Нефтегазовая геомеханика


М. М. Алиев, А. А. Лутфуллин, 3. Ф. Исмагилова










                НЕФТЕГАЗОВАЯ ГЕОМЕХАНИКА





        Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

     УДК622.01
     ББК33.1
         А50
















       Алиев, М. М.
А50 Нефтегазовая геомеханика : учебное пособие / М. М. Алиев, А. А. Лутфуллин, 3. Ф. Исмагилова. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 160 с.
            ISBN 978-5-9729-0497-6

    Рассмотрены методы и задачи геомеханики, решение которых требуется при бурении скважин и разработке нефтяных и газовых месторождений. Приведены геомеханические модели породных массивов. Даны критерии прочности и разрушения горных пород. Раскрыты вопросы геомеханики многослойных пород.
    Для студентов нефтегазовых направлений подготовки, а также работников инженерно-технических специальностей.

УДК 622.01
                                                            ББК33.1







ISBN 978-5-9729-0497-6

© Алиев М. М., Лутфуллин А. А., Исмагилова 3. Ф., 2020
       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие......................................................4
Глава 1. Введение в геомеханику..................................7
  1.1. Наука геомеханика.........................................7
  1.2. Методы геомеханики........................................9
  1.3. Задачи геомеханики.......................................10

Глава 2. Напряженное состояние .................................12
  2.1. Напряжение в точке. Тензор напряжений....................12
  2.2. Виды напряженного состояния. Ориентация напряжений в горном массиве. Круг напряжения Мора........................16
  2.3. Напряжение в горных породах..............................25
  2.4. Поровое (пластовое) давление.............................28
  2.5. Полное и эффективное напряжение..........................29
  2.6. Коэффициент пороупругости или коэффициент Биота..........30

Глава 3. Деформация и прочность горных пород ...................35
  3.1. Деформация в упругой стадии..............................35
  3.2. Статический модуль упругости и коэффициент Пуассона......40
  3.3. Модуль сдвига............................................41
  3.4. Обобщенный закон Гука....................................42
  3.5. Модуль объемной деформации...............................45
  3.6. Определение деформационных свойств горных пород..........47
  3.7. Упругое распространение волн в горных породах. Динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона..........52
  3.8. Прочностные свойства горных пород и методы их определения.56

Глава 4. Геомеханические модели породных массивов...............64
  4.1. Модели сплошной среды....................................64
  4.2. Принципы построения расчетных и структурных моделей горных пород..................................................65


3

  4.3. Геомеханические модели....................................66
  4.4. Модели нарушения поля напряжения у разломов...............71
  4.5. Физические уравнения, определяющие геомеханические модели.74

Глава 5. Критерии прочности и разрушения горных пород............76
  5.1. Назначение критериев прочности............................76
  5.2. Критерии прочности и разрушения Кулона - Мора.............78
  5.3. Графический способ вывода критерия Кулона - Мора..........79
  5.4. Критерий Отто Мора........................................81
  5.5. Критерий Моги (Моджи) - Кулона............................83

Глава 6. Геомеханика в бурении...................................85
  6.1. Распределение напряжений в открытом стволе скважины.......85
  6.2. Устойчивость ствола скважины. Определение безопасного окна бурового раствора из критерия Кулона - Мора.
  Многоугольник устойчивости.....................................92
  6.3. Геомеханическое сопровождение бурения.....................99

Глава 7. Геомеханика при добыче углеводородов...................103
  7.1. Пескопроявление. Определение критической депрессии.......103
  7.2. Уплотнение коллектора и оседание земной поверхности......108

Глава 8. Геомеханика и гидроразрыв пласта.......................111
  8.1. Введение.................................................111
  8.2. Условия для разрушения при растяжении....................112
  8.3. Ориентация, рост и удержание трещин. Трещиностойкость....117
  8.4. Закрытие трещины.........................................120

Глава 9. Геомеханика многослойных пород.........................130
  9.1. Многослойные горные породы...............................130
  9.2. Подготовка образцов кернов слоистых (сланцевых пород) для экспериментальных исследований.............................133
  9.3. Исследования и анализ геомеханических характеристик слоистых пород.................................................137


4

   9.3.2. Экспериментальные исследования образцов на одноосное сжатие..........................................142
9.4. Линейная модель сдвигового разрушения слоистой породы.......144
9.5. Нелинейная геомеханическая модель сдвигового разрушения многослойной горной породы......................................148
9.6. Определение прочностных показателей, входящих в критерий (9.5.11).............................................152
9.7. Применение предложенного критерия к задаче устойчивости скважин..........................................................154
Библиографический список........................................125

