Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ВВЕДЕНИЕ

В связи с введением в разработку ряда новых крупнейших нефтяных и газовых месторождений, как на суше, так и на континентальном шельфе, в последние десятилетия резко возросла активизация нефтегазодобывающей деятельности, одной из ведущих Прикаспийских стран, Республики Казахстан.

В тоже время необходимо отметить, что, наряду с увеличением количества новых залежей возрастает и количество месторождений со сложными геологическими структурами (низкие проницаемости, высоковязкие нефти и сильно расчлененный геологический разрез), содержащие трудноизвлекаемые нефти. Такого типа месторождения требуют разработки и использования научно обоснованных методов и технических средств воздействия на пласт с целью повышения эффективности процессов добычи углеводородов, увеличения коэффициента нефтеотдачи пластов, совершенствования систем разработки и эксплуатации месторождений углеводородов.

Подробный обзор литературы, посвященный исследованию фильтрационных процессов (разработки и эксплуатации месторождений углеводородов) в деформируемых пластах со сложными геологическими структурами, показывает, что в современной теории фильтрации учет деформирования в трансверсально-изотропной и анизотропной пористой среде еще не нашло должного обоснования. Кроме этого требует дальнейшего развития теоретическое положение по стационарной и нестационарной пространственной фильтрации жидкости в деформируемой среде с учетом переменности коэффициента проницаемости, ползучести пласта, оказывающие существенное влияние на разработку нефтяных месторождений.

В целом, несмотря на успехи, достигнутые в моделировании фильтрационного течения в деформируемой пористой среде, поиск новых подходов здесь остается актуальным.

В данное время не рассмотрены вопросы изучения пространственного фильтрационного движения жидкости в изотропных, трансверсально-изотропных и анизотропных деформируемых пористых средах со сложной геометрией. Появляется необходимость исследования напряженно-деформируемого состояния, как вертикальных или горизонтальных скважин, так и групп скважин, отбирающих жидкость в упругих трансверсально-изотропных пластах с наклонной плоскостью изотропии, т.е. в наклонных слоистых пористых средах.

Отчет посвящен задаче фильтрации к разноориентированному стволу горизонтальной скважины (ГС) в деформируемой анизотропной среде с учетом ползучести горных пород вокруг ствола ГС.

Практические расчеты параметров разработки месторождений и обработки результатов гидродинамических исследований скважин в деформируемых коллекторах обычно проводится без учета гидродинамических процессов, т.е. взаимодействие пласта – коллектора и массива окружающих горных пород, с использованием лишь экспериментальных зависимостей пористости и проницаемости от парового давления, полученных для изолированных образцов горных пород. При таком подходе в процессе проектирования разработки месторождений с низкопроницаемыми деформируемыми коллекторами получаются явно заниженные технико-экономические показатели. Более реальные показатели разработки получаются с учетом гидрогеомеханических процессов нефтегазодобычи.

После проведения скважины происходит механический процесс. С точки зрения механики этот процесс относится к теории ползучести горных пород, т.е. при постоянной внешней нагрузке изменяется напряженно-деформированное состояние пласта. Поэтому вокруг породы, вблизи ствола скважины наблюдается изменения упругого свойства с течением времени. Учет свойств ползучести пласта на напряженное состояние скважины осуществляется различными методами, в частности теории ползучести, разработанный Ж.С. Ержановым. Установлено, что породы такие как, алевролит, аргиллит и др. ползет по Абелева закону ядра. Учет свойств ползучести анизотропных пород весьма сложны, тем более экспериментально не найдены параметры ползучести анизотропных пород в разных направлениях. Поэтому привлекаются различные приближенные подходы и методы, в частности предполагается, что свойство ползучести анизотропных пород протекает изотропно, т.е. нет существенных отличии в параметрах ползучести в различных направлениях.

Все практические задачи движения жидкостей через пористые среды имеют пространственный характер. Но так как при решении трехмерных задач уже для простейших уравнений математической физики возникают значительные трудности даже при небольшом усложнении формы области фильтрации или вида краевых условий, то основным подходом к решению пространственных фильтрационных задач является выделение в фильтрационном потоке областей, в которых движение жидкости близко к плоскому. Затем для выделенных областей решаются плоские краевые задачи теории фильтрации. Таким образом, пространственная задача разбивается на ряд плоских задач. Подобный прием применяется при движении жидкости в слоистых пластах.

При численной реализации исследовано упругое статическое напряженное и деформируемое состояние разноориентированного ствола ГС в транстропном пласте в зависимости от упругой анизотропии, в том числе от степени несплошности сцеплением мелких наклонных слоев, когда продольные оси полостей составляют произвольный угол с линией простирания плоскости изотропии.

Анализ результатов, приведенных в наклонном трансверсально-изотропном пласте, показывает, что с увеличением количества конечных элементов в дискретной модели пласта, наблюдается совпадение двух значащих цифр в значениях компонентов перемещения, напряжения и деформации.

Таким образом, можно получить оценку изменения дебита скважины, давления жидкости с учетом напряженно-деформируемого состояния трансверсально-изотропного пласта.

