Геомеханика нефтяных и газовых скважин

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 448-450

УДК 532.546

ГЕОМЕХАНИКА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН © 2011 г. В.И. Карев, Ю. Ф. Коваленко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва

wikarev@ipmnet.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в Институте проблем механики РАН в области геомеханики нефтяных и газовых скважин. Показана определяющая роль напряжений, возникающих в окрестности скважины, в формировании фильтрационных свойств пласта, а также устойчивости стволов скважин. Предложен новый подход к решению геомеханических проблем, основанный на испытании образцов горных пород из продуктивных и вмещающих пластов на уникальной экспериментальной испытательной системе ИСТНН.

Ключевые слова: нефтяные и газовые скважины, напряженно-деформированное состояние, система трещин, проницаемость, фильтрация, наклонно-направленные скважины, устойчивость, трехосные испытания.

Величина дебита и устойчивость стволов скважин — это ключевые вопросы, возникающие при разработке нефтяных и газовых месторождений. В последние годы приходит все большее понимание того, что геомеханический подход лежит в основе их решения. Роль напряжений, возникающих в окрестности скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, в формировании фильтрационных свойств призабойной зоны пласта в настоящее время исследована мало, хотя в нефтяной и газовой промышленности при разведке и эксплуатации месторождений, особенно на больших глубинах, выявлено, что концентрации напряжений в прискважинной зоне существенно влияют на проницаемость пластов, процессы фильтрации и, соответственно, на интенсивность неф-тегазопритоков в скважину

Между тем еще в конце 80-х годов прошлого столетия академик С.А. Христианович высказал мысль, что одним из решающих факторов, влияющих на фильтрационные характеристики пласта и соответственно дебит скважин, является процесс деформирования и разрушения грунтового скелета горных пород под воздействием возникающих в них напряжений.

В Институте проблем механики Российской академии наук создана и активно эксплуатируется уникальная экспериментальная установка — Испытательная система трехосного независимого нагружения ИСТНН, позволяющая на образцах породы в форме куба с ребром 40 или 50 мм полностью воссоздавать условия, возникающие в пласте на всех стадиях бурения, освоения, эксплуатации и

ремонта скважин. В процессе испытания образцов в непрерывном режиме ведутся измерения проницаемости породы. Таким образом, моделируя на установке проведение той или иной технологической операции, можно выбрать оптимальный для данного месторождения способ воздействия на пласт с точки зрения увеличения дебита скважин. В частности, для большинства пород, слагающих коллектора нефтяных и газовых месторождений, характерна существенная зависимость фильтрационных свойств от величины депрессии, причем, начиная с некоторого уровня давления в скважине и соответственно величины касательных напряжений в породе, изменения проницаемости становятся необратимыми. Эти исследования позволили предложить новый подход к увеличению проницаемости продуктивных пластов и, тем самым, к увеличению продуктивности скважин. В его основе лежит обнаруженный эффект необратимого увеличения проницаемости горных пород при создании в них напряжений определенного вида и уровня за счет образования системы мик-ро- и макротрещин. Этот эффект получил название георыхления и лег в основу нового способа увеличения дебита нефтяных и газовых скважин — метода георыхления. Метод георыхления прошел опытно-промышленные испытания на ряде месторождений Западной Сибири и Приуралья и показал высокую эффективность.

Проведенные в последние годы в Институте проблем механики Российской академии наук в лаборатории геомеханики теоретические и экспериментальные исследования показали, что геоме-

ханический подход лежит в основе решения другой важнейшей проблемы, возникающей при разработке месторождений нефти и газа — потери устойчивости стволов скважин при их бу -рении и эксплуатации. Особенно остро этот вопрос встал в последнее время, когда основным инструментом разработки нефтяных и газовых месторождений стала технология бурения наклонных и горизонтальных скважин, в том числе и на депрессии. При ее реализации возник целый ряд совершенно новых проблем, не имевших место при бурении и эксплуатации вертикальных скважин. На первый план вышли вопросы устойчивости стволов скважин при бурении и ее зависимости от геометрии скважины, вопросы определения допустимых депрессий при эксплуатации горизонтальных скважин и др. Стало очевидно, что данные проблемы могут быть решены только на основе углубленного изучения геомеханических процессов, происходящих в коллекторах и вмещающих породах нефтяных и газовых месторождений при ведении горных работ.

Горные породы, слагающие коллектора нефтяных и газовых месторождений, в большинстве своем обладают выраженной горизонтальной слоистостью и связанной с этим анизотропией деформационных и прочностных свойств, которая в этом случае близка к трансверсальной изотропии с плоскостью изотропии, совпадающей с плоскостью напластования. Это приводит к тому, что характер и величина возникающих в окрестности скважин напряжений будут зависеть от геометрии скважины, т.е. от угла ее наклона к плоскостям напластования. На рис. 1 схематично показана горизонтальная скважина, пробуренная в породе с напластованием, близким к горизонтальному.