5

Предисловие


    Настоящее учебное пособие посвящено задачам геомеханики, решение которых требуется при бурении скважин и разработке нефтяных и газовых месторождений. Чтобы различать геомеханику в области добычи твердых полезных ископаемых от геомеханики, изучающей процессы в более крупных масштабах, это пособие называется «Нефтегазовая геомеханика». Тем самым обозначаются и конкретизируются задачи, решением которых занимается эта дисциплина.
    Полное отсутствие учебников и учебных пособий в России по данной теме в нефтегазовой отрасли затрудняет освоение студентами-бакалаврами, магистрами, а также инженерно-техническими работниками вопросов, связанных с геомеханическим моделированием процессов бурения скважин и добычи углеводородов.
    Известные работы зарубежных авторов в данном направлении, скорее всего, носят характер монографии, а не учебников. Читателям, не имеющим базовое знание в области механики деформируемого твердого тела и в других смежных дисциплинах, сложно ориентироваться в таких монографиях и применять полученные знания при решении практических задач.
    Несмотря на то, что в настоящее время распространены многочисленные курсы - тренинги, тематика которых совпадает с названием пособия, эффективность таких курсов не высока из-за краткости срока их проведения и отсутствия начальных знаний в этой области.
    Считаем, что появление учебного пособия должно способствовать изучению основного материала для дальнейшего усовершенствования и закрепления знаний в областях механики геоматериалов в нефтегазовой отрасли.


6

Глава 1.
ВВЕДЕНИЕ В ГЕОМЕХАНИКУ

1.1. Наука геомеханика

    Целью геомеханики является:
    -  предсказание развития напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры;
    -  изучение механических свойств горных пород;
    -  решение конкретных задач, возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и задач, связанных с интенсификацией добычи.
    По определению геомеханика - это теоретическая и прикладная наука, одним из научных направлений которой является механика горных пород, задачи которой по существу схожи с задачами геомеханики, но отличаются масштабом рассматриваемых явлений.
    Изначально геомеханика активно применялась только в горно-гражданском строительстве, например, при проектировании оснований сложных гидротехнических сооружений, и только в 80-х годах прошлого века она начала завоевывать популярность в нефтегазовой отрасли для решения указанных выше задач.
    Для геомеханики в общем случае характерными объектами изучения являются крупномасштабные объекты: континенты, многокилометровые толщи земной коры. Нефтегазовая геомеханика в основном изучает породные массивы в меньшем масштабе, размеры которых определяются степенью влияния производственных процессов, происходящих в коллекторе или вокруг скважин в процессе бурения.
    Отставание в развитии геомеханики в нефтегазовой области связано с тем, что скважины имеют небольшие диаметры стволов и разрушение их по той или иной причине не приводит к таким крупномасштабным катастрофам, как в области добычи угля и других полезных ископаемых, извлекаемых открытым или закрытым способами.
    Кроме того, потеря устойчивости стенок скважин не представляет опасность для жизни людей. В этом случае геомеханика не участвует непосред

7

ственно в проблемах безопасности и связана с другими аспектами, например, с повышением продуктивности за счет гидроразрыва пластов.
    Сегодня часто можно слышать о том, что углеводородов, добыча которых осуществляется традиционными способами, остается все меньше и меньше. И поэтому все нефтяные компании России создают научные центры для исследования геомеханических процессов в месторождениях с остаточными запасами.
    В тех странах, где изначально извлечение углеводородов не могло осуществляться традиционными методами, нефтегазовая геомеханика широко развита вследствие огромного финансирования в области новых технологий, без которых добыча нефти и газа была бы нерентабельной. Основой таких разработок является нефтегазовая геомеханика.
    В нефтегазовой геомеханике наиболее успешным, с точки зрения точности полученных результатов, будет обладание горной породой однородностью свойств.
    Трещиноватость, которая связана с дискретностью, трудно поддается моделированию, хотя при виде обнажений коренных пород невооруженному глазу заметно их наличие. Часто эти трещины составляют определенную систему в направлениях и расстояниях между ними, так что геологи утверждают, что здесь присутствует своя логика.
    Однако модель горной породы с однородными свойствами, которая применяется в дизайнах ГРП, можно применять с получением точных результатов:
    -  если рассматриваются такие горные породы, как мел, соль, эваподиты;
    -  если трещины расположены на расстоянии в несколько метров друг от друга, когда рассматривается напряженно деформированное состояние (НДС) вокруг нефтяной и газовой скважины, и размеры трещин намного меньше, чем расстояния между ними.
    Геомеханика для решения основных задач в области добычи и изменения НДС в пластах в процессе извлечения углеводородов заимствует методы:
    -  механики однородных или трещиноватых материалов (в основном хрупких);
    -  статики и динамики сыпучих тел;
    -  сопротивления материалов;
    -  механики жидкостей;
    -  механики грунтов;
    -  структурной геологии;
    -  геотектоники;

