Full Text

Введение Для понимания процессов разрушения призабойной зоны пласта (ПЗП), сопровождающихся выносом песчаных частиц в ствол скважины, необходимо учитывать причины разрушения, прочностные и другие геомеханические свойства пород. Сегодня существует необходимость прогнозирования возникновения данного негативного процесса, так как подбор оптимальной технологии крепления ПЗП позволит минимизировать пескопроявления в скважинах, снизить эксплуатационные затраты и увеличить добычу углеводородов на месторождении. Модели прогнозирования выноса песчаных частиц создаются на этапе проектирования или в начале разработки месторождения и являются основой для выбора оптимального заканчивания скважины, конструкции скважины, режима ее эксплуатации и компоновки наземного оборудования. Для создания оптимальной модели песчаных пластов необходимо учитывать ряд факторов, нарушающих устойчивость горных пород. Цель работы - выявление факторов, влияющих на устойчивость горных пород с учетом изменения насыщенности и физико-механических свойств коллектора. Анализ существующих методов моделирования песчаных горных пород Сегодня в качестве основных методов моделирования песчаных пород выделяют: 1. Эмпирический метод, опирающийся на промысловые данные. Суть эмпирического метода заключается в прогнозировании зависимости скважинных данных, получаемых при добыче песка, от промысловых данных коллектора. Учитываются различные факторы, влияющие на устойчивость горной породы: фильтрационно-емкостные свойства пород; параметры, связанные со скоростью фильтрации флюида; упругие и прочностные свойства пород и т.д. [1]. 2. Лабораторное моделирование. Данный метод основан на воссоздании пластовых условий в лаборатории и определении предпосылок для выноса песчаных частиц. В качестве объекта исследований используются пластовые керны или насыпные модели. Следует отметить, что данный подход находится в сольной зависимости от экспериментального оборудования, качества и количества кернового материала и сопряжен с большими временными затратами [2]. 3. Численный метод. Суть метода заключается в определении зависимости поведения пород под воздействием упругих и пластических деформаций. Метод охватывает большое количество входных параметров, вследствие чего характеризуется высокой точностью и достоверностью, с одной стороны, и большими затратами времени - с другой [3]. 4. Аналитический метод. Метод основан на математических вычислениях и учете структурных неоднородностей и напряжений и их влиянии на стабильность и прочностные характеристики песчаных горных пород [4, 5]. С целью получения наиболее точного прогноза разрушения призабойной зоны пласта с последующим выносом механических частиц используется совокупность этих методов, так как ни один из них в отдельности не позволяет получить исчерпывающие данные для прогноза, кроме того, этот процесс в целом сложно предсказуем и требует в некотором роде творческого подхода [6, 7]. Входные параметры для моделирования песчаных горных пород Все породы-коллекторы можно представить в виде совокупности геологических, физико-механических и фильтрационных характеристик [1, 8]. На них также оказывают влияние различные геологические условия, условия освоения и эксплуатации скважин (рис. 1) [9, 10]. Основными физико-механическими свойствами горных пород являются: пластичность, плотность, упругость, прочность, твердость, абразивность, хрупкость, водопроницаемость и т.д. [11, 12]. Они определяются методами механики деформируемого твердого тела на основе теорий упругости, пластичности и ползучести [13, 14]. Такие геологические свойства, как структура, текстура, минералогический состав и тип порового пространства являются определяющими. Например, Г.Г. Литвинский в своем труде [13] делает вывод о том, что процесс рассмотрения прочностных характеристик пород невозможен без учета структурных неоднородностей. Основным дефектом, влияющим на прочность породы, по его мнению, являются трещины. Имея размеры от долей миллиметра до нескольких метров, они оказывают существенное влияние на механические свойства породы и фильтрацию флюидов. В работе Л.Л. Бачурина [15] на основе проведения экспериментов для определения трещиностойкости песчаников был сделан вывод, что трещины есть практически во всех горных породах. А.