Международный журнал

ОБОСНОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОВЫШЕНИИ НЕФТЕОТДАЧИ ГЛУБОКО ЗАЛЕГАЮЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ

Э.Р. Гимаева, магистрант

Рецезент: Д.С. Герасимов, канд. техн. наук, доцент

Тюменский индустриальный университет

(Россия, г. Тюмень)

Аннотация. На сегодняшний день важным вопросом нефтедобычи является повышение нефтеотдачи месторождения. Однако, применение различных способов повышения нефтеотдачи ведет к изменению напряженно-деформированного состоянии горных пород. В связи с этим, при применении различных методов повышения нефтеотдачи необходимо активно оценивать состояние горных пород месторождения, с целью предупреждения негативных последствий в виде проседания грунта, нарушения целостности коммуникаций и сейсмической активности. В работе рассматриваются вопросы расчетов напряженно-деформированного состояния горных пород и построения прогнозов их значений при разработке месторождений нефти.

Ключевые слова: повышение нефтеотдачи, напряженно-деформированное состояние горных пород.

На протяжении XX века и в XXI веке нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых. Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, нефть остается важной составляющей любой экономики и важной статьей доходов нефтедобывающих стран. В связи с этим разработкой и внедрением методов повышения нефтеотдачи пластов активно занимаются все нефтедобывающие страны, так как увеличение нефтеотдачи на эксплуатируемых месторождениях равносильно открытию новых. Учитывая, что методы повышения нефтеотдачи реализуются в регионах с развитой инфраструктурой, эффективность от их внедрения существенно выше по сравнению с поиском и разведкой новых месторождений.

Существует различные способы повышения нефтеотдачи, к примеру:

1) Азотно-импульсная обработка [1];

2) Реагентно-гидроимпульсно-виброструйная обработка [1];

3) Введения  сжимаем в пласт бактериальной  повышение продукции или  вектор ее образования непосредственно  сылки в нефтяном пласте [2];

4) Физико-химические  rocks способы повышения нефтеотдачи пластов [3].

Современное  обработки состояние и перспективы  ность дальнейшего развития  обработки нефтяной промышленности  умеренные характеризуются переходом  стадии на интенсивные методы  necessary разработки месторождений. В  this связи с этим  современное постоянно разрабатываются  расширение новые методы,  риала основанные на усовершенствовании  средственно влияния на пласты,  обработки увеличивая применение,  остаточный физико-химических и газовых  процесса методов воздействия.

Однако, повышение  вводится эффективности нефтедобычи  газовых напрямую зависит  модели от вопросов геомеханики, связанных  менее с расчетом и прогнозом  вводится напряженно-деформированного состояния  массива горных массивов,  жениями определением параметров  особенности процесса сдвижения  методы и охраной сооружений  угол от подработки. Актуальность  разведкой данных проблем  виды обусловлена многочисленными  остаточный случаями опасных геомеханических и  разрыв геодинамических явлений,  благодаря связанных с нефтедобычей. Разработка  щелочными нефтяных месторождений  разгрузке и связанные с ними  приборах изменение пластового  разр давления, различные  которая виды воздействия  сылки на залежь для  методы повышения нефтеотдачи нарушают  виде природное равновесное  полная состояние недр,  коэффициент создавая предпосылки  жений для возникновения  сылки деформаций горного  приборах массива и земной  сжимаем поверхности. Наблюдающиеся  стадии при этом  угол оседания земной  нормальные поверхности могут  согла составлять от нескольких  несмотря миллиметров до нескольких  общую метров. Для  объемных большинства месторождений  риала скорости просадок  повышение составляют умеренные  полных величины – один-два  закону сантиметра в год,  параметр а накопленные величины  характерной просадок земной  широком поверхности не превышают  образца десятков сантиметров. Интенсивные  водой техногенные смещения  системами земной поверхности (более 1-2 метров) – менее  связанных распространенное явление,  виде но с весьма опасными  изменение последствиями. Основные  разрыв и наиболее опасные  существенно формы этих  деформаций последствий – сильные  order деформации наземных  жений сооружений, разрыв  чрезвычайно коммуникаций, слом  нефтеотдачи обсадных колонн  применяемые эксплуатационных скважин,  значения заболачивание и затопление  маций опускающихся участков  виброволновое земной поверхности,  берегов региональное проявление  угол оползневых процессов.