Рис. 1

На рис. 2 схематично показано вертикальное сечение горизонтальной скважины и распределение действующих на ее контуре касательных напряжений. Если в случае вертикальной скважины (а также при изотропии породы) напряжения во всех точках на контуре сква-

жины одинаковы (окружность на рис. 2), то при отклонении скважины от вертикали ситуация меняется — напряжения по контуру скважины становятся переменными от точки к точке. В этом случае от точки к точке на контуре скважины меняется не только величина действующих напряжений, но и ориентация этих напряжений относительно плоскостей напластования, что сказывается на прочности породы в разных точках на контуре скважины.

Рис. 2

Все эти обстоятельства необходимо учитывать при выборе параметров бурения и эксплуатации скважин, исключающих возникновение аварийных ситуаций. Традиционным подходом к решению подобных проблем является создание математических моделей и попытка с их помощью ответить на указанные вопросы. Однако для пород с ярко выраженной анизотропией упругих и прочностных свойств (в частности, для слоистых пород) попытки создать адекватные математические модели, с одной стороны, приводят к их резкому усложнению, а с другой, — к неизбежному увеличению числа деформационных и прочностных параметров, входящих в модель, экспериментальное определение которых само по себе является сложной задачей, требующей сложного лабораторного оборудования.

Развиваемый в Институте проблем механики РАН подход кардинально отличается от общепринятого. В его основе лежит прямое физическое моделирование процессов деформирования и разрушения породы в окрестностях скважин на установке ИСТНН. Последовательность работ при физическом моделировании на установке ИСТНН следующая. На первом этапе рассчитываются напряжения, возникающие в пласте в ходе ведения горных работ при различных значениях технологических параметров их проведения. С этой целью на специально изготовленных образцах по специальным программам нагружения определяются анизотропные упругие характеристики исследуемых горных пород. Затем из кернового материала вырезаются кубические образцы под раз-

личными углами к плоскостям напластования, которые помещаются в установку и нагружаются напряжениями, рассчитанными на первом этапе. В ходе эксперимента измеряются деформации образца по трем осям, в том числе и деформации ползучести, а также изменение проницаемости образца в одном из направлений. В результате проведения серии испытаний образцов породы из интересующего интервала на основе анализа полученных данных делается заключение об оптимальных технологических параметрах проведения того или иного вида горных работ, обеспечивающих их максимальную эффективность и безопасность. На основе развитого подхода в последние годы были выполнены многочисленные исследования по определению безаварийных режимов бурения и эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин для крупнейших российских компаний ОАО «Газпром», ОАО «ЛУКОЙЛ», ОАО «Сургутнефтегаз» и др. В частности, по заказу ОАО «Газпром» и французской нефтяной компании «Total» были проведены работы по определению прочностных характеристик пород Штокмановского газоконденсатного месторождения и определению устойчивости стенок скважин при разработке месторождения. В ходе этих исследований, помимо изучения деформационных и прочностных свойств кернового материала из ряда скважин Штокмановского ГКМ, проводилось прямое моделирование разрушения стенок

горизонтальных скважин при создании на их забое глубоких депрессий. Эти эксперименты проводились на образцах с центральным отверстием, которые нагружались возрастающей внешней сжимающей нагрузкой, моделирующей уменьшение давления в скважине. В ходе опытов помимо деформации образца в трех направлениях регистрировался вынос песка из отверстия. На рис. 3 приведена фотография одного из образцов с отверстием после испытания.

Рис. 3

Полученные результаты позволили оценить риски, связанные с опасностью выноса песка при эксплуатации скважин с высокими депрессиями, выработать рекомендации о необходимой конструкции скважин — то есть обосновать технические и технологические решения по оптимизации стратегии и тактики освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения.

GEOMECHANICS OF OIL AND GAS WELLS V.I. Karev, Yu.F. Kovalenko

The paper presents the results of theoretical and experimental researches performed at the Institute for Problems of Mechanics in the field of geomechanics of oil and gas wells. The key role of the stress that arises in the vicinity of wells in the formation of the filtration properties of the reservoir and also wellbore stability is shown. A new approach to the solution of geomechanical problems, based on tests of rock samples from the productive and the enclosing strata on the unique experimental test system TSTUL is suggested.

Keywords: oil and gas wells, stress-strain behavior, cracks system, permeability, filtration process, directional wells, borehole stability, triaxial tests.