Напряжения в призабойной зоне пласта
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Курсовая работа
По курсу «Физика нефтяного пласта»
Тема: «Напряжения в призабойной зоне пласта»
2009
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ЗАЛЕЖИ
2. ПРИЗАБОЙНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ В МАССИВЕ
4. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В РАЙОНЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ВЫРАБОТКИ
6. УПРУГИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ВЫВОД
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
Физика пласта - наука, изучающая физические свойства пород нефтяных и газовых коллекторов; свойства пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей; методы их анализа, а также физические основы увеличения нефте- и газоотдачи пластов.
Эксплуатация нефтяных, газовых и газоконденсатных залежей связана с фильтрацией огромных масс жидкостей и газов в пористой среде к забоям скважин. От свойств пористых сред, пластовых жидкостей и газов зависят закономерности фильтрации нефти, газа и воды, дебиты скважин, продуктивность коллектора.
По мере эксплуатации залежей условия залегания нефти, воды и газа в пласте изменяются. Это сопровождается значительными изменениями свойств пород, пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей. Поэтому эти свойства рассматриваются в динамике - в зависимости от изменения пластового давления, температуры и других условий в залежах2.
Развитие научно-технической базы человечества, освоение и ввод в эксплуатацию крупнейших по запасам нефти и газа месторождений осуществляется на основе достижений прогресса в области физики нефтяного пласта. Полученные новые данные относительно нефтяных и газовых пластов, коллекторских и фильтрационных свойств горных пород (пористость, проницаемость, насыщенность, электропроводность), физических свойств пластовых жидкостей и газов, фазовых состояний предельных углеводородных систем успешно применяются на практике.
Прогресс в области физики пласта, посредством более совершенного проектирования системы разработки, способствует поведению грамотной эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, разработке и внедрению методов повышения компонентоотдачи пластов.
Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений.
Упругость - свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил. Абсолютно упругое тело восстанавливает первоначальную форму мгновенно после снятия напряжения. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным.
Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей в пласте влияют на режим перераспределения давления в пласте. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород и жидкостей перераспределяется не мгновенно, а постепенно, после изменения режима работы скважины. Упругие свойства пород и жидкостей создают запас упругой энергии в пласте, которая освобождается при уменьшении давления и служит одним из источников движения нефти по пласту к забоям скважин.
При снижении пластового давления, объем жидкости будет увеличиваться, а объем порового пространства будет уменьшаться. Считается, что основные изменения объема пор при уменьшении пластового давления происходят вследствие увеличения сжимающих условий на пласт от веса вышележащих пород. При одинаковой прочности пород интенсивность трещиноватости будет увеличиваться при уменьшении мощности пласта.
Упругие свойства горных пород описываются законом Гука:
, =m?вп
где вс - коэффициент объемной упругости пористой среды;
вп - коэффициент сжимаемости пор;
Vо - объем образца;
ДVпор - объем пор;
P - давление;
m - коэффициент пористости.
Приток жидкости и газа из пласта в скважины происходит под действием сил, на природу и величину которых влияют виды и запасы пластовой энергии. В зависимости от геологического строения района и залежи приток нефти, воды и газа к скважинам обусловливается:
1) напором краевых вод;
2) напором газа, сжатого в газовой шапке;
3) энергией газа, растворенного в нефти и в воде и выделяющегося из них при снижении давления;
4) упругостью сжатых пород;
5) гравитационной энергией.
Запасы пластовой энергии расходуются на преодоление сил вязкого трения при перемещении жидкостей и газов к забоям скважин, на преодоление капиллярных и адгезионных сил.
1. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ЗАЛЕЖИ
Гидравлические сопротивления во время движения жидкости в пористой среде пропорциональны скорости потока и вязкости жидкостей. Эти сопротивления аналогичны сопротивлению трения при движении жидкости в трубах. Но в отличие от движения жидкости в трубах характер ее течения в микронеоднородной пористой среде имеет свои особенности. По результатам наблюдений за движением воды и нефти в пористой среде установлено, что в области водонефтяного контакта вместо раздельного фронтового движения фаз перемещается смесь воды и нефти. Жидкости в капиллярных каналах разбиваются на столбики и шарики, которые на время закупоривают поры пласта вследствие проявления капиллярных сил. Подобное образование смеси наблюдалось и в единичных капиллярах.
Чтобы представить механизм проявления капиллярных сил при движении водонефтяной смеси, остающейся позади водонефтяного контакта, рассмотрим условия перемещения столбика нефти в цилиндрическом капилляре, заполненном и смоченном водой (рис. 1).
Рис. 1 - Схема деформации капли нефти при её сдвиге в капилляре
Под действием капиллярных сил столбик нефти будет стремиться принять шарообразную форму, оказывая при это давление Р на пленку воды между стенками капилляра и столбиком нефти:
,
где - поверхностное натяжение на границе нефть-вода;
R - радиус сферической поверхности столбика нефти;
r - радиус ее цилиндрической поверхности.
2. Призабойное напряжение
Введем понятие о призабойном напряжении.