Горные  деформаций породы, слагающие  рассмотрении месторождения нефти  this и газа, чрезвычайно  коэффициент разнообразны по своему  paper составу, строению  критерий и свойствам. Применяемые  ники расчетные модели  ность должны, с одной  полная стороны, отражать  современное наиболее важные  состояло особенности механического  уменьшается поведения объекта,  учетом а с другой стороны,  согла они должны  жений быть достаточно  которая простыми, чтобы  основных их можно было  интенсивные использовать без  ность чрезмерных затрат  образца времени и средств. В  интенсивные качестве основной  согла модели пород-коллекторов  процесса применялась (наряду  мицеллярными с наиболее простой  уравнение упругой моделью) “шатровая” модель,  повышение т.к. она  хорошо  получены подходит для  сдвига расчета деформаций  углы насыщенных пористых  коэффициент сред.

Основные уравнения  чрезвычайно модифицированной шатровой  форма модели (МССМ – модель) формулируются  коэффициент при рассмотрении  параметр стандартных компрессионных  случаями испытаний, т.е. дренированного нагружения образца  согла породы в стабилометре эффективными  образца напряжениями 1  2 = 3. Вводится  ность эффективное гидростатическое  повышение напряжение , девиаторное напряжение q и  растяжения коэффициент пористости e,  системам как отношение  пористых объема пор  уравнение к объему твердого  широком тела [4]:

 = (1/3)(1+23); q = 1 — 3; e=m/(1-m),  (1)

следует

где m – пористость.

Изменение  пористых коэффициента пористости  сылки при нагрузке  компрессионная и разгрузке для  paper большинства пористых  порового пород можно  нение представить в виде  берегов линейной функции  технологию от логарифма гидростатического  сылки напряжения :

e = e1 — ∙ln;   e =  e2  благодаря — k∙ln,         (2)

где , k – углы  деформаций наклона прямых соответственно  development при нагрузке  параметр и разгрузке;

e1, e2  благодаря – начальные  угол значения коэффициента  характерной пористости.

При этом  учетом деформирование образца  системам при разгрузке  риала и повторной нагрузке  компрессионные считается упругим. Согласно основных  помощью положений шатровой  модели модели изотропная  стадии компрессия образца  мицеллярными под давлением рс образует  повышение зону упругости ОАрс (рис.1). Объемные  касательное пластические деформации  существенно сжатия будут  нормальные возникать при  является выходе напряжений  коэффициент за границу поверхности  остаточный текучести Арс, которая  характерной имеет вид  пород эллипса со  смещенным  остаточный относительно начала  процесса координат центром. Согласно ассоциированного  повышение закона пластического  массива течения поверхность  сжимаемости текучести одновременно  растяжения является также  следует поверхностью пластического  риала потенциала, т.е.

      (3)

где F, Q обозначают  уравнение соответственно критерий  рассмотрении разрушения и пластический  следует потенциал;

М – параметр  повышение линии критического  новые состояния (CSL) вида q = M.

Появление  paper объемных пластических  рассмотрении деформаций pv означает  сдвига упрочнение материала,  this т.е. расширение  виде области упругости Арс по  пород закону

             (3)

В области  this низких нормальных  системами напряжений (при  < pc/2) упрочнение  получены материала невозможно  нефтеотдачи и появление пластических  прои деформаций связано  связанных с разрушением материала  параметр при сдвиге  уменьшается или при  процесса растяжении. В диаграмме —q форма  остаточный критерия разрушения  расширение от сдвига аналогична  угол критерию Кулона-Мора:

          (4)

где 

При  щелочными растяжении критерий  disruption разрушения записывают  технологию в виде:

F = —3 — p  параметр = 0,                           

где p  пород – прочность  разрыв на растяжение.

При разрушении  нефтеотдачи материала от сдвига  массива или растяжения  миллиметров появляются пластические  мицеллярными деформации увеличения  ность объема (дилатансии). При  методы этом параметр рс согласно (3) уменьшается  расчетные и вместе с ним  order упругая область,  rocks т.е. происходит  которая разупрочнение. Однако  полная следует отметить,  полная что специфика  сжимаем деформирования коллекторов  остаточный при падении  дает пластового давления  this в обычных условиях  угол не создает условий  изменение для разрушения  виды от сдвига или  широком растяжения.

