Деформации горных пород при эксплуатации месторождений нефти и газа

Упругие изменения свойств коллекторов в процессе разработки и эксплуатации нефтяных месторождений

Важное значение в процессе разработки нефтяных месторождений имеют деформации пород, происходящие вследствие изменения пластового давления, которое может уменьшаться со временем и вновь восстанавливаться при применении методов поддержания давления в залежи.

Представим себе элемент породы (рисунок) заключенный в непроницаемую эластичную оболочку и испытывающий горное давление s, а в порах пласта, насыщенного жидкостью, - давление р.

До начала эксплуатации залежи пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема). Тогда давление на скелет породы (эффективное давление)

.

При извлечении нефти на поверхность пластовое давление р падает и давление на скелет породы s_эф увеличивается. С падением пластового давления объем порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен породы и возрастания сжимающих усилий, передающихся на скелет от массы вышележащих пород, При этом зерна породы испытывают дополнительную деформацию и пористость среды уменьшается также вследствие перераспределения зерен, более плотной их упаковки и изменения структуры пористой среды.

Некоторые из упомянутых процессов, вызывающие изменения объема пор, являются обратимыми, как, например, упругое расширение зерен цемента и их деформации в сторону пустот, не занятых твердым веществом, под действием массы вышележащих пород. Другие процессы, например перегруппировка зерен, скольжение их по поверхности соприкосновения, разрушение и дробление зерен, необратимые. В результате с возрастанием пластового давления должны появиться значительные остаточные деформации, и пористость пород не восстанавливается. Последние деформации пород характерны для глубокозалегающих пластов.

Объем V внешнего скелета пористой среды складывается из объемов твердой фазы V_т и порового пространства V_п, и поэтому с изменением в породах среднего нормального напряжения s и пластового давления р происходят упругие изменения всех трех величин. Тогда объемная деформация пород при всестороннем сжатии описывается тремя коэффициентами сжимаемости: породы - b, пор - b_п, твердой фазы - b_т. Данные коэффициенты сжимаемости имеют размерность – Па^-1.

Между b, b_п, b_т существует следующая связь

.

Особое значение в процессах, протекающих в пластах при эксплуатации нефтяных, газовых и водоносных горизонтов, имеет коэффициент объемной упругости пласта b_с

.

Коэффициент сжимаемости пор b_п в значительной мер зависит от эффективного давления (сжимаемость сокращается с ростом давления). В соответствии с этим коэффициент объемной упругости b_с пород зернистых коллекторов изменяется в широких пределах: b_с = (3-30) 1/Па в интервале внешнего давления от 0 до 100 МПа.

В связи со спецификой строения пород карбонатных трещиноватых коллекторов их сжимаемость, как правило, выше, чем у зернистых пород.

Влияние давления на коллекторские свойства пород

В условиях залегания в пласте коллекторские свойства пород вследствие их сжимаемости отличаются от свойств на поверхности.

Упругое изменение пористости пород с изменением эффективного напряжения s можно вычислить по формуле

,

где m₀ - пористость при начальном эффективном напряжении s₀; b_п - коэффициент сжимаемости пор.

По результатам исследований, при давлениях около 15 МПа пористость песчаников уменьшается на 20%, а плотных аргиллитов - примерно на 6%.

Значительно более подвержена изменению проницаемость горных пород. Если считать, что коэффициент пористости изменяется лишь вследствие уменьшения и увеличения объема пор породы, зависимость упругих изменений проницаемости для плотных пород от давления можно выразить соотношением

,

где ; a - коэффициент, характеризующий структуру поровых каналов.

Для сцементированных песчаников a находится в интервале (-1,25) – (+1,8).

По результатам исследований, коэффициент проницаемости при упругом деформировании, например, песчано-глинистых пород, залегающих на глубине 1300-2000м может уменьшаться по сравнению с данными, полученными при атмосферных условиях, на 10—40%.

Как уже упоминалось, деформации горных пород могут сопровождаться пластическими явлениями. При этом порода при снятии с нее напряжений не восстанавливает свою геометрию, изменяются вследствие остаточных деформаций пористость и проницаемость.

Деформации горных пород при эксплуатации месторождений нефти и газа

Эксплуатация нефтегазовых месторождений приводит к изменению напряженно-деформированного состояния насыщенных флюидом пластов и окружающих их горных пород, а также к изменению их гидродинамических свойств. Возникающие при этом деформации горных пород передаются на стенки обсадных колонн нефтегазовых скважин и создают на них дополнительные напряжения. При значительных изменениях давления флюида, насыщающего поровое пространство, происходит перемещение подошвы и кровли продуктового пласта и оседание земной поверхности.

Нарушения крепи скважин связаны с особенностями геологического строения окружающих горных пород, с условиями их проводки и крепления, а также с режимом освоения и эксплуатации месторождения. Результаты воздействия возникших напряжений на стенки обсадной колонны зависят от разных факторов. Одной из основных причин нарушения наружной крепи скважин, не принимавшийся до последнего времени во внимание, является продольный изгиб колонн при просадке земной поверхности.

Деформации обсадных колонн приводят к ухудшению условий эксплуатации нефтегазовых месторождений, к потере скважин, наносят в ряде случаев большой ущерб окружающей среде. На восстановительный ремонт и ликвидацию экологических последствий от аварий расходуются значительные средства.