В практике разработки месторождений нефти и газа давление, устанавливаемое на забое от столба жидкости называют забойным давлением.
По аналогии напряжение в горной породе, возникающее в призабойной зоне в связи с вскрытием и обнажением пласта, будем называть призабойным напряжением, а падение напряжения от массива пласта, не тронутого выработкой, до эксплуатационного забоя - депрессией в горной породе.
Призабойное напряжение существенно отличается от «местного горного давления» рядом своих особенностей. Оно формируется при самом начале вскрытия пласта, когда от внедрения долота в породу забой претерпевает значительные механические разрушения.
В характере его формирования важную роль играют породы, находящиеся в состоянии пластической деформации и перекрывающие (подстилающие) пласт, глубина их расположения, физические и механические свойства пород, слагающих пласт, пластовое давление и др.
При разработке залежи на режиме истощения по мере выработки из пласта промышленных запасов и падения пластового давления призабойное напряжение увеличивается. Рост его вызывает сокращение в призабойной зоне объема порового пространства и уменьшение ширины трещин, служащих каналами связи пласта с эксплуатационным забоем, в связи с чем отмечается снижение дебитов скважин.
Из приведенных примеров следует, что по мере разработки пласта, когда убыль пластовой энергии не восстанавливается, призабойное напряжение в процессе разработки залежи вследствие перераспределения напряжения в каркасе пласта и давления в насыщающей его жидкости непрерывно растет.
Рассмотрим еще один случай проявления динамики призабойного напряжения. Если скважина имеет конструкцию с зацементированной обсадной колонной в пределах эксплуатационного забоя, то вследствие релаксации напряжения глинистых пород давление на цементное кольцо и обсадные трубы продолжает расти.
Поэтому процесс «разгрузки» глинистых пород продолжается и после цементирования колонны. Очевидно, этот процесс может быть очень длительным. Обусловлен он тем, что два разных по своему физико-механическому характеру, но взаимодействующих между собой процесса, следуя навстречу один другому, за определенное время выравниваются.
Но так как после цементирования колонны глина уже вытекать не может, то охваченная «разгрузкой» область больше не расширяется (если, конечно, в процессах возбуждения притоков вследствие сплошной перфорации глина не извлекается вместе с жидкостью из прослоев, чередующихся с песчаником). Хотя в этой неизменной области вследствие релаксации напряжения рост давления на цементное кольцо и обсадную колонну, как сказано выше пока еще продолжается.
Давление на обсадные трубы и цементное кольцо достигает своего предельного значения и окончательно выравнивается лишь за период, когда закончится релаксация породы. В связи с этим нужно отметить одну из важных особенностей призабойного напряжения, которое подобно забойному давлению за время эксплуатации скважин не стабилизируется, а претерпевает непрерывные изменения.
По-видимому, именно по этой причине обнаруживается в пределах эксплуатационного забоя некоторых скважин повреждение колонны в случаях работы их на умеренных режимах или даже когда они находятся в простое.
Скважина представляет собой вертикальную цилиндрическую выработку кругового поперечного сечения. Поэтому распределение напряжений и перемещение в породе вокруг ствола и на ее контуре подобно задачам, решаемым для шахт, тоже могут быть определены при помощи методов теории упругости.
При этом следует учитывать отличительные особенности скважин - наличие технологически необходимого при бурении скважин внутреннего давления, создаваемого у забоя столбом промывочной жидкости, а также существующее в пласте соотношение между напряжением в горной породе и пластовым давлением.
Напряженное состояние пород, составляющих разрез, симметрично относительно оси скважины. Все перемещения, возникающие в породе при вскрытии пласта, а также движение жидкости при `разработке залежи происходят только в радиальном направлении.
Многие породы - доломиты, известняки, песчаники, не содержащие заметных количеств глинистых материалов, достаточно прочны. Отсюда допустимо предположение, что в окрестностях эксплуатационного забоя и на контуре выработки (скважины) в связи с обнажением разреза в массиве продуктивных пород возникают главным образом упругие деформации.
Примем также, что приток из пласта отсутствует или что разность давлений между пластом и забоем пренебрежимо мала (вывод формул с учетом давлений от фильтрационного потока приведен в работе).
Допустим далее, что породы, перекрывающие или подстилающие продуктивный пласт, пластически не деформируются, т.е. являются жесткими (в действительности этого, конечно, нет). Последнее позволяет считать, что смещения породы по вертикали не происходит вовсе или же величина смещения настолько мала, что пренебрежение ею в расчетах не вызывает существенной погрешности.
Сделанные допущения позволяют рассматривать окружающий скважину массив горных пород как толстостенную трубу с внешним радиусом, равным бесконечности, и, введя полярные координаты, описать напряжения в окрестности эксплуатационного забоя формулами Ляме.
3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ В МАССИВЕ
Горные породы, налегая друг на друга, находятся в определенном напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород (рис. 2).