Большим преимуществом МССМ-модели является  горных возможность учитывать  интенсивные различие в деформируемости пород  пород при нагрузке  лись и разгрузке. Если нагружение происходит  века по траектории, приблизительно  системам нормальной к эллиптической  является поверхности текучести (что  согла характерно для  disruption процесса уплотнения  получены коллекторов), то модель  углы хорошо описывает  обозначают взаимосвязь напряжений  прочность и деформаций. Немаловажным  границу достоинством также  перехода является малое  использовались число экспериментальных  закону параметров: , k и М– три  объемных величины, определяемые  щелочными при стандартных  уменьшается компрессионных и стабилометрических испытаниях.

Для  разведкой оценки интенсивности  сдвига техногенных сейсмических  повышение событий использовалась  нение модель деформирования  перехода горных пород  лись по системам трещин. Модель  состояния использует полные  характерной диаграммы деформирования  коэффициента скальных контактов,  системами полученные В.Лейхнитцем и П.Ербаном на  нефтеотдачи приборах прямого  этих среза (рис. 2).

Согласно положений известной  применялась однородной модели  прискважинной В. Виттке составляется  разрыв уравнение вязкопластичности для  обработка необратимых относительных  применяемые перемещений {vp} берегов  увеличение трещины:

,

где – вектор скорости  объемные нормальных и касательных  ность вязкопластических смещений  менее по трещине;

{т} = {n  века , res}т – нормальные  обработк и касательные напряжения  существенно в плоскости трещины; FT, QT  чрезвычайно – критерий  коэффициент разрушения и пластический  лись потенциал.Считая, что  образца предельное сопротивление  состояло сдвигу р выражается критерием Джагера и  интенсивные с учетом полных  необходимой диаграмм сдвига (рис. 2) были  характерной получены критерии  системам разрушения на стадиях  связи упрочнения и разупрочнения. В  растяжении стадии упрочнения (s  state  р)

На  увеличение стадии разупрочнения (s  >р)

Соответствующие  стадии значения частных  нение производных пластического  системам потенциала имеют  коэффициент вид:

В этих  пористых формулах:

, с  получены – угол  параметр внутреннего трения  процесса и сцепление; *, io – остаточный  прои угол внутреннего  технологию и угол дилатансии; b = [tg(т + io) — tg]/с; т – угол  между внутреннего трения по трещине; s, p  мицеллярными – касательное  немаловажным смещение по трещине  сжимаемости и его предельное  поверхностью значение;  – параметр  процесса разупрочнения.

Рассмотренная модель  пород неоднократно применялась  состояния для прогноза  новые НДС подрабатываемых  ность скальных массивов  коэффициент рудных месторождений,  уменьшается где показала  лись свою эффективность  широком [5].

Характерной  этих особенностью пористых  заболачивание пород-коллекторов является  обозначают наличие пустот,  несмотря благодаря чему  виброволновое законы их деформации  современное имеют свою  сдвигу специфику. Для  растяжения вычисления объемных  блюдающиеся деформаций пористой  открытию среды необходимы  эллиптической коэффициенты сжимаемости  между породы, пор  пород и твердой фазы – , п, тв,  повышение между которыми  широком существует зависимость:

 = m0п + тв,

где m0 – открытая  заболачивание пористость.

При этом  немаловажным для песчано-глинистых  образует и карбонатных коллекторов  значения коэффициент сжимаемости  полная твердой фазы  технологию на один-два порядка  жений ниже, чем  менее коэффициент сжимаемости  затрат пор, т.е. объемная  пористых деформация пористых пород возникает  виброволновое главным образом  state за счет деформаций  обработк порового пространства. Для  заболачивание изучения сжимаемости  связанных порового пространства  мицеллярными коллекторов производились  обработки компрессионные испытания,  ленные т.е. получали  применялась зависимость пористости (или  открытию коэффициента пористости) образцов  разведкой от всестороннего эффективного  системами давления при  основных нагрузке и разгрузке.

Компрессионная  образца зависимость дает  образца полное представление  основных о деформируемости порового  пространства,  газовых т.к. с ее помощью  перехода можно найти  риала коэффициент сжимаемости  повышение пор в заданном  сдвигу интервале всестороннего  объемных давления:

п  = m/(m) = e/(e),                                 (11)

где m – пористость, e – коэффициент  пористых пористости.

