 2.4. Линии уровня минимального главного напряжения, действующего на породу I гдовского пласта на современном этапе, построенные по трехмерному полю напряжений, Мпа

Рис. 2.5. Линии уровня трехмерного распределения направления минимального главного напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте на современном этапе: на шкале справа указан диапазон угла отклонения от направления на северо-запад, град.
Выбрана одна из центральных областей ПХГ, где размещены эксплуатационные скважины, приведенные на рис. 2.2. В отличие от ПХГ в целом в выбранном фрагменте области разрушения породы растяжением и сдвигом занимают существенную часть площади – примерно половину или более. Форма областей разрушения причудливая, «мозаичная», обусловленная сложностью формы палеорельефа, причем в отличие от всего ПХГ площади областей с различными типами разрушений сравнимы по величине между собой. Области разрушения породы сдвигом могут как примыкать к областям разрушения растяжением (см. рис. 3), так и образовывать отдельные области.
Таким образом, разработанная палеогеомеханическая 3D-модель [3] позволяет детально локализовать трещиноватые области целевого пласта, в рассматриваемом случае I гдова. Практическое использование результатов моделирования перспективно для решения задач проектирования разработки, оптимального размещения эксплуатационных скважин там, где структурные ловушки сочетаются с областями трещиноватости породы с улучшенными ФЕС, и других важных проблем разработки месторождений и эксплуатации ПХГ.
Отдельная важная задача – оптимальный дизайн гидроразрыва пласта (ГРП). Для моделирования ГРП необходимо найти трехмерное поле напряжений, действующих на породу пласта. Особенно важно пространственное распределение по величине и направлению минимального горизонтального главного напряжения, определяющего направление трещины ГРП и необходимые давления. С областями разрушенной, трещиноватой породы хорошо согласуются области с величиной минимального горизонтального главного напряжения от 0,5 до 3 МПа (рис. 2.4).
На современном этапе, как и ранее – на момент завершения формирования ПярнускоНаровского горизонта, проявляется новый важный результат, который невозможно было получить в традиционной геомеханической модели. Он состоит в обнаружении присутствия на структуре локальных, небольших по площади областей сильного сжатия породы (рис. 2.4). Причина их существования – действие тектонических сил, обусловливающих изменение палеорельефа в течение геологического времени. На современном этапе горизонтальные сжимающие напряжения локально достигают уровня 24 МПа, что, конечно, существенно превышает возможные напряжения, определяемые весом вышележащих пород, в традиционных моделях.
При моделировании и проектировании ГРП наряду с величиной минимального главного горизонтального напряжения самое важное значение имеет его направление. На основе палеогеомеханической 3D-модели проведены расчеты трехмерного распределения направления минимального главного напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте (рис. 2.5).
Направление минимального главного горизонтального напряжения в породе характеризовалось углом отклонения от направления на северо-запад (рис. 2.5). Можно сделать вывод, что в целом по площади ПХГ направление минимального главного горизонтального напряжения близко к направлению вдоль оси Y (поперек структуры), отклонение по углу в основном не превышает 15° как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Анализ результатов для 3D-распределения направления минимального главного напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте на современном этапе (рис. 2.5), показывает наличие в структуре протяженных «нитевидных» областей, причем поперек «нити» угол отклонения минимального главного горизонтального напряжения быстро меняется. Существование таких областей потребует при планировании ГРП детального локального анализа на основе палеогеомеханической 3D-модели для корректного определения направления трещин ГРП.
Список литературы 1. Пятахин М.В. Геомеханические проблемы при эксплуатации скважин / М.В. Пятахин. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. – 266 с. 2. Пятахин М.В. Управление техногенной трещиноватостью для улучшения фильтрационно-емкостных свойств коллекторов подземных хранилищ газа / М.В. Пятахин, Ю.М. Пятахина // Газовая промышленность. – 2016. – № 4. – C. 39–43. 3. Давыдов А.Н. Создание матрицы напряжений Гдовского горизонта Невского подземного хранилища газа для уточнения мест заложения эксплуатационных скважин / А.Н. Давыдов, Г.Н. Рубан, Г.А. Шерстобитова и др. // Георесурсы. – 2010. – № 4 (36). – C. 35–39. 4. Хан С.А. Совершенствование метода палеоструктурного анализа для повышения эффективности эксплуатации нефтегазовых месторождений и ПХГ / С.А. Хан, А.Н. Давыдов. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. – 137 с. 5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. – М.: Наука, 1976. – 608 с. 6. Ландау Л.Д. Теория упругости / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1987. – 248 с.