Интенсивная эксплуатация месторождений нефти, газа, газоконденсата и разнообразных подземных вод в Сибири приводит повсеместно к снижению первоначально достаточно высоких пластовых давлений и дегидратации пород продуктивных горизонтов. Это сопровождается уплотнением пород, приводит к прогибанию слоев, перекрывающих продуктивные горизонты. Размеры оседания земной поверхности обычно соизмеримы со степенью уплотнения эксплуатируемых пластов и часто приводят к подъему уровня грунтовых вод и обводнению поверхностей отложений, являющихся основаниями сооружений и коммуникаций.

Для изучения влияния падения пластового давления при добыче газа на оседание земной поверхности на Шебелинском газовом месторождении повторные нивелирования были выполнены в 1965, 1969 и 1975 годах.

Наибольшая скорость опускания составила 19,9 мм/год, а самое большое значение проседания земной поверхности – 20 см за 11 лет. Полученные данные позволили рассчитать возрастающий размер оседания и расширяющийся район опускания в зависимости от объема добычи и значения падения пластового давления.

За счет повышения внутрипластового давления при заводнении разрабатываемого месторождения дальнейшее опускание горных пород может прекратиться и смениться их поднятием, которое приведет к частичной или полной разгрузке колонн от возникших ранее осевых напряжений.

Промысловые данные о приуроченности глубин деформации вне интервалов фильтра обсадных колонн скважин к стратиграфическому разрезу мезо-кайнозойских отложений Ленинградского месторождения Краснодарского края приведены на рисунке. Из рисунка видно, что деформации встречаются практически на всех глубинах: в песке, в глинах, в песчаниках, в известняках, в мергелях. Однако наибольшее их число приходится на диапазон глубин 896-1001 м (девять деформированных скважин) и 1953 – 2172 м (35 деформированных скважин). Первый диапазон соответствует песчанистым глинам, а второй – глинам с подчиненными прослоями песчаников.

Очевидно, пластичность глин оказала влияние на возникновение деформации труб и является, наряду с напряженным состоянием колонны при оседании толщи горных пород, причиной аварий, возникающих на эксплуатационных скважинах.

Деформации горных пород при эксплуатации месторождений нефти и газа

Деформации горных пород, возникающие вокруг эксплуатационных скважин при разработке нефтегазовых месторождений с понижением пластового давления, приводят, с одной стороны, к появлению радиальных напряжений на стенках обсадных колонн, а с другой – в условиях жесткого крепления скважин на устье и в забое создают большие осевые нагрузки при оседании земной поверхности.

Расчет радиальных и осевых напряжений, позволяющий оценить необходимые прочностные требования к характеристикам труб для обсадных колонн приводит к необходимости решения соответствующих задач теории упругости.

Оценим размер просадки земной поверхности в условиях месторождения Медвежье. В первом приближении будем использовать упругую модель горных пород.

Пусть имеется упругое полупространство А (рисунок).

Коллектор – бесконечный упругий пористый прони­цаемый слой, кровля кото­рого находится на глубине K от поверхности, а подошва – на глубине П. Скважина –линейный сток расположен­ный вдоль вертикальной оси z. К этому стоку осесим­метрично фильтруется газ или жидкость, давления которых распределены по радиусу p(r). Начальное пластовое давление равно p.

Из теории упругости следует, что перемещение земной поверхности над центром разгруженной в пласте области, т.е. при r = 0, находится по формуле:

,

где Е, μ – соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала пористого пласта и упругого материала, покрывающего и подстилающего этот пласт;

,

где Е^*, μ^{* –} те же упругие константы материала скелета пористого пласта; α – радиус круговой области проницаемого пласта, где пластовое давление упало до значения Δp.

Перемещение над краем разгруженной области, т.е. при r = α:

где Е(х) – полный эллиптический интеграл второго рода.

При радиусе разгруженной области α, значительно большем расстоянии от дневной поверхности до кровли K и подошвы П продуктивного пласта, формулы упрощаются:

;

где H = П – K – толщина пласта.

В качестве примера рассчитаем просадку дневной поверхности в месте расположения УКПГ и на расстоянии от него в 10000 м по окружности для условий месторождения Медвежье.

Предположим, что по кругу радиуса a = 10000 м пластовое давление упало на 5 МПа (Δp = 5 МПа). Расстояние до кровли продуктивного пласта K = 1000 м, до подошвы подстилающего водоносного горизонта П = 2500 м.

Для расчета примем следующие упругие постоянные:

- для кварца Е^* = 9,6^.10⁵ кг/cм², μ^* = 0,08;

- для продуктивного песчаника покрывающих и подстилающих пород Е = 2,2^.10⁵ кг/см², μ = 0,1.

По первой формуле перемещение в месте расположения УКПГ для указанных выше условий u_r=0 = 38 см (по упрощенной формуле 3 u_r=0 = 40 cм), по окружности на расстоянии 120 км от УКПГ по формуле 2 u_r=а = 18 см (по формуле 4 - 23 см).

Из рассмотренных результатов следует, что размер просадки земной поверхности над центром разрабатываемого месторождения может в пять – десять раз превышать деформации, развивающиеся при растеплении массива мерзлых пород. Поэтому при разработке конструкции скважины следует учитывать данные эффекты, тем более, что на практике наблюдаются просадки поверхности, в десятки раз превышающие рассмотренные нами деформации поверхности мерзлых пород в районе месторождения газа Медвежье.