CC BY
36
УДК 622.279
Д.М. Орлов, А.В. Богданов, А.П. Федосеев
Экспериментальное исследование влияния скорости фильтрации флюида на риск разрушения горных пород
Ключевые слова:
разрушение пород,
геомеханические
напряжения,
влияние скорости
фильтрации
на разрушение
породы,
фильтрационно-
емкостные
свойства.
Keywords:
rock fracturing,
geomechanical
stress,
flow velocity
influence on rock
fracturing,
reservoir properties.
Действующие в окрестности скважин напряжения оказывают значительное влияние на фильтрационные свойства пласта и, как следствие, на дебит нефтяных скважин. Величина таких напряжений зависит от деформационных свойств породы и от давления нефти на забое скважины [1]. При понижении давления в скважине касательные напряжения в ее окрестности увеличиваются, что при определенных условиях может привести к разрушению породы вблизи скважины. Проницаемость при этом в разрушенной области резко возрастает, вследствие чего увеличивается приток нефти из пласта в скважину. На сегодняшний день одной из проблем разработки и эксплуатации месторождений природных углеводородов является достоверный учет в проекте разработки геомеханических процессов. Использование геолого-фильтрационно-прочностных моделей позволяет оценить вероятность просадок земной поверхности над разрабатываемыми залежами, определить напряженно-деформированное состояние в разрезе предполагаемого бурения скважин, предсказать ухудшение фильтрационно-емкостных свойств коллектора из-за его разрушения и кольмата-ции [2]. При выполнении геомеханических расчетов помимо упругих свойств (коэффициент Пуассона, модуль Юнга) в модель закладывается критерий прочности. Для его формулирования необходимо провести специальные испытания на прочность в условиях трехосного нагружения [1, 3]. Тем не менее не всегда имеется необходимое количество экспериментальных данных для создания достоверной геомеханической модели. В этом случае приходится довольствоваться экспериментальной оценкой предельно допустимых нагрузок. Современные геолого-фильтрационные модели позволяют выполнять совместный расчет фильтрационных и геомеханических полей при учете их взаимного влияния [4]. Таким образом, отдельным вопросом стоит изучение влияния фильтрационных полей (скорости потока, дебитов скважин) на горные породы в прискважинных зонах.
С этой целью экспериментально исследовалась корреляция таких показателей, как скорость фильтрации флюида и риск разрушения пород продуктивных отложений дагинской свиты одного из месторождений газа шельфа о. Сахалин. Эксперименты проводились в условиях равноосного и неравноосного нагружения скелета сухой или частично водонасыщенной породы-коллектора в широком диапазоне фильтрационно-емкостных свойств (табл. 1). Для оценки возможности разрушения коллектора в при-скважинной зоне, где депрессия на пласт достигает максимальных значений благодаря возникающему при фильтрации флюидов градиенту порового давления, с использованием специального стенда (рис. 1) проводились эксперименты, моделирующие проектные дебиты скважин.
Стенд (см. рис. 1) предназначен для измерения проницаемости по газу в пластовых условиях и определения условий разрушения образцов керна при различных соотношениях радиального (бокового) и осевого напряжений, а также при различных градиентах порового давления. Экспериментальная установка состоит из кернодер-жателя специального типа ЗК-8 (К), системы обжимного давления на основе автоматизированного высокоточного одноплунжерного поршневого насоса с электроприводом ЛН1-700-100 (П) производства ООО «Геологика», системы определения расходов, системы соединительных труб, вентилей, манометров высокого давления и прецизионного датчика избыточного давления МИДА-13П (ДД).