1. Механико-математическая модель и прямое моделирование разрушения анизотропных горных пород при проводке и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин.

Решение любой геомеханической проблемы подразумевает ответ на два вопроса. Первый - каковы напряжения, возникающие в горной породе при тех или иных технологических операциях, проводимых в пласте. Второй - какова реакция горных пород с точки зрения их деформирования и разрушения на приложение к ней этих напряжений.

Ответ на первый вопрос не представляет принципиальных трудностей, поскольку численные методы для его решения развиты достаточно хорошо. Для их использования необходимо знание упругих и прочностных характеристик изучаемых горных пород. Для изотропных горных пород они могут быть определены на стандартных испытательных системах, а для анизотропных горных пород для этого необходимы испытательные стенды, осуществляющие истинно трехосное независимое нагружение образцов.
Основная проблема заключается в ответе на второй вопрос.
Традиционным подходом к его решению является создание математических моделей, и попытка с их помощью ответить на указанные вопросы. Однако для горных пород с ярко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств (в частности для слоистых пород) и к тому же существенно неоднородным подобный путь сталкивается с большими трудностями.
Это связано с тем, что попытки создания математических моделей, адекватно описывающих процессы деформирования и разрушения анизотропных неоднородных горных пород, приводят к их резкому усложнению. В свою очередь усложнение модели неизбежно приводит к увеличению числа параметров, входящих в модель. Экспериментальное определение этих параметров для анизотропных пород само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования. Кроме того, любая математическая модель, целью которой является ответ на вопрос о допустимых с точки зрения разрушения параметрах тех или иных технологических процессов, требует принятия некоторого закона прочности породы, что для анизотропных неоднородных пород также является отдельной сложной задачей.
Все это приводит к необходимости принятия определенных упрощений и допущений в модели, в результате чего практические выводы, основанные на расчетах по таким моделям, носят лишь оценочный характер.
В диссертации доктора физико-математических наук Ю.Ф. Коваленко «Геомеханика нефтяных и газовых скважин» [1] предложен новый подход к решению проблемы, в котором механико-математическое моделирование процессов деформирования и разрушения горной породы под действием приложенных напряжений заменяется прямым моделированием этих процессов на испытательном стенде ИСТИН.
Разработанный подход использован для решения проблемы устойчивости стволов наклонных и горизонтальных скважин при их проводке и эксплуатации.
В настоящее время все более широкое распространение получают технологии добычи нефти и газа, основанные на бурении наклонных и горизонтальных скважин, а также проводке скважин по продуктивному пласту на депрессии, т.е. при давлении бурового раствора в скважине ниже пластового давления нефти (газа). Однако при этом возникают проблемы, связанные с устойчивостью стволов скважин, которых не было раньше.
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.
Важно, что при бурении и эксплуатации вертикальных скважин в тех же пластах создание в них даже значительно больших депрессий не приводит к разрушению стенок скважины.
Предлагаемый в работе подход, основанный на прямом моделировании процесса проводки и эксплуатации скважины на установке ИСТИН [1], включает в себя два этапа.
Первоначально на кубических образцах определяется тип анизотропии горных пород и по специальным программам нагружения измеряются их упругие 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 используются для составления программ нагружения образцов на установке ИСТИН при последующем прямом моделировании.
На втором этапе производится прямое моделирование изучаемых процессов на установке ИСТИН. В ходе его воссоздаются реальные напряженнодеформированные состояния, возникающие на контуре наклонной скважины при разных углах ее наклона и разных давлениях на ее забое. Это достигается приложениям к граням кубических образцов соответствующих напряжений, рассчитанных на первом этапе.
Ключевой вопрос, который необходимо решить при физическом моделировании процесса проводки скважины - это программы нагружения образцов на установке ИСТИН, отвечающие реальным напряженным состояниям, возникающим в окрестности наклонных скважин при различных углах их наклона и давлениях на забое. Для их выбора необходимо знать наиболее опасные точки (или области) на контуре скважины, т.е. точки, в которых раньше всего достигается состояние предельного равновесия.
С этой целью была разработана механико-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.