8

    -  петрофизики;
    -  минералогии и др.
    Известно, что в природе существует постоянный переход между грунтами и горными породами. Например, лежащая на поверхности глина обладает незначительной величиной сопротивления разрушению.
    Такого же минералогического состава глина с увеличением глубины расположения превращается в твердую породу - аргиллит и сланцы различных типов.
    Ближе к поверхности такие глины обладают свойством сыпучих тел со слабыми механическими характеристиками, предел упругой деформации которых наступает очень быстро. В этом случае применяются методы механики грунтов. Если же глины уплотнены до такой степени, что их свойства резко отличаются от свойств рыхлых и сыпучих грунтов, то применяются методы классической механики горных пород.
    Нефтегазовая геомеханика, занимающаяся вопросами добычи, находится на стыке этих двух дисциплин, так как породы-коллекторы нередко представляют собой весьма твердые, но пористые образования. Породы этих резервуаров могут быть представлены глиной, мелом или песками, не испытывающими уплотнения благодаря присутствию жидкости, блокированной в порах, не сумевшей покинуть их даже на глубине 2000 метров.
    Знание поля напряжений в земной коре, в частности в нефтегазоносном пласте, необходимо для решения целого ряда задач разработки месторождений.

1.2. Методы геомеханики

    Геомеханика и ее методы применяются на следующих этапах разработки:
    1.     Рассматривается региональное поле напряжений для определения оптимальной схемы расположения нагнетательных и добывающих скважин.
    2.     При бурении скважин необходимо подобрать вес бурового раствора в зависимости от горизонтальных напряжений, действующих в окрестности пробуриваемой скважины, так как неправильный выбор плотности бурового раствора приводит к обрушению стенок скважины, образованию нежелательных трещин. Региональное поле напряжений обуславливает траекторию ствола скважины.
    3.     В ходе разработки месторождений на скважинах проводятся геологотехнические мероприятия (ГТМ), такие, как ГРП. Для планирования такого рода мероприятий необходимо знать главные оси тензора напряжений, действу

9

ющих в окрестности скважины на данной глубине, а также значение минимального горизонтального напряжения.
    4.     В процессе разработки также необходимо контролировать такие геомеханические процессы, как проседание земной поверхности по мере отбора жидкости, и деформационные процессы, влияющие на фильтрационно-емкостные свойства нефтенасыщенной породы. Для решения этих задач строятся трехмерные геомеханические модели - распределения полей напряжений, действующих в области, и их динамику по ходу разработки.
    Перечисленные проблемы, возникающие в ходе разработки нефтяных и газовых месторождений, показывают, насколько важна информация, связанная с напряженно деформированным состоянием породных массивов для инженеров-нефтяников.
    Основными источниками информации для определения поля напряжений являются данные сейсморазведки, необходимые для построения структурной модели, и информация о событиях, произошедших в процессе бурения.
    При проведении анализа НДС пласта строятся так называемые геомеханические модели, включающие:
    -  пространственные распределения упруго-прочностных свойств породы;
    -  параметры НДС пласта.
    Рассматриваются вышеперечисленные параметры вдоль стволов уже пробуренных скважин. На их основании и с помощью данных сейсморазведки и геологических моделей строятся трехмерные пространственные распределения параметров НДС.
    В ходе добычи углеводородов происходит перераспределение горных напряжений в пласте, влияющее на бурение, заканчивание и производительность скважин. Эти изменения могут привести к серьезным и неопределенным затратам.
    Применение принципов геомеханики в нефтегазовой сфере может способствовать увеличению эффективности разведки и разработки месторождений с традиционными и нетрадиционными ресурсами.

