Повышение эксплуатационной надежности скважин Анастасиевско-Троицкого месторождения на основе результатов исследования пес. 1 ВКР Бекиров 2022. Повышение эксплуатационной надежности скважин АнастасиевскоТроицкого месторождения на основе результатов исследования пескопроявления продуктивного коллектора

• Название: Повышение эксплуатационной надежности скважин АнастасиевскоТроицкого месторождения на основе результатов исследования пескопроявления продуктивного коллектора
• Анкор: Повышение эксплуатационной надежности скважин Анастасиевско-Троицкого месторождения на основе результатов исследования пес
• Дата: 16.06.2022
• Размер: 1.13 Mb.
• Имя файла: 1 ВКР Бекиров 2022.docx
• Тип: Документы; #597419
• страница: 5 из 11

4 Построение статистической модели деформационной нестабильности коллекторов

4.1 Анализ современных представлений о принципах моделирования и расчёта коллекторов

Для прогнозирования процессов пескопроявлений необходимо изучить причины и факторы потери пространственной устойчивости и разрушения пород-коллекторов (песчаников).

В настоящее время существует ряд направлений в моделировании и расчёте пород-коллекторов, описанных в работах [1-15]. Задача моделирования пород-коллекторов непосредственно связана с такими научными дисциплинами как нефтегазовая подземная гидромеханика, теоретические основы формирования свойств глинистых покрышек нефтяных и газовых месторождений, физика горных пород, литология осадочных горных пород.

Существуют разные подходы к описанию характеристик пород-коллекторов:

- физико-механические характеристики (прочностные и деформационные свойства), в которых породы изучаются методами механики твёрдого деформированного тела, теории упругости, пластичности и ползучести;

- физико-химические подходы, в которых породы рассматриваются с позиции физико-химической механики дисперсных систем;

- методы подземной гидромеханики – фильтрационные характеристики пород-коллекторов, имеющие особое значение при исследовании состояния пород в условиях заводнения;

- структурно- и микроструктурно-физические исследования глинистых покрышек нефтяных и газовых месторождений;

- механизмы и обстановки образования пород, постседиментационные изменения.

Цели моделирования фильтрации в нефтегазоводоносных пластах показаны на рисунке 4.1.


Рисунок 4.1 – Цели моделирования фильтрации в нефтегазоводоносных пластах
Принцип создания статистической модели деформационно-пространственной нестабильности и разрушения песчанистых пород состоит в подходе к описанию породы-грунта как системы несовершенств (дефектов). Такой подход теоретически обоснован и экспериментально подтверждён в физике твёрдого тела. Дефекты могут иметь разную природу и качество, а также степень влияния на деформационно-пространственную нестабильность и характер разрушения породы. На определённом этапе формирования дефекты приобретают такой масштаб и характер, что разрушение породы становится высоко вероятным.

Разрушение горных пород имеет преимущественно хрупкий характер, в полной мере это относится к песчаникам. Статистическое моделирование хрупкого разрушения основано на гипотезе, что разрушение образца в целом определяется локальной прочностью его наиболее слабого элемента объёма. Процесс разрушения отождествляется с разрушением цепи, звенья которой образуют элементы объёма, прочность которой определяется самым слабым звеном.

Рассматривая модель породы-коллектора как сложную иерархическую систему, в соответствии с вышеприведенными данными анализа современных представлений о принципах моделирования и расчёта пород-коллекторов можно утверждать, что для решения задач настоящей работы перспективна статистическая динамическая модель.
4.2 Предпосылки моделирования песчанистых коллекторов
Предпосылки моделирования песчанистых коллекторов состоят в следующих положениях:

• 
  привлечение методов механики грунтов для описания общих принципов моделирования связных и несвязных грунтов;
  
• 
  описание особенностей грунтов разных типов – от песчаных до глинистых, что даст возможность определить место песчаников в системе классификации грунтов.
  