3.1. Механико-математическая модель устойчивости наклонных скважин в слоистых горных породах.

При пробуривании скважины в массиве горных пород в ее окрестности происходит перераспределение напряжений, связанное с понижением давления в скважине. При этом возникают касательные, напряжения, ответственные за разрушение. Величина их тем больше, чем больше разница между максимальными и минимальными сжимающими напряжениями, то есть между кольцевыми напряжениями и радиальными напряжениями (рис. 3.1.).

Рис. 3.1. Напряжения, действующие в окрестности скважины.
Для изотропной среды и равнокомпонентного горного давления распределение полных напряжений, обусловленных действием горного давления, в окрестности скважины не зависит от угла ее наклона и определяется известным решением задачи Ламе [9]
(3.1)
где
q - горное давление (q < 0), предполагаемое равнокомпонентным;
рс - давление в скважине (рс> 0);
Rc - радиус скважины;
г - расстояние от оси скважины.
Касательные напряжения равны:
(3.2)
Величина и изменение модулей породы сказываются на величине смещений, но не изменяют напряженное состояние.
Напряжения, действующие в грунтовом скелете, равны
(3.3)
где
σ_i - полные напряжения, обусловленные действием горного давления (σ_i, s_i 0),
p – давление нефти ( )
- доля площадок контактов относительно всей поверхности зерна грунтового скелета.
Значения напряжений, действующих в грунтовом скелете в окрестности скважины, тогда определяются соотношениями
(3.4)
где q - горное давление (q < 0 ),
р_с - давление в скважине,
р(r) - давление на расстоянии r от скважины (р, р_с > 0),
R - радиус скважины,
r - расстояние от оси скважины.
Касательные напряжения равны
(3.5)
Из (3.4) и (3.5) следует, что на стенке скважины, т.е. при r = Rc, напряжения равны
(3.6)
Если площади соприкосновения между зернами грунта малы ( ), то давление, сжимающее грунтовый скелет, равно полному горному давлению на данной глубине минус пластовое давление. Для других пород с мало прочными пластичными зернами площадь контакта между зернами может быть велика ( ), и горное давление будет непосредственно передаваться через грунтовый скелет. Наиболее характерные значения для горных пород находятся в интервале от 0 до 0.2.
Вокруг вертикальной скважины в трансверсально-изотропной среде возникает такое же распределение напряжений, практически такое же, как и в изотропной среде [10]. Однако при наклоне скважины картина меняется. Напряжения по контуру скважины уже не являются постоянными, как в случае изотропной среды, а меняются от точки к точке, а их величина зависит от модулей упругости породы и угла наклона скважины. Таким образом, в общем случае определение напряжений, действующих в окрестности наклонной скважины, пробуренной в трансверсально-изотропной породе, представляет собой сложную задачу и требует определения упругих модулей породы.
Однако для большинства горных пород задача существенно упрощается. Как показано в [10] на основе анализа численных значений всех упругих констант для сорока семи различных горных пород (алевролиты, песчаники, известняки, сланцы и т.д.), взятых из экспериментальных исследований, между ними имеется корреляционная зависимость
(3.7.)
где
Е, Е'- модули Юнга в плоскости изотропии и перпендикулярно ей;
G', - модуль сдвига и коэффициенты Пуассона для любой плоскости, перпендикулярной плоскости изотропии.
В случае выполнения данной зависимости из точного решения задачи теории упругости следует, что распределение напряжений вокруг горизонтальных скважин (то есть пробуренных в плоскости изотропии) в анизотропных горных породах не отличается от распределения напряжений в изотропной среде. Кроме того, на основании численных расчетов МКЭ показано, что распределение напряжений вокруг наклонных скважин в пределах точности расчетов также не отличается от распределения напряжений в изотропной среде. Поэтому в дальнейшем для определения напряжений в окрестности наклонной скважины, пробуренной в трансверсально изотропной породе, можно с хорошей точностью пользоваться решениями для скважины в упругой изотропной среде.
Несущая способность горных пород обусловлена в основном сопротивлением сдвигу и отрыву. Критическую величину сопротивления сдвигу в среде, которую в среднем считают однородной по всем направлениям, на данной ориентированной площадке, т.е. критерий местного разрушения, представляют обычно в виде > [ ], где [ ] - предел прочности
(3.8)
Где - нормальное напряжение на площадке, к - коэффициент сцепления и - угол внутреннего трения - прочностные характеристики породы.
Если в породе имеются площадки ослабления, которыми по сути являются плоскости напластования, то разрушение начнется в первую очередь по ним, поскольку предел прочности [ ] на них значительно ниже, чем в других направлениях. В этом случае под k и следует понимать коэффициент сцепления и угол внутреннего трения на плоскостях напластования.
Применительно к наклонной скважине это означает, что разрушение начнется в первую очередь в тех точках на ее контуре, где касательное напряжение в плоскостях напластования достигают величины [ ]. Как показывают расчеты, при увеличении угла наклона скважины предельные касательные напряжения будут возникать во всем большем числе точек на контуре. При дальнейшем увеличении угла наклона наступает момент, когда порода вблизи скважины уже не выдерживает действующих напряжений и разрушается. Такое крайнее состояние равновесия, соответствующие напряжения и угол наклона скважины будем называть предельными. Таким образом, для потери устойчивости стенок скважины недостаточно, чтобы разрушение породы началось в одной или нескольких точках на контуре скважины. Необходимо, чтобы разрушение захватило достаточно большую область.
Рассмотрим массив пород как сплошную среду, которая при деформировании ведет себя как изотропная, однако, разрушение в которой может происходить по площадкам ослабления, совпадающим с напластованием. Тогда напряженное состояние на контуре скважины не будет зависеть от положения рассматриваемой точки на контуре скважины. Однако наличие площадок ослабления в породе приводит к тому, что точки контура скважины перестают быть равноправными с точки зрения потенциального разрушения. В связи с этим возникает проблема выбора наиболее опасной точки (или области) на контуре скважины, т.е. точки, в которой в плоскости напластования раньше всего достигается состояние предельного равновесия, характеризуемое критерием (3.8).
На рис. 3.2 показан участок наклонной скважины, пробуренной в породе, обладающей горизонтальным напластованием.