При исследовании фильтрации жидкости к горизонтальным скважинам в нестационарном режиме необходимо учитывать следующие факторы: длительность стабилизации забойного давления и дебита; переменность забойного давления по длине горизонтального ствола при сравнительно больших дебитах скважин и длинах горизонтального ствола; ассиметричность по геологическим и технологическим причинам, расположение горизонтального ствола по толщине пласта и относительно контуров питания; отстуствие математически доказанного радиуса контура питания. С влиянием этих и многих других факторов связаны погрешности определяемых параметров скважин и пластов. Далее рассматривается нестационарный фильтрационный процесс в упругодеформируемой анизотропной (трансверсально-изотропной) пористой среде.

Горное давление на пласт компенсируется как напряжениями твердого скелета массива, так и давлением жидкости. Изменение последнего возмущает напряженно-деформированное состояние пласта (НДС), т.е. изменение порового давления в одной точке вызывает перестройку НДС всей системы и в том числе деформацию во всем пласте.

При изучении напряженно-деформируемого состояния пласта предполагается, что под действием приложенных внешних сил, деформация пласта протекает без нарушения его сплошности. Поэтому необходимо наложить ограничения на величины компонент деформации.

Рассматривается упругое статическое состояние горизонтальной скважины, продольная ось которой составляет произвольный угол с линией простирания плоскости изотропии породного массива.

Развивается подход, основанный на разработке комплекса программ, что связано с предполагаемыми условиями их применения для определения дебита разноориентированной скважины в транстропной среде, поля давления и напряженно-деформируемого состояния.

В большинстве случаев расчетные области реальных задач фильтрации имеют сложную структуру со значительными различиями в коэффициентах проницаемости, упругих параметрах, т.е. свойствах отдельных участков среды, с наличием включений и других неоднородностей. С целью описания подобных областей разработан специализированный программный комплекс, позволяющий представлять область в виде информационной модели и манипулировать данными, входящими в состав этой модели.

Выбор реализации информационной модели обусловлен применением для компьютерного анализа фильтрационного течения жидкости в деформируемой анизотропной среде МКЭ по разработанной методике из предыдущих разделов. Расчетная область аппроксимируется как дискретная конечно-элементная модель, которая базируется на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на любом из участков модели. Фильтрационные и упругие параметры в одном конечном элементе считаются постоянными, и имеют возможность изменяться на каждом шаге временного слоя.

Основу технологии описания расчетных областей в программном комплексе составляет объектная модель. Составными элементами этой подсистемы являются объекты классов, предназначенные для решения задач манипулирования геометрическими данными. Они описывают геометрические структуры конечного элемента, такие как узлы, ребра, подобласти. Каждый объект, включает в себя помимо самих данных о геометрическом положении, размерах и формах, также методы и процедуры работы с этими данными.

Разработана методика организации матрицы жесткости системы на примере изопараметрических и треугольных элементов. Матрица жесткости системы (МЖС) состоит из процесса суммирования реакции в узлах элементов по направлению глобальных координатных осей. Поскольку реакции представляют собой коэффициенты матриц жесткости элементов (МЖЭ), обычно в одном узле сходится несколько элементов. Поэтому образование МЖС состоит в том, чтобы для каждого узла по каждому из направлений степени свободы необходимо просуммировать соответствующие коэффициенты МЖЭ и отправить эту сумму по нужному адресу в оперативную память.

Созданный комплекс программ был подвергнут многовариантному вычислительному эксперименту, который численно показал устойчивость, сходимость и эффективность вычислительной схемы.

Промысловый опыт разработки нефтяных коллекторов с применением горизонтальной скважины на различных месторождениях показал, что в ряде случаев стволы ГС располагаются под определенным углом к кровли пластов, вскрывая при этом пропластки с различной проницаемостью. В этом случае расчетная схема модели разработки залежей должна включать добывающую горизонтальную скважину, включающую под определенным углом слоисто-неоднородный пласт. При этом обводнения залежей осуществляются водой, закачиваемой в нагнетательную вертикальную скважину.

На основании данных о расстоянии между нагнетательной и добывающей скважинами вычисляется пропорциональное отношение водяной зоны к рассматриваемым совместно нефтяным и водонефтяным зонам, границы которых определены с помощью алгоритмов и программ численного моделирования двухфазной фильтрации в нагнетательной скважине.

Рассмотрены также возможности уменьшения занимаемой оперативной памяти персонального компьютера путем разработки дополнительных процедур для расчета узловых значений давления, компонентов перемещений, затем компонентов напряжении и деформации.

Результаты математического моделирования движения жидкости в неоднородной пористой среде могут быть использованы при повышении детальности проводимых исследований и достижении адекватности геологических моделей.

При моделировании насыщенных трещиноватых сред также исследуются вопросы регистрации и прогнозирования деформации горных пород и проседания земной поверхности. Случай непредвиденных проседаний поверхности приводят к большим материальным затратам. Неустойчивость стволов скважин, прихваты и потери бурового инструмента ведет к росту затрат на бурения, вынужденному забуриванию вторых стволов или ликвидации скважин. Поэтому недостаточность учета геомеханических условий ведут к неоптимальному вскрытию пластов и неэффективности, проводимых геолого-технических мероприятий.

В данном отчете при анализе эффективности ГС учитывается геометрическая конфигурация плоскости напластования. На современном этапе опубликовано недостаточно работ по теоретической и практической изученности задач фильтрации к горизонтальным скважинам в деформируемой среде.