К. Носач в своем исследовании [16] определил, что трещины в песчаных породах образуются из-за взаимопроникновения частиц цемента и кварца, различия пластических свойств компонентов породы, а также возникают внутри самих частиц из-за сдавливания горной породы. Для моделирования пескопроявлений также необходимо учитывать фильтрационные характеристики горных пород [17]. В гидромеханике рассматривается фильтрация одно- и многофазных систем в различных по однородности средах [18]. Рис. 1. Факторы, влияющие на устойчивость горных пород [9] Процессы водо- и пескопроявления - взаимосвязаны. Заключительная стадия разработки месторождения очень часто характеризуется высокой обводненность продукции вследствие прорыва воды к забою скважины. Этот процесс является одним из главных причин выноса песка. А.Г. Латыпов в своей работе объясняет разрушение скелета породы при прорыве воды вымыванием цементирующего вещества и падением коэффициента внутреннего трения покоя породы [19]. Кроме того, вода, взаимодействуя с твердой породой, вызывает возникновение разности давления, что способствует фильтрации жидкости через каналы пласта. Таким образом, вода является катализатором появления новых дефектов в пласте-коллекторе, что может привести к ее разрушению. А.Т. Карманский [20] в своей работе проводит анализ прочности различных горных пород от влажности (рис. 2). Установлено, что прочность породы на сжатие и прочность при других напряженных состояниях находится в обратной зависимости от количества влаги в пласте. Иными словами, при увеличении содержания воды в породе уменьшается ее прочность, возрастает вероятность разрушения пласта-коллектора [21]. При моделировании песчаных породы необходимо рассматривать прочность коллектора как совокупность различных дефектов и несовершенств, имеющих различное происхождение и оказывающих различное влияние на породу. Модель должна учитывать совокупность геологических, физико-механических и фильтрационных методов. Все это позволит составить наиболее точную модель пласта для прогнозирования пескопроявлений из песчаных пластов-коллекторов. Таким образом, физическую модель песчаника можно представить в виде совокупности четырех компонентов: зерен песка, цементирующего глинистого вещества, воды и трещин. Песчаная порода характеризуется более прочными зернами песка и связывающим их значительно менее прочным цементирующим веществом. Трещины в совокупности с вымывающей цементирующее вещество водой приводят к снижению прочности породы, вплоть до критических значений [22, 23]. Геологические свойства песчаных пород Геологические свойства горных пород определяются на основе анализа керна. Главной целью изучения керна, добытого из скважин, является получение информации о геологическом строении пласта, расположении зон нефтегазоводонасыщенности, положении покрышек и коллекторов. Специфичность метода изучения керна заключается в том, что данные о строении пласта достоверно можно получить только в вертикальном направлении в пределах самого керна (толщина пласта, его строение). Данные в горизонтальном направлении рассчитывают теоретически, принимая во внимание керны скважин из района с похожим геологическим строением. Выборочный характер отбора керна также обусловливает сложность исследований [25]. В качестве основных характеристик осадочных горных пород можно выделить: структуру, текстуру, состав, наличие и тип пустотного пространства. Структура горных пород характеризует соотношение зерен пород, их размер и морфологию. Ее определяют макроскопически или с использованием трафаретов (рис. 3). Гранулометрический состав является базовым параметром для классификации осадочных пород. Популярная классификация разделяет обломочные частицы на группы по размерам 0,01-0,1; 0,1-1; 1-10 мм и так далее. В процессе анализа керна необходимо учитывать еще одну важную характеристику породы, а именно текстуру. Она определяет расположение слоев пород относительно друг друга и породы в целом и, как и структура, позволяет оценить фильтрационные свойства породы-коллектора. Процесс описания текстуры керна делится на два этапа: 1. Сначала определяется первичная текстура породы (седиментационная), показывающая распределение слоев в процессе осадконакопления. Рис. 2. График зависимости логарифма касательного напряжения от влажности породы [21]: lgτ - логарифм касательного напряжения; 1 - среднезернистый песчаник; 2 - каинитовая порода; 3 - кварцевый песчаник; 4 - горючий сланец Рис. 3. Трафарет для описания терригенных пород [26] 2. Принимаются во внимание вторичные процессы, которые оказывали влияние на молодую породу в процессе ее формирования и погружения вглубь Земли. На основе этого определяется вторичная (наложенная) текстура породы. В качестве первичных текстур выделяют: неслоистые (однородные либо с