Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ #. 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АНШЭДЧНШОГО изучения физических свойств дефошйеувдк ГОРНЫХ пород...; 14
I.I. Использование теоретических исследований деформа ций пористых сред для изучения физических свойств горных пород под действием нагрузки 14
I.S. Изучение физических свойств горных пород в усло виях напряженного состояния при помощи моделей деформируемых пористых сред 17
1.3. Особенности структури порового пространства и процессов деформации реальных поровых коллекторов нефти и газа , 3
В ы в о д ы 27
2. НШШШО-УПВТАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОРИСТОЙ СВД И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ІЕСЧАН0- ШНИСТЫХ П0Р0Д-К0ЛЛЖТ0РШ,НАХ0ДЯЩЙЖЯ В УСЛОВИЯХ СЛйЖНО-НАПВШННОГО СОСТОЯНИЯ . 29
2.1. Характеристика структуры и деформационных свойств модели 29
2.2. Изменение физических свойств модели под действием всестороннего неравномерного сжатия 35
2.3. Изменение физических свойств изотропного варианта модели под действием всестороннего равномерного сжатия 46
2.4. Оценка степени справедливости модельных представлений по даннш экспериментальных исследований физических свойств песчано-глинистых пород-коллекторов 48
2.5. Связь упругих постоянных и структурного коэффициента песчано-глинистых пород с их литолого-петрографическими и структурными особенностями 57
Возможные методы определения упругих постоянных и структурного коэффициента 70
Выв оды 73
3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДІ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ШЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЇЇЕСЧАНО-ГЛИНИСЇНХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ 75
3.1. Определение изменения фильтрационных и электричес ких свойств песчано-глинистых пород по данным об их коэффициенте сжимаемости пор 75
З.И. Определение изменения диффузионно-адсорбционной активности в пластовых условиях ., *.. 89
3.3. Оценка изменения физических характеристик песчано-глинистых пород-коллекторов под действием всестороннего неравномерного сжатия 96
3.4. Количественная оценка влияния давления на параметр пористости песчано-глинистои породы 104
3.5. Особенности фильтрации в упруго деформируемых анизотропных коллекторах 108
Вы в о д ы І2І
4. пгаток жидаоста к вскрытой щелевым метэдш скважине в УСЛОВИЯХ УШУГО деОВДМЮГО ПЛАСТА-КОЛЛЕКТОРА 122
4.1. Оценка влияния напряженного состояния на фильтраци онные характеристики массива горных пород 122
4.. Определение поля напряжений в условиях щелевого вскрытия пласта 129
4.3, Определение притока жидкости к скважине с вертикальными щелевыми разрезами, проведенной в упруго деформируемом пласте 143
4.4, Приток жидкости к скважине при использовании различных методов вскрытия продуктивных пластов 155
В ы в о д ы .; 161
ЗАКЛШЕНИЕ 163
СПИССК ЛИТЕРАТУШ 171
ПОЛОЖЕНИЕ I. Программа проверки степени соответствия нелинейно-упругой гидродинамической модели пористой среды реальным песчано-глинистым по родам-коллекторам нефти и газа 183
ПБ1Л0ІНЕНИЕ 2. Общие характеристики исследованной коллекции песчано-глинистых пород и результаты выполнен ной с ее помощью проверки справедливости мо дельных представлений .' * 187
ПВДШЕНИЕ 3. Программа определения фильтрационных и элект рических свойств песчано-глинистых коллекторов по данным об их коэффициенте сжимаемости но рового пространства • 243
ЇЇНЩЩ5НИЕ 4. Программа расчета физических свойств образца при разноосном нагружении , 247
ПШЛОШСНИЕ 5. Программа расчета направленных и осевых про- ницаемостей в анизотропном образце 4дЪ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Увеличение запасов нефти и газа, а также их добычи, предусмотренное Директивами ХХУІ съезда КПСС, неразрывно связано как с открытиями новых месторождений, так и с выявлением продуктивных пластов на разведанных месторождениях и применением новых методов их рациональной эксплуатации. При этом важнейшим фактором эффективного использования промыслово-геофизических методов исследования скважин, необходимых для решения поставленных задач, является изучение физических свойств различных пород-коллекторов в условиях, приближенных к их естественному залеганию.
