Билет №5. 2. Проявление упругих и упругопластических свойств горных пород при процессах разра­ботки нефтяных месторождений

1. Вопрос 1.

2. Проявление упругих и упругопластических свойств горных пород при процессах разра­ботки нефтяных месторождений.

Деформация горных пород - изменение отно­сительного положения частиц пород, вызы­вающее изменение размеров, объема, формы отдельных частей или участков массивов горн, пород.

Деформации горных пород при действии рас­тягивающих напряжений особенно характерны для верховых зон оползающих откосов, а также для толщ горных пород, оседающих над выработанным пространством при подземной выемке полезного ископаемого по системам с полным обрушением кровли

Характер деформации горной породы (де­формация пластическая или разрывная) зави­сит от физических свойств породы и от скоро­сти деформирования.

Что определяет деформации горных пород. На процесс деформации горных пород в связи - о спецификой их строения особое влияние ока­зывают молекулярные связи по границам зе­рен. Границы зерен в горных породах в отли­чие от металлов характеризуются значительно меньшими силами связи по сравнению с си­лами связи внутри зерен. Часто межзерновые связи экранируются прослойками менее проч­ного цементирующего вещества.

Экспериментальное изучение деформаций горных пород проводится в области упругих деформаций зернистых сред, когда напряже­ние в скелете породы не превышает предела прочности механических связей между части­цами. Образец породы нагружается в условиях одноосного сжатия от минимальной до мак­симальной нагрузки, а затем разгружается при тех же величинах нагрузки с регистрацией аб­солютных величин изменения размеров об­разца. Это позволяет сохранить структуру по­рового пространства образца и использовать тот же образец для определения фильтраци­онных свойств продуктивного пласта после установления на нем осей главных напряже­ний - максимальных и минимальных.

Механические характеристики и деформации горных пород во многих случаях оказывают значительное, а иногда и определяющее влия­ние на разработку нефтяных и газовых место­рождений.

Наиболее заметно это влияние проявляется при высоких депрессиях, пластовых давлениях и температурах. В таких пластах значительная часть горного давления уравновешивается давлением пластового флюида и порода ока­зывается недоуплотненной, что подтвержда­ется многочисленными промысловыми дан­ными, согласно которым скорость бурения резко возрастает при прохождении пластов с АВПД.

Отбор нефти или газа из этих скважин обычно связан с созданием больших, до 10 - 30 МПа, депрессий, в результате которых давление горных пород передается на скелет пласта и приводит к появлению упругих, упругопласти­ческих, вязкоупругопластических деформаций и даже к разрушению структуры порового про­странства. Указанные явления обусловливают резкое и часто необратимое ухудшение кол­лекторских свойств; пласта, вызывающее сни­жение показателей разработки.

В тех областях деформации горных пород, где превзойден предел прочности, породы могут либо деформироваться пластически, либо хрупко разрушаться, либо непрерывно течь.

Изменение напряжений и деформаций горных пород во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью.

Для объяснения особенностей деформации горных пород в природных условиях наряду с традиционными схемами применяют модель наследственной среды. Эта модель позволяет рассматривать упругие и вязкостные свойства на основе представлений Больцмана о супер­позиции деформаций, испытанных средой в различные моменты времени.

Современное учение о деформациях горных пород и сходит из следующих по­ложений:

1) между деформацией с разрывом сплошности и пластической де­формацией (без видимого раз­рыва) нет резкой грани;

2) горные породы обычно неодно­родны, вследствие чего отдельные системы трещин имеют различную ориентировку;

3) между мельчайшими текстур­ными особенностями пород и крупными тек­тоническими элементами имеется тесная связь.

В процессе эксплуатации месторождения весьма важно знать также и прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с мо­дулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на по­роды призабойной зоны скважин (торпедиро­вание, гидроразрыв пластов), широко приме­няемых в нефтепромысловом деле для увели­чения притока нефти.

При рассмотрении физических свойств горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

Горные породы условно разделяются на твер­дые, пластичные, сыпучие и т. д. Однако, хрупкость или пластичность не является их постоянным свойством. Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки мо­гут вести себя и как хрупкие и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются. Разрушение пород про­исходит без заметной пластической деформа­ции. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают значительные пластические свойства. Правда, горные породы, как пра­вило, ограниченно пластичны. В процессе ла­бораторных испытаний таких пород, как пес­чаник, глинистый сланец и другие, не обнару­жен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответст­вующим глубине залегания более 3000 м. Вме­сте с тем практика горных работ показывает, что часто и на меньших глубинах происходят деформации этих пород, похожие на пластиче­ские.