В таблице 4.1 представлена классификация грунтов по содержанию глинистых частиц и числу пластичности, в таблице 4.2 показано распределение на классы природных дисперсных грунтов.

Т а б л и ц а 4.1 – Классификация грунтов по содержанию глинистых частиц и числу пластичности

№ п/п	Наименование грунта	Содержание частиц ˂ 0,005 (%)	Число пластичности Jp
1	Глины	˃ 30	˃ 0,17
2	Суглинок	10÷30	0,07÷0,17
3	Супесь	3÷10	0,01÷0,07
4	Песок	˂ 3	не пластичный

Т а б л и ц а 4.2 – Классы природных дисперсных грунтов

Группа	Подгруппа	Тип	Вид
Связные	Осадочные	Минеральные	Глинистые грунты
		Органоминеральные	Илы, заторфованные грунты
Несвязные		Органические	Торфы и др.
		Минеральные	Пески, Крупнообломочные грунты

Из сопоставления данных, приведенных в таблицах, можно сделать вывод, что песок представляет собой систему из минеральных частиц, связь между которыми минимальна – несвязный грунт. Далее, в ряду от супеси до глины сила связи между минеральными частицами непрерывно возрастает за счёт увеличения доли глинистой компоненты. Глины, супеси и суглинки относятся к связным грунтам.

Глинистый грунт наиболее сложная система в сравнении с другими грунтами. Он представляет собой рыхлый пространственный каркас, построенный из частиц разного фракционного состава и коллоидной компоненты. В водной среде глинистое вещество находится в диспергированном или агрегированном состояниях.

Характер взаимодействия глин и минеральных частиц с водой принципиально отличается:

- минеральные частицы (пески) нерастворимы в воде, и не образуют с водой агрегатов и композиций;

- глинистые частицы активно взаимодействуют с водой, способны к поглощению воды, и к переходу в воде в диспергированное состояние, что можно интерпретировать как псевдорастворение.

Песчаник как горная порода не равноценен песчаному грунту. Песчаник – обломочная осадочная горная порода, оформленная как однородный или слоистый агрегат обломочных частиц размером от 0,1 мм до 2,0 мм (песчинок), связанных каким-либо минеральным веществом (цементом). Таким образом, песчаник можно рассматривать как композицию песка и глинистого компонента как связующего. Различие между песком и песчаником состоит в том, что песок – несвязная порода, а песчаник – связная порода (термины согласно ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация). Это различие имеет фундаментальный характер с точки зрения понимания природы свойств песчаника.

В большинстве разновидностей песчаников преобладает кварц как наиболее устойчивый физически и химически минерал. Плотность неводонасыщенного песчаника 2250-2670 кг/м³; пористость 0,69- 0,70 %. Наиболее высокие физико-механические свойства имеет песчаник с кремнистым и карбонатным цементирующим веществом, худшие – с глинистым. При этом наряду с концентрацией глинистого вещества очень большое значение имеет и его минеральный состав, причём отрицательное воздействие возрастает в ряду каолинит  гидрослюда  монтмориллонит.

Авторами статьи «Петрографический состав и особенности строения пустотно-порового пространства в нижнемеловых песчаниках Гураринского нефтяного месторождения» [19] исследованы типы цементации и строение пустотного пространства в песчаных пластах. Цемент в структуре породы распределён неравномерно, наблюдаются различные типы локализации цемента, обусловленные разным содержанием минеральных компонентов. На основании анализа данных, физическая модель пепсчаника преставлена на рисунке 4.2.



Рисунок 4.2 – Физическая модель песчаника
Как физическое твёрдое тело, песчаник тождественен поликристаллическому телу, в котором зёрна имеют существенно большую прочность, чем межзёренные пограничные области. Разрушение поликристалла идёт по межзёренным областям. Для песчаника это справедливо в полной мере – плотность и прочность зёрен-песчинок гораздо выше, чем цементирующей фазы. Физическая модель песчаника может быть охарактеризована такими показателями как компонентный состав, структура, параметры и свойства. Физическая модель песчаника (ФМП) – базовая ступень иерархии моделей песчаника. В ФМП заложены принципы прочности и механизмы разрушения песчаника.

