Оценка деформаций глинистых пород в процессе разработки месторождений нефти и газа по данным ГИС и математического моделирования

Актуальность работы.

Большинство газовых и часть нефтяных месторождений в мире разрабатываются на режиме истощения со снижением пластового давления при низкой активности краевых и подошвенных вод. В результате на границе коллектор — вмещающая порода образуется вертикальный градиент давления, приводящий к отжиманию флюида из вмещающих пород в эксплуатируемый пласт-коллектор и необратимому уплотнению вмещающих глинистых пород.

Длительная разработка месторождений нефти и газа на режиме истощения приводит к нарушению равновесных условий в недрах и вызывает значительные изменения напряженно-деформированного состояния пород. На практике это проявляется в локальном проседании дневной поверхности или морского дна, обрушении морских платформ, искривлении стволов скважин, в смятии и разрывах обсадных колонн, ухудшении качества их цементирования, изменении направления развития трещин ГРП на разных стадиях разработки месторождений и др.

Похожая ситуация возникает и для отдельной скважины при длительной ее эксплуатации на больших депрессиях, когда воронка депрессии распространяется на десятки и сотни метров от стенки скважины. При этом также создаются условия для формирования неоднородно напряженного состояния пород в околоскважинном пространстве.

Исследованию деформационно-механических свойств глинистых пород и грунтов посвящены многочисленные работы в области инженерной геологии, где изучаются преимущественно рыхлые и слабосцементированные отложения за короткие промежутки времени. Опыты в лабораторных условиях ограничены техническими возможностями и проводятся в течение нескольких часов и дней, реже — месяцев, хотя известно, что в естественных условиях реологические процессы в грунтах протекают десятки и сотни лет. Другой областью исследования деформаций глинистых пород является изучение характера их уплотнения в течение длительного геологического времени (миллионы лет) для прогноза и оценки аномальных поровых давлений.

Представленная работа посвящена мало исследованной области деформаций глинистых пород, которые развиваются в течение десятков лет в процессе разработки месторождений нефти и газа. Эффект необратимого уплотнения глин может достигать нескольких абсолютных процентов изменения пористости и охватывать большие по толщине объемы вмещающих пород. Это необходимо учитывать при проектировании разработки месторождений нефти и газа с целью прогноза изменения напряженногодеформированного состояния пород. Для газовых объектов эта задача становится особенно актуальной, т.к. правильно обоснованные темпы снижения пластового давления позволят предотвратить обводнение скважин на поздних стадиях эксплуатации месторождений.

Объектом диссертационного исследования являются глинистые покрышки и перемычки продуктивных пластов нефтяных и газовых месторождений, разрабатываемых на режиме истощения со значительным снижением пластового давления, а также в скважинах, эксплуатирующихся на больших депрессиях в течение длительного времени.

Цель исследований.

Целью исследований является разработка методики оценки деформаций глинистых пород, возникающих в процессе длительной разработки месторождений нефти и газа, по данным геофизических методов и прогнозирование деформаций глинистых покрышек на новых месторождениях путем математического моделирования.

Задачи диссертационного исследования.

1. Анализ состояния изученности проблемы оценки деформаций глинистых пород лабораторными и геофизическими методами.

2. Разработка методики оценки уплотнения глинистых пород во времени методами промысловой геофизики.

3. Изучение деформаций глинистых покрышек и перемычек по данным ГИС при кратковременных и длительных воздействиях перепада давления, возникающего при снижении давления в продуктивном пласте.

4. Математическое моделирование процесса деформации глинистой покрышки с целью изучении влияния различных параметров на толщину дренируемой части покрышки и уменьшение пористости вмещающих пород во времени.

5. Оценка объема отжимаемой воды из глинистой покрышки и уменьшения толщины глинистой покрышки в процессе разработки залежи.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы следующие методы: обобщение и систематизация литературных источников, посвященных проблеме деформаций глинистых породколичественная интерпретация результатов ГИС в программном комплексе «Камертон" — математическое моделирование и расчет уплотнения покрышек в программном пакете «Деформации глин».

Научная новизна.

1. Разработана методика оценки уплотнения глинистых покрышек и перемычек в процессе разработки месторождений нефти и газа по данным временных замеров ГИС.

2. Предложена математическая модель уплотнения глин на основе изучения реологических моделей глинистых пород.

3. Показано влияние проницаемости глин, начального градиента давления порового флюида и перепада давления на границе коллектор-покрышка на величину уплотнения и толщину дренируемой части глинистой покрышки.

4. Доказан эффект обводнения кровли пласта-коллектора при снижении пластового давления.

Защищаемые положения.

1. Снижение давления в пласте-коллекторе при разработке месторождений нефти и газа на режиме истощения и эксплуатации отдельных скважин на большой депрессии вызывает уплотнение вмещающих глинистых пород и фильтрацию порового флюида из глин в продуктивный пласт.

2. Эффект уплотнения глинистых пород в процессе разработки месторождений можно оценивать по данным временных замеров методами ГИС.

3. Предложенная математическая модель уплотнения глинистых пород позволяет прогнозировать скорость и величину деформаций глинистых пород, которые необходимо учитывать при проектировании разработки месторождений нефти и газа.

4. Процесс деформации вмещающих глинистых пород протекает непрерывно в течение всего периода разработки месторождения и складывается из мгновенной упругой и длительной упругой (ползучесть) деформаций и мгновенной необратимой деформации.

Практическая значимость.