Вопрос 2.
Системы разработки нефтяных место­рождений

Под разработкой нефтяных месторождений понимают управление движением нефти в залежах к нефтедобывающим скважинам пу­тем надлежащего размещения и последова­тельного ввода всего заданного фонда нефтедобывающих и водогазонагнетательных сква­жин с целью поддержания намеченных ре­жимов их работы при равномерном и эконом­ном расходовании пластовой энергии.

Рациональная система разработки месторож­дений предусматривает решение и осуществ­ление следующих мероприятий.

Выделение эксплуатационных объектов на многопластовом месторождении и определе­ние порядка их ввода в разработку. Эксплуата­ционный объект - продуктивный пласт или группа пластов, разрабатываемых самостоя­тельной сеткой скважин при обеспечении кон­троля и регулирования процесса их эксплуата­ции. Эксплуатационные объекты на многопластовом месторож­дении подразделяются на базисные (основные)- более изу­ченные, высокопроизводитель­ные и сравнительно крупные по запасам нефти пласты.

Возвратные - менее продуктив­ные и с меньшими запасами пла­сты, разработку которых преду­сматривается проводить путем возврата скважин с базисного объекта.

Определение сетки скважин, размещение их на эксплуатационном объекте и порядок ввода скважин в эксплуатацию. Размещение скважин на объектах может быть равномерным на за­лежах с неподвижными контурами нефтенос­ности при наличии подошвенных вод или во­обще при отсутствии пластовых вод. На место­рождениях с перемещающимися контурами нефтеносности скважины на объектах разме­щаются рядами параллельно контурам нефте­носности.

Расстояния между скважинами и рядами сква­жин выбираются с учетом геологического строения эксплуатационного объекта с тем, чтобы охватить разработкой все участки про­дуктивных пластов, а также по экономическим соображениям. Необходимо стремиться раз­буривать объекты редкой сеткой с тем, чтобы не было интерференции между нефтедобы­вающими скважинами. Это обеспечит высокую производильность каждой скважины. Однако при этом из-за литологической неоднородно­сти продуктивных пластов возможно оставле­ние невыработанных целиков нефти.

Установление режима работы нефтедобываю­щих и водонагнетательных скважин сводится к планированию темпов отбора нефти и закачки воды в пласт для поддержания пластового давления на определенный промежуток вре­мени. Дебиты и приемистости скважин могут быть самыми разнообразными и зависят от геологического строения продуктивных пла­стов и принятых режимов работы залежей. Режимы работы скважин изменяются во вре­мени в зависимости от состояния разработки залежей (положения контура нефтеносности, обводненности скважин, прорыва газа к ним, технического состояния эксплуатационной колонны, применяемого оборудования для подъема жидкости из пласта на поверхность, закачки рабочего агента в пласт (вода, газ) для поддержания пластового давления и др.).

Регулирование баланса пластовой энергии в залежах нефти проводится воздействием на пласт в целом. В настоящее время основной метод интенсификации добычи нефти - под­держание пластового давления искусственным заводнением пластов. На отдельных месторо­ждениях проводят также закачку газа в газо­вую шапку.

Заводнение пластов бывает: · законтурное, · приконтурное, · внутриконтурное.

Законтурное заводнение применяют при раз­работке сравнительно небольших по размерам залежей. Нагнетательные скважины распола­гают за контуром нефтеносности на расстоянии 200-100 м и более.

Приконтурное заводнение применяют на ме­сторождениях с низкой проницаемостью про­дуктивных пластов в водяной части залежи. Расстояние между нагнетательными скважи­нами и контуром нефтеносности - очень не­большое или же их располагают непосредст­венно на контуре нефтеносности.