Горные породы-коллекторы нефти и газа на больших глубинах -испытывают значительные нагрузки, связанные с воздействием вышележащих толщ и давлением внутрипоровых флюидов. Действующие в породе напряжения вызывают соответствующие деформации и, следовательно, могут существенным образом влиять на физические свойства коллектора.
В настоящее время данные о поведении песчано-глинистых пород на больших глубинах получают, главным образом, в результате экспериментальных исследований, выполненных на специально разработанных для этой цели лабораторных установках, одни из которых предназначены для изучения отдельных физических параметров образцов под действием нагрузки и температуры, другие, конструктивно более сложные, для одновременного исследования комплекса свойств образца при одном и том же цикле нагружения. Проведение серии экспериментов для получения основных физических характеристик образцов пород под действием как всестороннего равномерного, так и неравномерного сжатия, достаточно трудоемкий процесс, связанный с большими затратами времени. При моделировании сложно-напряженного состояния сущеетвующие установки позволяют определять физические свойства образца в условиях действия двух одинаковых и одной отличающейся нормальных компонент эффективного напряжения, тогда как в естественных условиях на породу действуют три различных главных напряжения» Кроме того, лабораторный способ определения физических свойств образцов горных пород в пластовых условиях предусматривает необходимость использования громоздкой дорогостоящей аппаратуры, стоимость и сложность которой непропорционально растут с увеличением моделируемых давлений и температур.
Вследствие того, что значения физических характеристик,полученных при изучении образцов в атмосферных условиях или при напряженном состоянии, не соответствующем условиям залегания пласта, могут значительно отличаться от их значений в естественных условиях, возможность количественной оценки параметров породы как в частном случае всестороннего равномерного сжатия, так и при разноосном неравномерном нагружении представляет большой интерес. Так, например, определение сжимаемости пор, пористости,и проницаемости пород в пластовых условиях имеет важное значение при гидродинамических расчетах, связанных с добычей нефти и газа, а также при подсчете углеводородов в залежи. Так как удельное электрическое сопротивление и диффузионно-адсорбционная активность являются одними из основных геофизических характеристик породы, то энание зависимости этих величин от давления и температуры является необходимым условием эффективного использования основных методов промысловой геофизики для количественной оценки подсчет-ных параметров коллекторов. При разработке месторождений нефти и газа одной из наиболее важных проблем является проблема изучения процессов фильтрации в условиях изменяющегося давления в пласте.
Добыча полезных ископаемых неразрывно связана с теми или ины ми механическими воздействиями на горные породы. Вне зависимости от того, является ли изменение напряженного состояния массива побочным эффектом проводимых технологических операций или вызывается целенаправленно, при оценке его последствий важно, в первую очаредь, узнать суммарное изменение, гидродинамических харак?-теристик, До настоящего времени вопрос о влиянии сложно-напряженного состояния на фильтрационные характеристики массива горных пород теоретически мало изучен. Однако его решение необходимо для практического использования в ряде, задач строительной механики, горного дела, сейсмологии, промысловой геологии и т.д. При этом несомненный интерес представляют как величина изменений напряженного состояния и размеры той области, на которую они распространяются, так и аналитическая связь между главными компонентами тензора проницаемости и главными напряжениями, позволяющая количественно оценить изменение гидродинамических характеристик массива пород.
Таким образом, задача установления аналитических связей между физическими характеристиками горных пород-коллекторов неф ти и газа и напряжениями, возникающими в них под действием приложенной нагрузки, является весьма актуальной как в теоретическом, так и в практическом отношении и относится к числу основных направлений, определяющих успешное промышленное освоение земных недр.
Цель работы: заключается в получении аналитических выражений, отражающих с достаточной степенью точности обратимые изменения важнейших физических свойств реальных песчано-гли-нистьзх поровых коллекторов нефти и газа под действием всесторонней равномерной и неравномерной нагрузки и позволяющих вносить соответствующие поправки в лабораторные исследования керна при атмосферных условиях, а также, оценивать влияние сложно-напряжен ного состояния на физические и фильтрационные характеристики массива пород.