1.3. Задачи геомеханики

    С помощью геомеханики можно предсказать поровое давление. Одним из методов определения порового давления, отличающегося от гидростатического, является испытание в процессе бурения и после него на критическое давление гидроразрыва и мини-ГРП. Исходные параметры при этом опре

10

деляются с помощью геомеханики. В период планирования бурения используется информация от близлежащих скважин.
    Геомеханика способна установить целостность породы-покрышки. Для решения этой задачи определяется поле напряжений в породе-покрышке и оценивается возможность появления нарушений в виде трещин сдвига, отрыва. Подобные вопросы будут рассматриваться в шестой главе.
    Геомеханика может оценивать свойства пласта-коллектора. Для этого определяются упруго-прочностные параметры породы, которые необходимы при исследовании уплотнения пласта и при анализе пескопроявления.
    Методы геомеханики позволяют определить величины действующих напряжений вокруг стволов отдельных скважин и в любой точке залежи путем анализа распространенных трещин и разломов, результатов ГИС, лабораторных исследований керна и результатов мини-ГРП.
    Для оптимизации процесса бурения, которая связана в конечном итоге с увеличением скорости бурения, методами геомеханики осуществляется моделирование механических свойств пород, на основе которых выбирается соответствующий вид долот.
    Геомеханика позволяет анализировать обоснованность бурения и освоение скважин на депрессии. Допустимая депрессия в этих процессах зависит от напряжений в скелете породы. Следует отметить, что для одних пород допустимая депрессия незначительна, а для более прочных - очень высока. Существуют породы, для которых депрессия может привести к потере устойчивости призабойной зоны.
    Одной из задач геомеханики является оценка стабильности (устойчивости) стенок скважины. В зависимости от механических свойств пород, окружающих ствол скважины, а также от величин действующих напряжений определяется оптимальная плотность бурового раствора, обеспечивающая устойчивость стенки. Выбирая различные варианты траектории ствола скважины, и параллельно проверяя сохранение ее устойчивого положения, определяется оптимальная траектория.
    С помощью геомеханики можно повысить эффективность разработки коллектора с естественной трещиноватостью и с трещинами ГРП, а также оценить деформацию сдвига и смятия обсадных труб.

11

Глава 2.
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ


2.1. Напряжение в точке. Тензор напряжений


    Внутри тела под воздействием внешних силовых факторов возникают некоторые силы сопротивления, препятствующие разрушению.
    В связи с тем, что эти силы действуют на уровне элементарных частиц, их принято называть элементарными внутренними силами.
    Причиной возникновения в горной породе внутренних сил являются внешние силы, которые в геомеханике называются массовыми или гравитационными, действующие на поверхности породы в виде давления. Массовыми они называются по той причине, что формулы для их определения содержат физическую величину - плотность, через которую определяется масса в заданном объеме.
    В механике деформируемого твердого тела напряжением называют отношение элементарной внутренней силы, действующей на некоторой элементарной площадке к величине этой площадки, то есть:


        dP
        Рпол = dA


(2.1.1)

где рпол - полное напряжение на площадке с нормалью n (рисунок 2.1.1).

Рисунок 2.1.1

12

    Следует отметить, что основную роль при анализе напряжений играет не Рпол, а его проекции, т. е. ffₙ и тп. При этом стп действует в направлении нормали к площадке dA, и поэтому называется нормальным напряжением, атп в виде касательной к указанной площадке и называется касательным напряжением.
    Несмотря на то, что напряжение является отношением некоторой силы на площадь, в отличие от давления это не скалярная и не векторная величина. Так как напряжение может преобразовываться в другие системы координат, оно является тензорной величиной.
    Понятие «напряжение» впервые введено французским ученым Огюстеном Луи Коши. Напряжение в некотором смысле напоминает давление жидкости, так как оно определяется делением некоторой силы на площадь и поэтому измеряется в единицах давления (Па, МПа).
    Полное напряжение может быть определено через компоненты в виде:

    рпол   ^стп'² + тп² ■                    (2.1.2)

    Обозначение компонентов напряжения в нефтегазовой геомеханике.
    В отечественной и зарубежной литературе нормальные напряжения в основном обозначаются греческой буквой ст, а касательные - т. Учитывая то, что термин напряжение переводится как стресс (stress), нормальные напряжения иногда обозначают через S.
    В зависимости от принятой координатной системы компоненты напряжения имеют обозначения стх, Оу, CTz, тху, Tₓz, Тух, Tzₓ, Tyz, Tzy (в декартовой системе), стт, Од, CTz, тт0, TTzи т. д. (в цилиндрической системе координат).
    Главные нормальные напряжения обозначаются как Сту, ст₂,ст₃ или Si, s₂, s₃.
    Полные напряжения обозначаются Sy, S₂, S3, Sᵥ, SH,S^ или Сту, О₂, О3, CTv, стн, СТ, .
    Эффективные напряжения по М. Зобаку Сту, СТ2, О3, CTV, Он, О^, а по Frajer ст!, ст'2, ст{, oV, оН , о^ .
    Последние два вида обозначения иногда приводят к путанице, хотя обозначая полные напряжения символом S, а эффективные - ст, отпадает необходимость ставить штрихи на компоненты напряжения.


13