Внутриконтурное заводнение применяют на крупном месторождении разделением его рядами нагнетательных скважин на отдель­ныеэксплуатационные объекты, которые в дальнейшем эксплуатируются как самостоя­тельные залежи. Нагнетательные скважины располагают с учетом геологического строения месторождений в основном на высокопрони­цаемых участках. При этом источниками пита­ния для краевых участков месторождений яв­ляются напор краевых вод и напор воды на линии искусственного заводнения рядами во­донагнетательных скважин, расположенных около контура нефтеносности или несколько отодвинутых от него, а также рядами водона­гнетательных скважин, пробуренных внефтя­ной части пласта. Эти внутриконтурные водо­нагнетательные скважины являются источни­ками питания и для других отдельных нефтя­ныхучастков залежей.

3. Вопрос 3.

4. Условия формирования нефтяных месторож­дений.

Проведенные детальные гидрогеологические исследования водонапорной системы Бухаро-Хивинской газонефтеносной области позво­ляют выделить ряд этапов, воспроизводящих развитие сложной системы связей. 1. Этап, предшествовавший возникновению залежей углеводородов. 2. Этап формирования залежей углеводоро­дов. 3. Этап, последовавший за образованием залежей углеводородов. Восстанавливая перечисленные этапы, будем пользоваться только полученным фактическим материалом и его интерпретацией. ЭТАП, ПРЕДШЕСТВОВАВШИЙ ВОЗНИКНОВЕ­НИЮ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ Этап предшествовавший возникновению зале­жей углеводородов, охватывающий, главным образом, третичный период, в гидродинами­ческом отношении может быть охарактеризо­ван условиями весьма затрудненного водооб­мена. Весь мезозойский комплекс осадков был очень слабо промыт. Современной области питания в виде высоко приподнятых горных сооружений Гиссарского хребта на рассматри­ваемом этапе не существовало. Эта палеооб­ласть питания отличалась невысокими абсо­лютными отметками, недостаточными для образования зоны вечных снегов. В гидрохимическом отношении рассматривае­мый этап до формирования залежей углево­дородов отличается развитием сравнительно минерализованных вод с общей минерализа­цией для юрского водоносного комплекса мало отличной от современной (порядка 70—120 г/л). Для меловых водоносных горизонтов общая минерализация подземных вод состав­ляла около 40—50 г/л. Более слабо минерали­зованных вод в то время, вероятно, не сущест­вовало. Геотермические условия мало отличались от современных. При этом температурный режим потенциально газонефтеносных горизонтов в общем соответствовал 70—100° С, что благо­приятствовало быстрому достижению предела газонасыщения водонасыщенной среды. Из только зарождавшихся и возникавших проги­бов усиленно мигрировали растворенные уг­леводороды; постепенно происходило уравни­вание концентрации углеводородов в подзем­ных водах между многочисленными очагами их генерации и путями поступления. Вполне вероятно существование иных облас­тей питания водонапорной системы, распола­гавшихся на юге от изучаемого района. Это должно было способствовать интенсификации процесса миграции углеводородов в пассив­ной форме (совместно с подземными водами), поступавшими из области современного Кара­кульского прогиба. Достижению предельного газонасыщения под­земных вод благоприятствовали следующие факторы: 1. Наличие достаточно мощных глинистых по­кровов турона и сенона еще не разбитых флек­сурно-разрывными нарушениями. 2. Высокая минерализация пластовых вод, для которых характерны сравнительно низкие ко­эффициенты растворимости углеводородных газов. 3. Благоприятный температурный режим, также соответствовавший наиболее низким коэффициентам растворимости углеводоро­дов.4. Наконец, наиболее важный фактор в условиях взаимодействия трех предыдущих заключался в интенсивной генерации и посту­плении в изучаемый район углеводородов. Таким образом, главной особенностью этапа, предшествовавшего возникновению залежей углеводородов, является полное преоблада­ние факторов, благоприятствовавших непре­рывному их концентрированию. Приведенные положения вполне соответствуют фактическим данным по минерализации подземных вод юрских и меловых горизонтов, их газонасыще­нию (особенно газонасыщение вод юрского комплекса), геотермическим условиям, а также выводу о времени начала новейших тектони­ческих движений, приведших к сравнительно недавнему подъему Гиссарского хребта — этой основной современной области питания. Следует подчеркнуть, что восстановлению этапа, предшествовавшего возникновению залежей углеводородов, существенно помо­гает почти