Рис. 3.2. Положение потенциально опасных точек на контуре скважины для малых углов наклона скважины
На рис. 3.2 ось z - вертикальная ось, ось z - ось скважины, угол - угол наклона скважины к вертикали. Сечение скважины горизонтальной плоскостью (плоскостью напластования) представляет собой эллипс, - угол между большой полуосью такого эллипса и рассматриваемой точкой.
Для построения критерия разрушения необходимо знать касательные напряжения в плоскостях ослаблений и напряжения, нормальные к ней. При рассмотрении можно выделить два случая: проницаемых и непроницаемых пород. Проницаемые породы соответствуют коллекторам нефти и газа, а непроницаемые - перекрывающим их породам.
1-й случай. Проницаемые породы. Напряженное состояние в грунтовом скелете на контуре скважины в данном случае согласно (3.6) при определяется как [1]
(3.9)
Абсолютная величина касательных напряжений в плоскости предполагаемых ослаблений (горизонтальной плоскости) при этом может быть вычислена путем преобразований компонент тензора напряжений к системе координат, связанной со слоистостью следующим образом
(3.10)
Сжимающие напряжения, нормальные к плоскости предполагаемых ослаблений будут
(3.11)
2-й случай. Непроницаемые породы. Напряженное состояние в породе на контуре скважины в данном случае определяется как [1]
(3.12)
Абсолютная величина касательных напряжений в плоскости ослаблений (горизонтальной плоскости) при этом будет
(3.13)
Сжимающие напряжения, нормальные к плоскости предполагаемых ослаблений будут
(3.14)
Оба случая могут быть объединены следующими формулами
(3.15)
(3.16)
где для проницаемых пород
(3.17)
для непроницаемых пород
(3.18)
Следовательно, наиболее опасными точками контура будут те точки, для которых раньше всего выполняется условие = [ ], где [ ] определяется соотношением (3.8). В этих точках комбинация
(3.19)
где , s_n определяются (3.15) и (3.16), будет максимальной. Местонахождения точек локального экстремума комбинации (3.19) определяется из условия равенства нулю ее производной (по ):
(3.20)
Уравнение (3.20) удовлетворяется если либо
(3.21)
Либо
(3.22)
Решение уравнения (3.21) существует всегда, в то время как действительное решение уравнения (3.22) для физически возможных значений параметров - нет. Действительно, для преобразуем (3.22) следующим образом