Рис. 2
Породы, залегающие в недрах Земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловлено весом пород, тектоническими силами, пластов давлением и термическими напряжениями, возникающими под влиянием тепла земных недр. В результате воздействия на породу комплекса упомянутых сил элемент породы, выделенный из массива, может находиться в общем случае в условиях сложного напряженного состояния, характеризующегося тем, что на него действуют как нормальные, так и касательные напряжения.
Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. Нормальные составляющие напряжений вызывают деформации сжатия элемента или растяжения, а касательные напряжения - деформации сдвига граней.
Мерами деформируемого состояния являются следующие параметры: Е -модуль Юнга, - коэффициент Пуассона; G - модуль сдвига; -модуль объёмной упругости.
Для большинства горных пород модуль Юнга изменяется в пределах от 109 до 1011 Па, а коэффициент Пуассона от 0 до 0,5.
Единой теории, описывающей напряженное состояние горных пород, нет по причине чрезвычайной сложности процесса из-за влияния на него множества геологических, физических и тепловых факторов. При этом результаты относятся лишь к частным конкретным геологическим условиям.
До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от действия массы вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находят в условиях равновесия.
Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения По вертикали
где z - вертикальная составляющая напряжений; - плотность породы; g - yскорение свободного падения; Н - глубина залегания пласта. По горизонтали (в простейшем случае)
,
где n - коэффициент бокового распора.
Значение n для пластичных и жидких пород типа плывунов равно единице (тогда напряжения определятся гидростатическим законом), а для плотных и крепких пор в нормальных условиях, не осложненных тектонически, выражается во многих случаях долями единицы.
Т.к. коэффициент бокового распора, то 0 <п< 0,5. При выполнении упомянутых условий горизонтальные напряжения в породах меньше вертикальных, что, по-видимому, часто имеет место при небольшой глубине залегания, если в разрезе нет пород с пластическими свойствами. В случае пластичных и текучих горных пород п = 1, для хрупких пород значения составляют 03-0,7.Предыдущая формула выведена для условия, когда справедливо предположение об отсутствии деформации пласта в горизонтальном направлении и когда не учитывается пластичность горных пород. В условиях реальных пластов эти предположения не всегда справедливы и возможны более сложные напряженные состояния горных пород.В условиях реальных пластов эти предположения не всегда справедливы, и в них поэтому возможны более сложные напряженные состояния горных пород.При достаточно больших давлениях на значительных глубинах, по-видимому, происходит выравнивание напряжений вплоть до величин, определяемых гидростатическим законом, так как предполагается, что за длительные геологические периоды породы испытывают пластические или псевдопластические деформации. Однако чаще всего вследствие интенсивных тектонических процессов, происходивших в земной коре в течение геологических периодов, горные породы многократно деформировались, что, по-видимому, сопровождалось возникновением значительных различий между главными напряжениями. В областях, где в результате тектонических процессов происходили боковое сдавливание пород и образование надвигов, наибольшим должно быть горизонтальное напряжение, которое, по-видимому, может иногда в 2-3 раза превышать вертикальное горное давление. В зонах возникновения сбросов, не сопровождавшихся боковым сжатием, вертикальные напряжения пород должны значительно превышать горизонтальные.4. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В РАЙОНЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОКПризабойная зона скважин представляет собой область пласта, от характеристики которого зависит производительность скважин. Эта область самого узкого сечения потока в процессе вскрытия пласта и эксплуатации скважин подвержена воздействию раствора воды, цемента, отложения парафина, солей и смол, заиливания и т.д., в результате чего уменьшается приток нефти и газа. Поэтому свойствам пород призабойной зоны и процессам, происходящим в этой области, уделяется особое внимание. С бурением скважины изменяется начальное напряженное состояние пород, так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Вместе с тем в этой области происходят существенные изменения условий залегания горных пород, которые могут быть причиной значительных изменений их фильтрационных свойств. В простейшем случае (если рассматривать призабойную зону, как однородный упругий толстостенный сосуд) поиски распределения напряжений в этой зоне можно свести к решению задачи Ламе (рис. 3). Рис. 3 - Схема распределения действующих напряжений в элементе породы призабойной зоны скважинКак известно, напряжение в толстостенном цилиндре, сечения которого образованы концентрическими окружностями, подверженном действию равномерно распределенных сил, определяется соотношениямигде - радиальная компонента нормального напряжения; - окружное или тангенциальное нормальное напряжение; - расстояние от оси; и - постоянные интегрирования, которые можно определить из граничных условий:при ; (забойному давлению);при ; (горному давлению).Для упрощения формулы запишем с другими постоянными в виде По этим формулам можно вычислить окружные и радиальные напряжения на разных расстояниях г от оси скважины.Из граничных условий найдемПри , тоПри , тоСледовательноИз формул следует:При , то т. е. на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, величина которых при р3=0 достигает двойного значения горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенциальных напряжений и ухудшение фильтрационных свойств пород вследствие их сжатия под влиянием этих нагрузок. Область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она лишь в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Но последствия от нарушения скважиной начального поля напряжений могут существенно влиять на качество скважины и показатели ее работы в целом или отдельных участков продуктивного пласта.Страницы: 1, 2