Таблица 1
Фильтрационно-емкостные и литологические характеристики исследованных образцов:
Кабс - абсолютная проницаемость, т - пористость
№ обр. Скв. Пласт Ka&, мД m, % Литология
1 3 I-II 10,1 22,8 Песчаник мелкозернистый, алевритистый
2 3 I-II 15,0 24,7 Алевролит
3 3 I-II 16 24,9 Алевролит
4 3 I 22 24,4 Алевролит песчанистый
5 3 II 24 24,7 Песчаник мелкозернистый, алевритистый
6 1 II 26,6 20,4 Песчаник мелкозернистый
7 1 II 47,4 21,5 Песчаник мелкозернистый
8 3 II 196 24,8 Песчаник мелкозернистый
9 3 II 248 24,1 Песчаник мелкозернистый
10 3 II 293 24,3 Песчаник мелкозернистый
11 3 II 308 24,9 Песчаник мелкозернистый
12 3 II 346 25,1 Песчаник мелкозернистый
13 3 III 377 23,8 Песчаник средне-мелкозернистый
14 3 III 506 24,3 Песчаник средне-мелкозернистый
15 5 II 931 25,9 Песчаник мелко-среднезернистый, коричневато-серый
16 5 II 1135 26,7 Песчаник мелко-среднезернистый, серый
17 5 II 3144 28,7 Песчаник крупно-среднезернистый, коричневато-серый
Рис. 1. Схема установки: Р - редуктор; В1-В4 - вентили; М1-М3 - манометры; ПК - персональный компьютер; Л - стеклянная ловушка
Кернодержатель ЗК-8 позволяет независимо создавать осевую и радиальную нагрузки до 60 МПа на стандартный образец керна и фильтровать флюид в осевом направлении (рис. 2). Насос ЛН1-700-100 снабжен собственным датчиком давления и функционирует в режиме поддержания заданного расхода (в диапазоне 0,001-25 мл/мин) и давления (до 70 МПа). Объем цилиндра - 100 мл. При значе-
ниях расхода менее 1000 мл/мин расход газа определялся при помощи высокоточных электронных датчиков MKS 179A-21951 (ЭР), а при больших расходах использовался счетчик газа ГСБ-400 (ГР).
В эксперименте через образец керна, находящийся при эффективном напряжении, фильтровался осушенный воздух с высокими линейными скоростями при больших градиентах
в диапазоне проницаемостей Кабс = 10-3150 мД и пористостей т = 20,4-28,7 % (см. табл. 1).
Так, для проектируемого горизонтального участка скважины длиной Ь = 500 м и радиусом Я = 12,25 см, вскрывающей газоконденсатный пласт и работающей с дебитом Qскв в диапазоне 2-3 млн м3/сут, диапазон значений скорости течения газа в пластовых условиях составит:
V = Оц. = = 0,022...0,033 м/мин, г SL 2%RL
(1)
где Qг - дебит газа в пластовых условиях (Рт = 22 МПа, пластовая температура Тт = = 125 °С); 8скв - площадь участка скважины.
Диапазон значений Qг оценивался с помощью уравнения состояния идеального газа:
Рис. 2. Схема нагружения образца породы: аос - осевое напряжение; арад - радиальное напряжение
давления (до 30 МПа/м). Исследования проводились на цилиндрических образцах диаметром и длиной 30 мм. Перепад давлений на входе и выходе (ДР) кернодержателя достигал 1 МПа. Момент разрушения породы-коллектора относительно заданной линейной скорости фильтрации предполагалось регистрировать по резкому падению давления в гидравлической системе, а также по экстремуму на зависимости проницаемости образца от градиента давления. Параллельно с замерами проницаемости осуществлялся контроль выноса песка из образца на различных режимах фильтрации в специальную стеклянную ловушку (Л), расположенную на выходе из кернодержателя, которая обеспечивала сепарацию газового потока от взвешенных частиц, образовывающихся при разрушении породы. По наличию частиц породы («песка») в ловушке можно судить о начале разрушения образца керна.
Выполнено две серии экспериментов. В первой серии высушенные до постоянного веса образцы керна находились в условиях равноосного нагружения (моделировалось эффективное напряжение как разность горного и пластового давлений Рэф = Ргор - PJ: = ^ = 22 МПа. В исследованном диапазоне скоростей фильтрации vr (до v г = 53 м/мин) ни один из образцов керна не был разрушен. Выноса песка также не наблюдалось. Исследовалась коллекция образцов
Q = Q
P T
cm na
P T
na cm
= 12,1... 18,2 тыс.м3/сут,
где давление в стандартных условиях Рст = 0,1 МПа, температура в стандартных условиях Тст = 25 °С.