Основными задала М;Ш настоящего исследования явились:
- установление аналитических связей между параметрами всестороннего неравномерного сжатия породы и тензорами ее проницаемости, удельного электрического сопротивления, а также пористостью и коэффициентом сжимаемости пор на основе анализа процессов! обратимых деформаций пористых сред;
- создание методов аналитического определения изменений физических характеристик песчано-глинистых пород-коллекторов в условиях напряженного состояния;
- разработка методики количественной оценки влияния сложно-напряженного состояния на фильтрационные характеристики массива пород при различных граничных условиях и ее реализация на примере исследования метода щелевого вскрытия пласта.
Научная новизна. В работе предложена новая структурная модель деформируемой пористой среды, соответствующая песчано-глинистым коллекторам нефти и газа порового типа, позволяющая одновременно аналитически описывать обратимые изменения их проницаемости, удельного электрического сопротивления параметра пористости , пористости, сжимаемости пор и диффузионно-адсорбционной активности в зависимости от вида и величины нагрузки. Установлены корреляционные связи между параметрами модели и литолого-петрографическими особенностями песчано-глинистых пород-коллекторов.
На основе предложенной модели разработана методика определения изменений петрофизических характеристик нефтегазовых коллекторов при эффективном давлении, характерном для их естественного залегания, по данным изучения сжимаемости пор на керне породы.
Теоретически показано, что для определения физических свойств изотропных песчано-глинистых пород порового типа можно использовать понятие среднего нормального эффективного напряжения и соответствующие вычисления с достаточной степенью точности производить на основе схемы всестороннего равномерного сжатия.
Получено теоретическое подтверждение ранее выявленной экспериментальным путем особенности фильтрации в трансверсально-изотроп-ных образцах пород-коллекторов, а именно, коэффициент их фильтрационной анизотропии, равный отношению меньшей осевой проницаемосг ти к большей, при увеличении всесторонней равномерной нагрузки возрастает приблизительно по линейному закону. Установлено, что при разноосном неравномерном нагружении подобных образцов изменение проницаемости в каздом из осевых направлений, как и в случае изотропной породы, определяется в основном величиной среднего нормального эффективного напряжения.
Разработанная методика количественной оценки влияния сложно-напряженного состояния на фильтрационные характеристики массива пород позволила уточнить механизм возникновения дополнительного притока жидкости в скважину при щелевом методе вскрытия пласта в случае упругой деформации нетрещиноватых пород. Показано, что щелевые разрезы за счет перераспределения напряжений в приствольной зоне скважины приводят к резкому изменению ее проницаемости, характер и интенсивность которого существенным образом зависят от числа и размеров щелей» Коэффициент совершенства скважины по характеру вскрлтия для используемых на практике параметров щелевых разрезов достигает значений, больших единицы Теоретическая ценность работы состоит в разработке новой нелинейно-упругой гидродинамической модели пористой среды, которая позволяет решать многие важные в научном и практическом отношении задачи об упругих изменениях физических характеристик горных пород в условиях равномерного и сложного напряженного состояния. Указанная модель может быть использована для дальнейшего теоретического исследования влияния напряженного состояния горных пород на их физические свойства при других законах деформаций, а также для изучения изменений иных физических характеристик породы.
Практическая значимость проведенных исследований определяется полученными аналитическими выражениями, позволяющими вносить соответствующие поправки в значения физических характеристик, используемых при количественной интерпретации промыслово-геофизических данных с целью определения под-счетных параметров нефтяник и газовых месторождений.
Использование полученных соотношений для оценки изменения проницаемости в приствольной зоне скважины при ее вскрытии щелевым методом позволило обосновать оптимальные параметры щелевых разрезов и оценить нижнюю границу величины дополнительного притока жидкости в скважину, которая может служить критерием качества проведения соответствующих технологических операций.