Действительное решение данного уравнения существует, только если правая часть последнего выражения не превосходит единицу:

что выполняется при . Само решение имеет вид

Таким образом, при имеются экстремумы в точках (максимумы) и в точках (минимумы), см. рис. 3.4, а при появляются дополнительные максимумы в точках , при этом в точках максимумы сменяются минимумами.
После нахождения значений критических углов условие разрушения получается подстановкой найденных значений в (3.19). Окончательно, величина критического угла и условие разрушения даются следующими формулами:
Для
(3.23)
(3.24)
Для
(3.25)
(3.26)
На рис.3.2 и рис.3.3 показано положение опасных точек на контуре скважины, где напряжения достигают максимума. Для малых углов наклона скважины они находятся в плоскости, образуемой вертикалью и осью скважины (точки М). С ростом угла наклона скважины максимальные касательные напряжения растут и при достижении углом наклона критического значения точки максимумов начинают смещаться относительно точки М в обе стороны по окружности на угол, определяемый выражением (3.25) (точки А). Следует заметить, что с увеличением угла наклона скважины не только увеличивается величина максимума касательных напряжений, но также увеличивается размер области, в которой действуют высокие напряжения. При этом, естественно, повышается вероятность разрушения.

Рис. 3.3. Положение потенциально опасных точек на контуре скважины для больших углов наклона скважины
На рис. 3.4 представлены распределения комбинации напряжений (3.19) в зависимости от полярного угла , для различных углов наклона скважины . Для песчаников угол внутреннего трения равен примерно 30°. Однако вдоль плоскостей ослабления, каковыми являются плоскости напластования, прочностные свойства породы значительно понижены. Поэтому расчеты производились для угла внутреннего трения =15°.
Расчеты производились для глубины скважины 2900 м и плотности бурового раствора 1,12 г/см³, чему соответствует горное давление q = 66,5 МПа и давление на забое скважины р_с= 32,5 МПа. [1]

Рис. 3.4. Распределения комбинаций напряжений (3.19) в зависимости от полярного угла , для различных углов наклона скважины . Голубая линия =15°, зеленая линия = 30°, синяя линия = 45°, оранжевая линия = 60°, красная линия =75°
Из рис. 3.4 следует:
- первоначально с увеличением угла наклона скважины величина параметра Q растет во всех точках контура скважины, достигая максимума в окрестности точки М, соответствующей =0;
- при некотором угле наклона скважины величина параметра Q в точке М становится равной коэффициенту сцепления k, т.е. касательное напряжение в этой точке достигает предельного значения;
- при дальнейшем увеличении угла наклона скважины размер области, в которой параметр Q достигает значения к, увеличивается. Поэтому по мере увеличения наклона скважины зона, в которой касательные напряжения достигают предельного значения, расширяется. Когда размер этой зоны возрастет настолько, что в породе достигается состояние предельного равновесия, происходит потеря устойчивости стенок скважины;
- в качестве минимального угла наклона скважины, при котором может начаться потеря устойчивости, естественно принять угол, когда в точке М касательные напряжения достигают предела прочности [ ]. Согласно (3.8) и (3.19) это означает, что в этой точке величина Q становится равной коэффициенту сцепления k. Для значения коэффициента сцепления 5 МПа это происходит при угле наклона скважины около 50°;
- при угле наклона скважины больше 60° вероятность разрушения уменьшается. Это связано с тем, что, как видно из рис.3.4, при углах больше 60° величина параметра Q вблизи точки М начинается уменьшаться, в результате чего зона, в которой касательные напряжения достигают предельного значения, значительно сужается.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее опасными с точки зрения потери устойчивости скважин являются углы наклона 40° - 60° в зависимости от модуля сцепления и угла внутреннего трения породы.
Необходимо отметить, что достижение напряжением предельного значения в одной точке на контуре скважины не означает начала разрушения стенок скважины. Чтобы это произошло, необходимо, чтобы предельное состояние возникло в достаточно большой области.
Расчеты показывают, что с увеличением угла наклона скважины размер зоны предельного состояния, т.е. зоны, где касательные напряжения достигают критического значения, возрастает, рис.3.4, что в итоге приводит к потере устойчивости ствола скважины при некотором критическом угле ее наклона.
Рассчитать критический угол наклона скважины крайне трудно, поскольку это требует знание условий предельного равновесия для каждой конкретной породы в конкретных условиях ее залегания.
Выход из этой ситуации состоит в том, чтобы произвести на установке ИСТТН серию испытаний образцов породы, вырезанных под различными углами к плоскостям напластования, в условиях, соответствующих конкретной скважине [1].