В приближении для однофазной фильтрации также можно оценить линейную скорость фильтрации по нефти ун, соответствующую экспериментальным градиентам давления, возникающим при фильтрации газа. Для этого, зная соотношение вязкостей флюидов и принимая, что проницаемость одинакова для обеих фаз и соответствует абсолютной, можно получить диапазон:
v = ^-v = 0,092...0,14 см/мин, К
(2)
где динамическая вязкость нефти дн = = 0,43 сП, а динамическая вязкость газа (воздуха) = 0,018 сП.
Можно видеть (табл. 2), что экспериментально полученные максимальные скорости фильтрации по исследованной группе образцов превышали проектные (см. формулы (1) и (2)) минимум в 150 раз, максимум в 2400 раз. Таким образом, в первой серии экспериментов не было зафиксировано разрушения горной породы даже при превышении проектных скоростей фильтрации на два-три порядка.
Во второй серии экспериментов исследовалось влияние неравноосного нагруже-ния и остаточной воды на прочность пород-коллекторов. Известно, что прочность пород существенно зависит от вида насыщающего флюида [5, 6]. Так, установлено, что при нали-
Таблица 2
Линейная скорость фильтрации газа:
AP/L - градиент давления; уг - полученная в эксперименте максимальная линейная скорость фильтрации газа; vH - расчетная максимальная линейная скорость фильтрации нефти; Se.0 - доля в образце остаточной воды, созданной методом центрифугирования
№ образца Сухой образец Частично водонасыщенный об разец
AP/L, МПа/м v, м/мин vH, м/мин So % AP/L, МПа/м v, м/мин vH, м/мин
1 35,4 5,2 0,2 31,6 24,9 4,3 0,2
2 34,5 8,3 0,3 37,0 21,5 5,4 0,2
3 35,4 9,0 0,4 34,4 24,2 6,5 0,3
4 30,9 7,1 0,3 23,3 19,9 6,5 0,3
5 34,4 10,1 0,4 33,7 25,2 9,1 0,4
6 37,0 9,5 0,4 6,1 27,9 9,5 0,4
7 34,3 15,2 0,6 - - - -
8 33,4 29,1 1,2 5,8 5,2 24,2 1,0
9 34,6 40,8 1,7 15,2 24,1 34,1 1,4
10 34,2 41,4 1,7 16,3 25,3 41,4 1,7
11 28,0 36,0 1,5 8,9 19,7 42,7 1,8
12 34,1 31,8 1,3 14,2 18,3 40,3 1,7
13 31,4 32,9 1,4 21,6 20,4 45,3 1,9
14 24,7 40,0 1,7 12,1 25,1 43,7 1,8
15 22,6 49,0 2,1 7,8 24,4 49,6 2,1
16 19,2 51,1 2,1 7,3 22,0 46,4 1,9
17 19,2 53,0 2,2 2,2 21,1 115,7 4,8
чии в породе водного раствора с объемной концентрацией более 5 % происходит существенное изменение прочностных свойств карбонатных породы [5].
Для исследования влияния остаточной воды на прочность породы образцы керна с остаточной водонасыщенностью, созданной методом центрифугирования при 4500 об/мин, помещались в условия неравноосного нагру-жения: <ос = 22 МПа, <рад = 11 МПа. Во второй серии (см. табл. 2) экспериментов также ни один из образцов не был разрушен в исследованном диапазоне скоростей фильтрации (до уг = 116 м/мин). Экспериментально по-
лученные максимальные скорости фильтрации по исследованной группе образцов превышали проектные минимум в 130, максимум в 5250 раз. Результаты второй серии экспериментов показали, что даже в более жестких (остаточная вода и неравноосное нагруже-ние) пластовых условиях при высоких скоростях фильтрации разрушения образцов горной породы не происходит.