вкраплениями), слоистые (горизонтально-, косо- и волнисто-слоистые) и слоеватые (слои неявно выраженные). После макроскопического анализа пород такая характеристика, как состав терригенной породы, уточняется на микроскопическом уровне. Цементирующее вещество чаще всего представлено глинистым (каолинит, хлорит), кремнистым (кварц), карбонатным (сидерит, кальцит, доломит) и железистым (гематит, гидроксиды железа) составом, реже глауконитом и пиритом. От состава цемента зависит характер и степень разрушения породы под воздействием внешних сил. Из работы [27] можно сделать вывод, что наличие глинистого материала в качестве связующего компонента является негативным фактором для фильтрационных свойств пласта [28]. От состава глин зависят коллекторские свойства, а также характер и степень разрушения породы под воздействием внешних сил [29, 30]. Рис. 4. Классификация поровых каналов по их размерам [26] Рис. 5. Компоненты напряжений, действующих на горную породу [31] а б в Рис. 6. Деформация сдвига (а-в) под действием касательных компонент напряжений [31] Пустотное пространство горных пород представлено тремя основными видами. 1. Поры. Весьма распространенный вид в терригенных породах. Пустоты расположены в свободном пространстве между зернами. 2. Каверны. Встречаются в основном в карбонатных либо в терригенных породах с высокой карбонатностью. Представляют собой относительно крупные пустоты, образованные в результате выщелачивания породы. 3. Трещины. Данный тип пустотного пространства представлен во всех горных породах и является результатом тектонической деятельности. Оказывает основное влияние на движение флюидов. Горная порода является, как правило, совокупностью представленных видов пустот. Пустоты классифицируются на первичные (образовавшиеся во время седименто- и диагенеза) и вторичные (результат последующих процессов разрушения, перекристаллизации, растворения и прочего). Главными характеристиками пустотного пространства, которые влияют на коллекторские свойства горных пород, являются размеры поровых каналов (рис. 4), их степень сообщаемости и пространственное распределение. На основе анализа этих показателей определяется тип коллектора по пустотно-поровому пространству. Таким образом, в качестве входных параметров для моделирования песчаных горных пород можно выделить следующие геологические свойства: структуру, текстуру, минералогический состав и тип пустотного пространства. Грамотный анализ позволит найти и определить зависимости между свойствами пород и их прочностными характеристиками. Механические свойства горных пород Горная порода, испытывая давление вышележащих толщ, находится в постоянном напряженном состоянии. Различные тектонические силы и физико-химические реакции также оказывают воздействие на породу-коллектор. Для определения физико-химических свойств горной породы ее можно представить в виде элементарного объема (рис. 5). На каждую грань объема воздействуют нормальные (σ) и касательные (τ) компоненты напряжения. Нормальные компоненты напряжения действуют по оси, перпендикулярной граням, а касательные лежат на плоскости этих граней. Совокупность указанных напряжений называют тензором напряжения и представляют в виде: . За счет воздействия нормальных компонент напряжений σ порода испытывает растяжение и сжатие. Касательные составляющие тензора напряжений отвечают за сдвиговую деформацию (рис. 6). К числу основных механических свойств горных пород относят прочностные, деформационные и реологические. Прочностные характеристики горных пород рассматривают исходя из масштаба разрушений. Выделяют несколько уровней [32]: 1. Мегаскопический. Проявляется при открытых разработках массива пород, при обвалах и т.д. На этом уровне основными критериями прочности выступают трещины и крупные нарушения. 2. Макроскопический. Этот уровень разрушений характерен для разрушения пород различными механическими инструментами. Прочность в таком случае зависит от пористости, трещиноватости породы, контакта различных слоев. 