Разработанная методика решения фильтрационных задач в упруго -деформируемых массивах пород может быть использована для повышения достоверности гидродинамических расчетов, связанных с разработкой месторождений нефти и газа, проводкой горных выработок в обводненных породах, при проектировании гидротехнических сооружений. Ее применение наиболее эффективно в случаях, когда среднее нормальное эффективное напряжение резко изменяется по всей исследуемой области.
Реализация работы в производстве. Научно-исследовательские разработки по щелевому вскрытию прискважинной зоны переданы и использованы Б ПО Удмуртнефть и ПО Оренбурггаздобыча, а также вошли в состав методических реко мендаций по щелевому вскрытию, утвержденных Управлением нефти и газа Министерства геологии СССР.
Разработанные методы аналитического изучения изменения петро-физических свойств нефтегазовых коллекторов порового типа в условиях, характерных для их естественного залегания использованы, при петрофизическом изучении рода месторождений Днепров о-Донецкой впадины Б лаборатории петрофизики УкрНИГВД, при обработке и интерпретации материалов исследований в лаборатории, физических свойств, пород ВШПИвзрывгеофизика, а также- в секторе, физико-химических методов исследования горных пород ВШИокеангеология. Межведомственный научный совет по лабораторным методам анализа коллекторов нефти и газа в своем решении отметил высокий уровень теории методов, и рекомевдовал их к апробации своим членам Результаты работы использованы в отделе горных ударов ВНЙШТ для оценки влияния разгружающих щелей на течение, жидкости и газа в породах, сжатых горным давлением- Зависимость фильтрационных характеристик от напряженно-деформированного состояния упругих пород легла в основу дальнейшего развития теории, которая используется для определения границ зон аффективной искусственной дегазации при отработке защитных пластов.
Результаты исследований отмечены первой премией на Ш Ухтинской научно-технической конференции "за высокий научный уровень и практическое значение проведенных работ".
Апробация работы. Материалы исследований докладывались :
1. На УІ Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах в г.Ташкенте, 1981 г»
2. На Всесоюзном семинаре "Пути повышения достоверности прогнозных оценок нефтегазоносности" в г.Ленинграде, 1981 г На Ш Ухтинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по проблемам развития геологии, нефтяной и газовой промышленности Тимано-Печорского территориально-производственного комплекса в. г-Ухте, 1982 г,
4. На Межведомственном совете по лабораторным методам исследования горных пород в г.Киеве, 1983 г,
5, На Всесоюзном семинаре "Современные проблемы и математические методы теории фильтрации" в г.Москве, 1984 г А также на научных семинарах: во Всесоюзном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела в г-Яенинграде 1982 г.; в Институте физики Земли АН СССР в г. Москве, 1984 г.
Публикации, По теме диссертации опубликовало 10 работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и содержит 130 страниц машинопис-ного текста, 30 рисунков, 3 таблицы, 5 приложений и список литературы из 122 наименований.
Фактический материал, В основу диссертации положены теоретические исследования автора, выполненные в период с 1980 по 1984 год в секторе физико-химических методов исследования горных пород Всесоюзного научно-исследовательского института.геологии и минеральных ресурсов Мирового океана ВНИИ-океангеология. В работе использованы опубликованные экспериментальные данные о физических свойствах пород-коллекторов нефти и газа при высоких давлениях и температурах, полученные на кафедре промысловой геофизики в Московском институте нефтехимической и газовой промышленности им. И.М.Губкина, в секторе экспериментальной геомехани: и Института геологии и разработки горших ископаемых, в лаборатории моделирования пластовых условий Научно-исследовательского института геологии Арктики, Для определения притока жидкости к скважине с вертикальными щелевнми разрезаші при решении фильтрационной задачи применена", программа расчета плоского напорного фильтрационного потока в неоднородной анизотропной среде по методу конечных элементов, составленная на кафедре, механики грунтов Московского инженерно-строительного института.
Автор выражает искреннюю признательность В,ВХеменову и Н.Н. Шзвариной, любезно предоставившим эту разработанную ими программу, а также приносит глубокую благодарность научным руководителям -доктору ге о лого-минералогических наук Л.М.Марморштейну и кандидату технических наук Е.С.Ромму, и всем товарищам, содействовавшим выполнению работы.