Процесс разбуривания пласта неизбежно ведёт к образованию слабых областей в призабойной зоне пород, что необходимо учитывать при решении задачи прогнозирования разрушения пород-коллекторов. Дефектные области в породах-коллекторах в призабойной зоне, возникающие на этапе строительства скважин, в ходе последующей эксплуатации оказываются под воздействием комплекса нагрузок. На рисунке 4.3 показана схема профиля поверхности породы-коллектора в призабойной зоне пласта.


Рисунок 4.3 – Схема профиля поверхности породы-коллектора

в призабойной зоне скважины
Поверхность материала – наиболее слабая его часть. Поверхность – область, где имеет место резкий переход от плотной среды материала, к кон тактирующей среде – газообразной, жидкой или твёрдой. В пограничной зоне идут активные процессы взаимодействия между средами, что ведёт к образованию новых, и росту уже имеющихся дефектов, и в ряде случаев к инициации разрушения материала.

Хрупкое разрушение в отличие от пластического сопровождается образованием развитой поверхности с большим числом дефектов – микротрещин, выбоин, сколов, перенапряженных локальных участков и др. Таким образом, поверхность стенки скважины представляет собой техногенного происхождения дефектно обогащённую область породы-коллектора, которая в ходе последующей эксплуатации находится в самой активной зоне комплексных нагрузок, что предопределяет высокую вероят- ность инициации и развития разрушения породы в этой зоне.

Можно отметить, что степень изученности задачи определения меры дефектности поверхности стенки скважины породы-коллектора пока ещё не имеет системного решения, что вносит значительную долю неопределённости в исследование процессов деформационно-пространственной нестабильности и разрушения пород-коллекторов.

Механические свойства песчаников были предметом исследования ряда учёных [5], [7]. Для несцементированных песчаников эти теории совпадают и дают общий критерий:

tg ^{, (4.1)}

где – касательное напряжение на некоторой площадке; – нормальное к этой площадке напряжение; – угол внутреннего трения.

При достижении касательными напряжениями некоторого предельного значения наступает разрушение. Рассмотрение характера разрушения неоднородного массива на макроуровне свидетельствует о том, что механизм разрушения и раскрытие трещин существенно зависят от напряжённого состояния массива, его строения и глубины ведения работ.

Существует описание методов прогноза трещиноватости, к наиболее распространённым из них относятся:

- непрерывное моделирование сети трещин – прогноз интенсивности трещиноватости;

- дискретное моделирование – распределение трещин как объектов, т.е. прогноз свойств трещин, таких как направленность, протяжённость, раскрытость, угол наклона.

Анализ данных из приведённых выше источников показывает, что в предразрушающей области происходят процессы формирования дефектно- деформационной структуры и её развитие, а затем образование субмикроскопических трещин, накопление и объединение микротрещин.

Вместе с тем необходимо указать на ряд положений относительно ограничений применения перечисленных выше методов для описания механизмов разрушения пород-коллекторов. Природа прочности и механизмы разрушения пород-коллекторов пока ещё очень мало исследованы, что связано с исключительным разнообразием и сложностью строения горных пород.

Среди методов исследования горных пород наибольшее распространение получили подходы, описывающие напряжённо-деформированное состояние пород. Однако число факторов и параметров, которые должны быть учтены, оказывается настолько большим и трудно определяемым экспериментально, что приводит к неоправданно усложнённым вычислениям и сложностям интерпретации результатов. Поэтому, с учётом формулировки задачи настоящей работы, для прогнозирования разрушения песчанистых пород-коллекторов целесообразно использовать статистические методы.

3.