3. Микроскопический. Возникает при истирании горных пород. На этом уровне прочность характеризуется наличием в породе микроскопических дефектов и нарушений, так как нарушается взаимосвязь отдельных зерен, слагающих массив. Так как отдельно взятый образец породы не способен в полной мере отразить геологические нарушения во всем массиве, вводится критерий структурного ослабления, учитывающий разницу прочностных характеристик на различных уровнях. где Rсж - прочность на сжатие всего массива; Kc - коэффициент структурного ослабления; σсж - прочность на сжатие отдельного образца. Для определения деформационных свойств горной породы строятся диаграммы деформирования, учитывающие допредельные, предельные и запредельные состояния [33, 34]. Допредельное состояние породы - состояние горного массива, при котором под воздействием нагрузок еще не возникает разрушение. Оно характеризуется модулем деформации Ед, который всегда меньше модуля упругости E. Характеристикой запредельного состояния является модуль спада M. При увеличении этого параметра нарушается деформационно-пространственная устойчивость породы, изменяются ее прочностные характеристики, возрастает вероятность хрупкого разрушения. Способность массива сопротивляться разрушению при длительной нагрузке зависит от реологических свойств породы. К таковым относятся: длительная прочность, ползучесть, релаксация напряжений [35, 36]. Причины пескопроявлений в скважинах Пространственная стабильность песчаных пород-коллекторов зависит от целого ряда причин. В качестве основных факторов, оказывающих влияние на пескопроявления в скважинах, можно выделить [37, 38]: 1. Степень сцементированности песчаного коллектора. 2. Вязкость пластового флюида. 3. Депрессию на пласт. 4. Скорость движения флюида в пласте. 5. Напряжения в призабойной зоне пласта. 6. Загрязненность призабойной зоны. Можно систематизировать причины образования свободных частиц песка в пласте-коллекторе и разделить их на три главные группы: неконсолидированные породы, превышение компрессионных сил, миграция мелких частиц (рис. 7) [39]. Важную роль в процессе пескопроявления играет способ заканчивания скважин [40]. В случае, если скважина оборудована открытым забоем, устойчивость породы призабойной зоны главным образом зависит от напряжений, включающих горное давление и фильтрационные напряжения. В обсаженной скважине, помимо этого, вступают в силу напряжения системы «труба - цемент - порода» [27, 41]. Критерии формирования исследований на естественных и искусственных кернах Прогнозирование механических характеристик с использованием современных методов моделирования связано главным образом с определением взаимосвязи между различными физическими параметрами [42]. Прогнозировать поведение породы и вынос из нее механических частиц можно на основе физического моделирования. Существует два типа физических моделей фильтрации пластовых флюидов - лабораторные модели с искусственной пористой средой (песок, стеклянные шарики и т.д.) или естественные образцы пород (керны) [43, 44]. Искусственный керн представляет собой приближенную модель слабосцементированного коллектора. Его создают из смеси песка, цемента и воды с использованием набивки или пресса [45]. Естественный керн - образец реальной геологической среды. Он представляет собой полное подобие коллектора. Определение зависимостей для естественных или искусственных кернов позволит создать релевантную модель поведения пласта-коллектора для оперативного прогнозирования вероятности пескопроявления с учетом изменения режима и условий эксплуатации. Заключение Определены основные входные параметры, которые необходимо учитывать при экспериментальных исследованиях для создания математической или физической модели песчаных пород. Рис. 7. Предпосылки и причины пескопроявлений в скважинах [36] Для комплексного и точного моделирования песчаных горных пород следует принимать во внимание следующие параметры: 1. Компонентный состав породы (необходимо задать компоненты, которые будут составлять модель). 2. Параметры компонентов породы (отношение долей песчаных частиц, цементирующих веществ и воды к массе всей породы). 3. Параметры песчаника (проницаемость, пористость, плотность песчаных частиц, цементирующих веществ и воды). 4. Геологические свойства песчаника (структура, текстура, состав, наличие и тип пустотного пространства и т.д.). 5. Механические свойства песчаника (прочностные, деформационные и реологические свойства). 6. Хрупкость, пластичность породы, характер и параметры разрушения. Исследования по моделированию песчаных пластов дают возможность прогнозировать поведение пластов-коллекторов в процессе их эксплуатации, а также предсказывать процессы пескопроявлений в скважинах, что значительно увеличит производительность как одной скважины в частности, так и всего месторождения в целом.

About the authors

Maksim A. Popov

Saint Petersburg Mining University

Dmitry G. Petrakov

Saint Petersburg Mining University

References

Statistics

Views

Abstract - 323

PDF (Russian) - 205

PDF (English) - 3

Refbacks

• There are currently no refbacks.