Разработанная методика оценки уплотнения вмещающих глинистых пород по данным ГИС позволяет оценить количество отжатого порового флюида из глин в продуктивный пласт и уменьшение толщины глинистой покрышки за период разработки месторождения.

Учет деформаций глинистых пород обеспечит надежную оценку параметров опорных пластов при интерпретации повторных замеров нейтронных методов и более точное определение текущей газонасыщенности продуктивных пластов.

Моделирование процесса необратимого уплотнения вмещающих глинистых пород позволит выполнять прогноз изменения напряженно-деформированного состояния пород, которое необходимо учитывать при проектировании разработки месторождений нефти и газа.

Для газовых объектов эта задача является особенно актуальной, т.к. правильно обоснованные темпы снижения пластового давления позволят предотвратить обводнение скважин на поздних стадиях эксплуатации.

Апробация диссертационного исследования.

По материалам диссертации опубликовано более 20 работ, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: «КазГео 2012», г. Алматы, Казахстан, 2012; «Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты» г. Киев, Украина, 2012 г.- IX Международный Молодежный Нефтегазовый Форум, г. Алматы, Казахстан. 2012 г., «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, 2010/2012 гг.- XIX Губкинские чтения, г. Москва 2011 г.- «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири», г. Тюмень, 2011 г.- международный форум-конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования», г. Санкт-Петербург 2011 г. и пр.

Результаты работ представлены в отчетах по исследовательским грантам компании British Petroleum за 2011 и 2012 гг.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 126 страницах, включая 66 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список включает 88 наименований.

4.5 Выводы.

Разработанные математическая модель и компьютерная программа фильтрации и уплотнения глин позволили количественно оценить степень воздействия снижения давления в пласте на формирование поля давлений в покрышке, толщину вмещающих пород, охваченную дренированием, уменьшение пористости глин за годы разработки залежи УВ.

В результате математического моделирования установлено:

1. На величину уплотнения пород покрышки и уменьшение ее толщины, в основном, оказывает влияние величина снижения давления в продуктивном пласте и проницаемость покрышки. Наиболее существенно роль проницаемости глин проявляется при меньших значениях перепада давлений.

2. При небольших перепадах давления сказывается влияние эффекта начального градиента давления, характерного для тонкодисперсных пород.

3. Характер деформации глинистой покрышки, обусловленный мгновенной сжимаемостью, определяется величиной перепада давления. При малых перепадах давлений проявляется эффект медленной сжимаемости и запаздывания деформаций (ползучесть).

4. Скорость деформации затухает во времени.

5. Предельный объем отжимаемой воды из глинистой покрышки в пласт в радиусе дренирования одиночной эксплуатационной скважины может достигать нескольких тысяч кубических метров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенных научных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика оценки уплотнения глинистых пород и покрышек в процессе разработки месторождений нефти и газа по данным временных замеров методами ГИС.

2. Предложена математическая модель уплотнения глин на основе реологических моделей глинистых пород, которая послужила базой для разработки программы компьютерного моделирования этих процессов численными методами.

3. Проведено математическое моделирование процесса фильтрации и уплотнения глин для различных начальных и граничных условий, в результате которого показано влияние проницаемости глин, начального градиента сдвига порового флюида и перепада давления на границе коллектор-покрышка на величину уплотнения и толщину дренируемой части глинистой покрышки.

4. По данным повторных замеров нейтронных методов в контрольно-наблюдательных скважинах Уренгойского газоконденсатного месторождения показан эффект обводнения кровли пласта при снижении давления в самом продуктивном пласте.

Применение разработанной методики оценки необратимых деформаций и изменения напряженного состояния пород в процессе разработки по данным повторных замеров методами ГИС показало:

1. Кратковременные изменения пластового давления на ПХГ практически не влияют на фильтрационно-емкостные свойства покрышек.

2. При длительной депрессии на пласт в глинистых покрышках и перемычках возникает эффект необратимого уплотнения пород, фиксируемый методами ГИС.

3. Воронка депрессии развивается не только вдоль проницаемого пласта, но и по вертикали через слабопроницаемые перемычки.

4. Эффект необратимого уплотнения глин уменьшается с глубиной залегания пород.

5. Изменение напряженного состояния пород, возникающее в процессе разработки, оказывает влияние на характер распространения по вертикали трещины при ГРП.

Разработанные математическая модель и компьютерная программа фильтрации и уплотнения глин позволили количественно оценить степень воздействия снижения давления в пласте на формирование поля давлений в покрышке, толщину вмещающих пород, охваченную дренированием, уменьшение пористости глин за годы разработки залежи УВ.

В результате математического моделирования установлено:

1. На величину уплотнения пород покрышки и уменьшение ее толщины, в основном, оказывает влияние величина снижения давления в продуктивном пласте, и проницаемость покрышки. Наиболее существенно роль проницаемости глин проявляется при меньших значениях перепада давлений.

2. При небольших перепадах давления сказывается влияние эффекта начального градиента давления, характерного для тонко дисперсных пород.

3. Характер деформации глинистой покрышки, обусловленный мгновенной сжимаемостью, определяется величиной градиента давления.

4. При малых градиентах давлений проявляется эффект медленной сжимаемости и запаздывания деформаций (ползучесть).

5. Скорость деформации затухает во времени.

6. Объем отжимаемой воды из глинистой покрышки в пласт в радиусе дренирования одиночной эксплуатационной скважины составляет несколько тысяч кубических метров.