не затронутая агентами разрушения обстановка почти предельной газонасыщенно­сти юрского водоносного комплекса. Это та первозданная обстановка, господствовавшая и в более высоких стратиграфических горизон­тах, но сильно изменившаяся в последующей геологической истории. ЭТАП ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДО­РОДОВ - Этот этап не отделен от предыдущего какой-либо резкой границей во времени. Оба они взаимосвязаны. Из приведенного огромного фактического материала по водонапорной системе в целом не трудно видеть, что вряд ли можно рассматривать этап формирования за­лежей углеводородов как единый кратковре­менный акт. Скорее всего по своему характеру анализируемый этап представляет собой об­ширный и сравнительно длительный процесс все нарастающей борьбы различных агентов формирования и разрушения залежей углево­дородов. Под этапом формирования залежей углеводородов мы понимаем качественный скачок, подготовленный предыдущими неус­тойчивыми процессами локально возникавших очагов выделения свободной газовой фазы из раствора и концентрирование тонкррассеян­ной нефтяной эмульсии, выделявшейся из растворенного состояния в воде. Во времени этап активного формирования за­лежей следует отнести к концу третичного и началу четвертичного периодов — ко времени ранней фазы оживления активной тектониче­ской жизни района. Общий подъем изучаемого района сопровож­дался формированием крупных выступов и локальных положительных структур. Водонапорная система, предельно насыщен­ная растворенными газами, испытав опреде­ленный подъем и связанное с ним снижение пластового давления до величин, сопостави­мых с давлениями насыщения, становится ареной усиленного выделения углеводородов из раствора. Здесь следует отметить взаимо­связь между различными элементами меха­низма формирования залежей углеводоро­дов:) нарастание давления насыщения до ве­личины пластового давления (или снижения величин пластового давления до величин дав­ления насыщения); 2) образования локальных положительных структурных поднятий, сложенных проницае­мыми породами и надежно перекрытых гли­нистыми покрышками. Из предыдущих глав по литолого-фациальным особенностям водовмещающих пород, по тек­тонике и гидрогеохимии, видно, что Бухаро-Хивинская область отличается счастливым стечением перечисленных выше факторов. Особенно благоприятны меловые горизонты, отличающиеся своими хорошими песчано-алевритовыми коллекторами. При рассмотре­нии тектонической схемы района становится понятной роль многочисленных локальных структур в процессе улавливания активно вы­делившихся углеводородов из раствора. Поскольку процессы газовыделения из рас­твора происходили в пористой среде, то надо полагать, что они отличались замедленным темпом. Кроме того, само всплывание свобод­ных пузырьков и микроконцентраций жидких углеводородов по направлению к водоупор­ной кровле заметно усложняет образование свободных газовых и нефтяных скоплений. В данных условиях вполне вероятна струйная миграция на очень недалекие расстояния от наивысших точек ловушек. Такого рода «ко­роткие перебежки» периодически возникав­ших струек углеводородов по направлению к своду куполов, безусловно, ускоряли общее течение процесса формирования промышлен­ных залежей. Рассматриваемый этап формирования залежей углеводородов можно разбить на несколько подэтапов, отличавшихся определенными особенностями. В частности, не загромождая деталями общий ход восста­новления происходивших процессов, укажем только на вертикальное перемещение арены деятельности наиболее активной фазы форми­рования газовых залежей. Задолго до времени начала общего подъема района давление на­сыщения наиболее глубоких юрских водонос­ных горизонтов достигло больших величин и здесь формирование залежей началось значи­тельно раньше, чем в более высоких меловых горизонтах. В меловых же горизонтах актив­ный процесс формирования связан главным образом с подъемом района. В этих условиях некоторое ненасыщение верх­них горизонтов уже перестало быть препятст­вием для их включения в общий процесс газо­выделения из раствора. Активный этап формирования залежей был нарушен тем же основным агентом, который его и вызвал — фазой активизации тектониче­ской жизни района. Дальнейшее развитие этой фазы привело к образованию высоко припод­нятой области питания в пределах Гиссарской горной страны и прилегающей к ней террито­рии. Наряду с этим стали возникать флексурно разрывные нарушения различной амплитуды. Другими словами, агенты разрушения залежей углеводородов приобрели очень большую активность.