3.2. Прямое моделирование на установке ИСТИН устойчивости наклонных скважин

При моделировании процессов деформирования и разрушения горных пород в окрестности наклонных скважин в ходе испытания образцов на установке ИСТИН к граням образца должны прикладываться напряжения, действующие на контуре скважины в процессе ее бурения. Эти напряжения в общем случае зависят от глубины забоя скважины, плотности бурового раствора в скважине, угла наклона скважины, а также от того, являются ли окружающие породы проницаемыми или нет. Иными словами, необходимо знать программу нагружения образцов, отвечающую реальным условиям бурения.
Как отмечалось выше, из проведенных расчетов следует, что наиболее опасной с точки зрения инициации разрушения является окрестность точки М, рис.3.2. Поэтому в качестве программы нагружения образцов при моделировании на установке ИСТИН условий в окрестности скважины при различных углах ее наклона было выбрано изменение главных напряжений в точке М при изменении давления в скважине. Расчеты показывают, что при упругих модулях, характерных для рассматриваемых пород, главные оси напряжений в точке М совпадают с осями скважины. Иными словами, в ходе испытаний образцов к их граням должны прикладываться напряжения в грунтовом скелете, соответствующие напряжениям sr , ,sz , действующим в грунтовом скелете на контуре скважины в точке М.
Поскольку для проницаемых и непроницаемых пород эти напряжения различны, то различными будут и соответствующие программы нагружения. Разница заключается в том, что в случае бурения наклонных скважин во вмещающих породах в силу их непроницаемости напряжения, действующие в грунтовом скелете, равны полному напряжению. При бурении же скважины в продуктивных пластах напряжения в грунтовом скелете равны эффективным напряжениям, т.е. разности между полными напряжениями и давлением нефти в рассматриваемой точке.

3.2.1. Программа нагружения образцов при моделировании проводки наклонных скважин

Поскольку проводка наклонных скважин осуществляется главным образом во вмещающих породах, которые являются непроницаемыми, то для них напряжения, действующие в грунтовом скелете, равны полному напряжению, т.е. согласно (3.3)

Соответствующая программа испытаний показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Программа испытаний образцов для наклонной скважины.
Изображенные на нем напряжения s_i, относятся к осям нагружающего узла ИСТИН, в которых по оси 2 напряжение всегда возрастает, т.е. напряжение s₂ является так называемым параметром нагружения. Применительно к осям скважины напряжение s₂ отвечает кольцевому напряжению , рис.4.1. Напряжение s₂ соответствует радиальному напряжению , т.е. равно давлению жидкости в скважине, а напряжение s₁ равно напряжению , т.е. горному давлению на данной глубине.
Программа нагружения образцов состоит из двух этапов.
Этап 1. Образец обжимается равномерно со всех сторон до напряжения, равного значению горного давления q на глубине h. Точка А отвечает напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до пробуривания скважины.
В точке A s₁ = s₂ = s₃ = q = y_nh, где y_n - средняя плотность вышележащих пород.
Этап 2. На втором этапе нагружения (отрезки AB_i моделируются напряженные состояния, возникающие в окрестности скважины при различных значениях забойного давления на данной глубине, т.е. при различных значениях плотности бурового раствора. При этом каждая точка на отрезке АВ₃ равна определенному значению забойного давления и для данной глубины соответствует определенной величине плотности бурового раствора. При значениях нагрузки на образец, отвечающих интересующим плотностям бурового раствора, осуществляется продолжительная выдержка образца при постоянной нагрузке для регистрации деформации ползучести.
На участках АВ_i одна компонента напряжения (s₂) продолжает расти, вторая (S₁) остается постоянной, а третья (s₃) убывает, причем нагрузка меняется таким образом, что среднее напряжение s = (s₁ + s₂ + s₃)/3 на всем протяжении этапа 2 сохраняется постоянным.
На отрезках АВ_i значения напряжений, прикладываемых к граням образца, составляют s₁ = q, s₂=2q - р_с, s₃ =рс = у_ph, где у_р - плотность бурового раствора, h - глубина.
Этот этап является последним и продолжается до тех пор, пока образец не разрушается. В ходе всего опыта измеряется деформация образца в трех направлениях.