Следует заметить, что после центрифугирования часть образцов, а именно: № 1 (К = = 10,1 мД; т = 22,8 %; ^ = 31,6 %), № 8 (К = = 196 мД; т = 24,8 %; ^ = 5,8 %) и № 9 (К = = 266 мД, т = 24,4 %; 8ел = 15,2 %), расслоились
Рис. 3. Расслоившиеся образцы керна после центрифугирования
Рис. 4. Уплотнение трещин на образцах керна после исследований в пластовых условиях
вдоль напластования (перпендикулярно направлению фильтрации). На фотографиях (рис. 3) отчетливо видны трещины вблизи одного из торцов образцов. Тем не менее в процессе фильтрационных испытаний расслоившиеся образцы не были разрушены, а, наоборот, наблюдалось уплотнение трещин в месте
первоначального расслоения (рис. 4).
***
Подводя итог проведенным исследованиям, можно утверждать, что образцы пород продуктивных отложений дагинской свиты
Исследование выполнено при финансовой № 13-08-00340 а.
Список литературы
1. Коваленко Ю.Ф. Анализ напряженного состояния и разрушения породы в окрестности нефтяной скважины: препринт / Ю.Ф. Коваленко, К.Б. Устинов, А.А. Галанин. -М.: ИПМех РАН. - 2009. - № 919. - 36 с.
при воздействии градиентов давления, соответствующих проектным дебитам, не разрушаются. Этот вывод опирается на то, что исследованная коллекция кернового материала представляет широкий диапазон фильтрационно-емкостных свойств продуктивных отложений дагинской свиты. Изучено влияние остаточной воды и неравноосного нагружения на прочность коллекции в пластовых условиях при высоких скоростях фильтрации. Показано, что разрушения сухих и частично насыщенных водой пород не происходило даже при наличии сдвигового напряжения, обусловленного неравноосной нагрузкой.
Обнаружено, что фильтрация воды в процессе центрифугирования оказывала более сильное воздействие на структуру скелета породы, чем фильтрация газа при больших градиентах в условиях пластовых напряжений.
Для более глубокой оценки условий начала разрушения породы-коллектора при фильтрации флюида с проектными скоростями фильтрации в будущем целесообразно провести еще одну серию экспериментов в условиях более низкого осевого напряжения. Возможно, основным фактором, препятствующим разрушению образцов в эксперименте, являются высокие сжимающие осевые напряжения. К тому же следует оговориться, что для полной имитации напряженно-деформированного состояния горной породы на стенке скважины в экспериментах не хватает реализации независимой третьей оси нагружения.
поддержке РФФИ в рамках научного проекта
2. Ковалев А.Л. Геомеханическая
модель горного массива, содержащего разрабатываемую нефтегазовую залежь или подземное хранилище газа / А. Л. Ковалев, Е.В. Шеберстов // Вести газовой науки: Актуальные вопросы исследований пластовых систем месторождений углеводородов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 1 (12). -С. 204-215.
3. Орлов Д.М. Экспериментальное определение прочностных характеристик слабосцементированных песчаников
и алевролитов в пластовых условиях / Д.М. Орлов, Н.В. Савченко, А.Е. Рыжов, Т. А. Перунова // Вести газовой науки: Актуальные вопросы исследований пластовых систем месторождений углеводородов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 1 (12). -С. 184-191.
4. Gutierrez M.S. Coupling of fluid flow
and deformation in underground formations / M.S. Gutierrez, R.W. Lewis // Journal of Engineering Mechanics. - July 2002. - V. 128, is. 7. - P. 779-787.
5. Vasarhelyi B. Influence of water content on the strength of rock / B. Vasarhelyi, P. Van // Engineering Geology. - 2006. - V. 84. - P. 70-74.
6. Carles P. Water-weakening of carbonates under stress: new insights into pore-volume compressibility measurements / P. Carles,
P. Lapointe // Petrophysics (SPWLA). - 2005. -V. 46, is. 5. - P. 361-368.