В конце активного этапа формирования зале­жей углеводородов, далеко не завершенного, поскольку не все ловушки были заполнены до замков, стали все более и более проявляться признаки общей смены гидрогеологического режима. Через определенное время начав­шаяся инфильтрация пресных вод в недавно возникшей высоко приподнятой области пита­ния привела к перемещению флюидов, гене­тически связанных с залежами углеводородов, по направлению к областям разгрузки. Вполне понятно, что вторжение пресных вод происхо­дило селективно в соответствии с различным характером коллекторов. Трудно преувеличить роль коллекторов в по­следующих этапах разрушения залежей угле­водородов, поскольку хорошо проницаемые породы становятся наиболее уязвимыми для агентов разрушения углеводородов. ЭТАП, ПОСЛЕДОВАВШИЙ ЗА ОБРАЗОВАНИЕМ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ Этап, последовавший за образованием зале­жей углеводородов, наиболее тесно связан с предыдущими этапами. Следует отметить, что если для восстановления предыдущих этапов приходилось в известной мере строить гипо­тезы, хотя и на основе фактических данных, то для рассмотрения последнего этапа приведен­ные данные по динамике, гидрохимии и рас­творенным газам рисуют точную картину. Прежде всего следует отметить резкое усиле­ние гидродинамических условий в связи с но­вейшими контрастными неотектоническими движениями в эпиплатформенной орогениче­ской зоне. Общая амплитуда перемещения области питания над наиболее погруженными элементами системы соответствует по совре­менным взглядам приблизительно 10—12 км. В результате подъема Гиссарского хребта про­изошло активное вторжение пресных вод, по­степенно промывших проницаемые пласты. Наиболее контрастная смена пластовых вод произошла в меловых, хорошо проницаемых горизонтах. Заметно меньше промыты плохо 'проницаемые породы юрского водоносного комплекса. Современный гидрогеологический этап в пре­делах Бухаро-Хивинской газонефтеносной об­ласти характеризуется сосуществованием уце­левших от разрушения залежей углеводородов меловых горизонтов с водами им чуждыми. Из изложенного очевидно, что уцелело не­большое количество залежей, особенно в верхнемеловых горизонтах. Многочисленные «пустые» структуры по верхнему мелу были заполнены углеводородами, а затем послед­ние подверглись разрушению. Для анализируемого этапа весьма характерны усиленные процессы разрушения залежей. В этой обстановке важную роль играют процессы переформирования. Последние связаны как с многочисленными тектоническими нарушениями, сопровождаю­щимися подъемом отдельных газосодержащих блоков и разрушением покрышек залежей, так и с пассивной миграцией углеводородов в виде шлейфов на путях стока подземных вод. Обнаружение в IX горизонте весьма активной окислительной обстановки свидетельствует о продолжающемся усилении разрушения зале­жей. Вряд ли подлежит сомнению, что наличие кислорода в IX горизонте связано с проникно­вением вод речных потоков по тектоническим нарушениям. Важная роль разломов в геоло­гической истории района показана исследова­ниями геологов (Бабаев и др., 1962). Несколько замечаний о возможности верти­кальной струйной миграции и о ее роли в про­цессах формирования и переформирования Газлилских залежей. Этот вопрос представляет большой интерес в связи с казавшимся ранее парадоксальным фактом обнаружения газовой залежи с мировыми запасами в предельно возможных окислительных условиях. Понятно поэтому стремление многих объяснить этот факт. Представляется, что проведенные гидро­геологические исследования пролили свет и на этот вопрос. Действительно, все сказанное выше свидетельствует о том, что газовые за­лежи Газли находятся в тесной генетической связи с водонапорной системой, и в данном случае нет надобности для установления меха­низма формирования этих залежей привлекать теорию дальней струйной миграции В П. Сав­ченко (1958). Безусловно, наиболее удобно объяснить сосуществование залежей IX и X горизонтов с генетически чуждыми им водами вертикальной струйной миграцией из нижних горизонтов — XIII—XI. Однако нельзя допус­кать, будто залежи меньшие, не заполняющие полностью ловушку, могут породить залежи во много раз большие. Если даже весь газ из XIII или XII горизонтов перекочевал бы (струйно) в IX и X горизонты, то его не хватало бы для за­полнения занятого газом объема. Кроме того, следует учесть, что залежи XIII, XII и XI горизон­тов все же заполняют ловушки. Можно возра­зить, что струйная миграция могла происхо­дить в условиях постоянного питания газом за счет коренных залежей. Но в таком случае не­обходимо, чтобы воды, питающие эти корен­ные залежи, были геохимически молодыми, предельно насыщенными растворенными га­зами.