3.2.2. Методика моделирования проводки наклонной скважины

Исходя из выше сказанного методика проведения экспериментов на установке ИСТИН по моделированию процесса проводки наклонной скважины и определению допустимых плотностей бурового раствора в зависимости от угла наклона скважины заключается в следующем [3].

- Из кернового материала, отобранного из исследуемого интервала, изготавливаются кубические образцы, выпиленные под углами 0°, 15°, 30°, 45°, 60° относительно оси керна.
- Образцы поочередно помещаются в установку ИСТИН и нагружаются по программе, изложенной в п. 3.2.1. При этом нагружение образцов осуществляется по программе, отвечающей определенному углу наклона скважины и плотности бурового раствора на ее забое.
В ходе каждого опыта регистрируется деформация образца во времени по каждому из трех направлений.
- Подобные опыты проводятся для различных давлений на забое скважины р_с, отвечающих различным плотностям бурового раствора.
- Если при данной плотности бурового раствора ползучесть образца является ограниченной, т.е. его деформация спустя некоторое время перестает нарастать, то эта плотность бурового раствора является допустимой.
- Если ползучесть образца носит установившийся характер, т.е. деформация образца нарастает со временем, то при данной плотности бурового раствора следует ожидать потери устойчивости ствола скважины.
- Для оценки времени до разрушения породы надо знать предельную деформацию при одноосном сжатии, при которой происходит разрушение образца, вырезанного под тем же самым углом, что и испытуемый образец, а также среднюю скорость ползучести породы при данной плотности.
- Для определения предельной деформации один или несколько образов помещаются в установку ИСТИН и доводятся до разрушения при одноосном сжатии. При этом регистрируется продольная деформация, при которой это разрушение происходит.
- Рассчитываются средние скорости ползучести породы при различных плотностях бурового раствора. Для этого общая деформация образца делится на общее время его нагружения при рассматриваемой плотности бурового раствора.
- Искомое время до разрушения породы на стенках скважины будет равно отношению измеренной предельной деформации на одноосное сжатие к вычисленной скорости ползучести.
- В результате анализа данных экспериментов определяются допустимые параметры бурения скважин (угол наклона, плотность бурового раствора, время устойчивости ствола скважин) и допустимые депрессии при их проводке скважин в продуктивных пластах.

4. Направленная разгрузка пласта – новейший метод повышения продуктивности скважин.

Ухудшение проницаемости призабойной зоны пласта (ПЗП) имеет место практически при любых условиях завершения строительства скважин и зависит от различных факторов. Традиционно считается, что основным из них является загрязнение ПЗП в результате проникновения в пласт фильтрата и твердой фазы бурового раствора. Для предотвращения этого явления основное внимание уделяется использованию буровых растворов, минимально снижающих проницаемость призабойной зоны. С этой же целью в последнее время используется бурение на равновесии или на депрессии.