Поскольку сжимаемость  state твердой фазы  дает значительно меньше  обработки сжимаемости пор,  образца то общую сжимаемость  порового породы можно  ленные без большой  стадии погрешности определить  объемные по формуле (10) с  disruption помощью табличных  обработк значений тв. Испытания  эллиптической показали, что  шершелюк в широком интервале  счет напряжений пористость  риала можно представить  повышение в виде линейной  paper функции от логарифма  общую всестороннего давления. Это  образует дает основание применять  поверхностью для расчета  несмотря деформаций коллекторов  открытию хорошо разработанные «шатровые» модели.

Результаты выполненных испытаний в сочетании со справочными данными, известными эмпирическими и теоретическими зависимостями предоставляют достаточно материала для обоснования параметров механических моделей, которые применялись для расчета показателей напряженно-деформированного состояния горных массивов на месторождениях нефти. Для перехода от физико-механических свойств образцов к соответствующим показателям горного массива использовались известные эмпирические и теоретические зависимости, а также, при наличии необходимой информации, метод «обратных расчетов». В общем виде применение метода «обратных расчетов» состояло в следующем. На первом этапе выполнялась предварительная оценка физико-механических показателей на основе всей имеющейся информации – лабораторных экспериментов, справочных данных, эмпирических и теоретических зависимостей. На втором этапе производилась серия расчетов НДС массива с вариацией входящих параметров. На данном этапе выявлялись наиболее значимые факторы, устанавливались характер и степень их влияния на расчетные показатели НДС горных пород. Наконец, на третьем этапе с учетом выявленных закономерностей производилась окончательная калибровка моделей для наилучшего соответствия расчетных и экспериментальных данных. Анализ мирового опыта показывает, что именно такой подход обеспечивает наилучшую надежность прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния горного массива.

Библиографический список

1. Корнеев В.С. Гидропульсатор для создания волнового поля в забойной части скважины для повышения нефтеотдачи // Омский научный вестник. – 2007. – № 2 (56). – С. 84-87.

2. Беккер Р.Х. Перспективы применения микробиологических методов повышения нефтеотдачи в условиях продуктивных коллекторов Урало-Поволжья / Р.Х. Беккер, Ю.А. Гуторов, А.М. Гареев // Нефтегазовое дело. – 2012. – № 10-3. – С. 34-39.

3. Хижняк Г.П. Эффективность применения водогазовых смесей для повышения нефтеотдачи и перераспределения фильтрационных потоков / Г.П. Хижняк, А.М. Амиров, Е.А. Гладких, А.П. Кишмирян, М.А. Потаскуев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2016. – Т. 15. № 18.–  С. 42-52.

4. Овчинников В.П. Основные разделы механики сплoшной среды и их практическое применениепри бурении и разработке нефтяных и газовых месторождений / В.П. Овчинников, А.В. Набоков, О.Ф. Данилов, Д.С. Герасимов, Т.А. Харитонова// Тюменский государственный нефтегазовый университет. – Тюмень. – 2015. – 56 с.

5. Ашихмин С.Г. Научные основы методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений нефти и газа // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. – Пермь. –2008. – 41 с.

JUSTIFICATION OF THE VALUES OF THE STRESSED-DEFORMED STATE

OF MOUNTAIN ROCKS WITH IMPROVEMENT OF PETROLEUM DEPOSITS

OF DEEP COLLECTORS

E.R. Gimayev, graduate student

Recusant: D.S. Gerasimov, candidate of technical sciences, associate professor

Tyumen industrial university

(Russia, Tyumen)

Abstract. To date, an important issue in oil production is the enhanced oil recovery of the field. However, the use of various methods of increasing oil recovery leads to a change in the stress-strain state of rocks. In this regard, when using various methods of increasing oil recovery, it is necessary to actively assess the state of the deposit’s rocks in order to prevent negative consequences in the form of subsidence, disruption of communication integrity and seismic activity. The paper deals with the calculation of the stress-strain state of rocks and the construction of forecasts of their values in the development of oil fields.

Keywords: enhanced oil recovery, stress-strain state of rocks.