В то же время роль напряжений, возникающих в окрестности скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, в формировании фильтрационных свойств ПЗП исследована мало. Выполненные в последние годы специалистами лаборатории геомеханики Института проблем механики РАН теоретические исследования, лабораторные испытания кернового материала из коллекторов различных месторождений и опытно-промышленные работы на скважинах показали, что деформационные процессы, протекающие в нефтяных пластах под действием напряжений, возникающих при пробуривании и эксплуатации скважин, могут существенно влиять на дебит скважин. Причем, в зависимости от структуры и деформационных свойств породы, глубины залегания пластов и пластового давления нефти, конструкции забоя скважины и условий ее 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.
Так, в коллекторах, представляющих собой глиносодержащие песчаники, возникающие в пластах касательные напряжения при определенных условиях, вызывают пластическое деформирование (ползучесть) породы. В результате имеющиеся в породе фильтрационные каналы начинают «затекать», и проницаемость породы падает, причем уменьшение проницаемости носит необратимый характер. Более того, при определенных условиях ползучесть породы может быть столь велика, что она приводит к затеканию не только фильтрационных каналов в пласте, но и перфорационных отверстий. В результате гидродинамическая связь пласта со скважиной существенно ухудшаются, и дебит скважины значительно падает.
Возможен и обратный процесс. Как показали исследования образцов породы из коллекторов многочисленных месторождений на экспериментальной установке ИСТИН [1], для каждой породы существует напряженное состояние определенного типа и уровня, при котором начинает развиваться процесс трещинообразования, приводящий к резкому увеличению проницаемости породы. Этот процесс был назван георыхлением. Если реализовать такие напряжения в призабойной зоне пласта путем создания депрессии определенного уровня и выбора конструкции забоя, то возникающие при этом трещины будут играть роль новых фильтрационных каналов, причем проницаемость в ПЗП значительно возрастет.
Росту проницаемости породы за счет ее растрескивания обычно предшествует падение проницаемости вследствие описанной выше ползучести породы.
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 при этом в породе напряжения, и какие депрессии необходимо поддерживать на забое скважины, чтобы не допустить негативных деформационных процессов в пласте. Правильное понимание этих процессов, умение адекватно воссоздавать их в лабораторных условиях и проводить грамотную обработку полученных результатов дает основу для создания новых способов повышения продуктивности скважин и увеличения нефтеотдачи пластов.

4.1 Метод направленной разгрузки пласта

Многочисленные исследования кернового материала на установке ИСТИН позволили разработать новый метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метод направленной разгрузки пласта. В основе этого метода лежит обраруженное явление повышения проницаемости горных пород за счет их растрескивания и разрушения под действием создания в них напряжений определенного вида и уровня.
Одной из главных причин снижения дебита нефтяных и газовых скважин является ухудшение проницаемости породы в призабойной зоне пласта (ПЗП). Причем это происходит как на этапе бурения скважины за счет проникновения в пласт бурового раствора, так и в процессе эксплуатации скважины за счет заиливания, запарафирования фильтрационных каналов и т.п. Соответственно свои методы борьбы с ухудшением состояния ПЗП применяются как при бурении скважин, так и в ходе их эксплуатации (капитальный ремонт скважин).
При бурении скважин применяются способы, предотвращающие проникновение частиц бурового раствора в пласт в ПЗП. Одно время для этой цели применялись буровые растворы на полимерной основе. Затем начали бурить на равновесии, т.е. когда давление бурового раствора на забое скважины поддерживается равным пластовому давлению нефти. В настоящее время начали бурить на депрессиях, когда давление на забое скважины поддерживается ниже пластового давления нефти на 30 - 40 %. Эти технологии дают эффект, хотя и не всегда, однако они чрезвычайно дороги, особенно бурение на депрессиях. Для их реализации необходимо специальное дорогостоящее оборудование, процесс бурения значительно удлиняется и осложняется.
При капитальном ремонте скважин практически все широко применяемые в настоящее время способы направлены на улучшение проницаемости породы в ПЗП путем «прочистки» засоренных в процессе эксплуатации (а также при бурении) фильтрационных каналов. Это кислотная обработка, методы гидроимпульсного воздействия, акустические методы, вибрационные методы, способы чередования кратковременных репрессий и депрессий и т.п. Наиболее широко используется кислотная обработка скважин, что связано, по-видимому, с дешевизной и простотой метода, хотя эффективность от его использования, в частности в Западной Сибири, невысокая.
Особняком стоит способ гидроразрыва пластов. Этот метод не относится к способам обработки ПЗП, а направлен на создание большой поверхности фильтрации нефти из пласта в скважину (поверхности трещины гидроразрыва). Метод гидроразрыва пласта на сегодняшний день является, очевидно, наиболее эффективным способом капитального ремонта скважин. Основным его недостатком является высокая цена и необходимость использования специальной техники и материалов. Кроме того, для глубоко залегающих месторождений (3 км и более) использование метода гидроразрыва затруднено.
Сейчас существует практика, когда уже на этапе освоения скважин проводятся мероприятия по восстановлению проницаемости ПЗП. Для этого чаще всего используют кислотную обработку пласта. Так, в частности, поступают в Перми, где после пробуривания скважину осваивают с помощью свабирования и сразу делают одну или несколько кислотных обработок.
Таким образом, существующие в настоящее время методы интенсификации добычи нефти (капитальный ремонт скважин) можно условно разбить на три основные группы.