Обоснование основных параметров процесса трещинообразования при импульсных воздействиях на прискважинную зону пласта

Актуальность работы.

Современный этап развития нефтегазодобывающей промышленности характеризуется постоянным ростом требований к достижению высокой эффективности разработки нефтяных и газовых месторождений, что предполагает бесперебойную и соответствующую потенциалу месторождения работу добывающих и нагнетательных скважин с соблюдением темпов выработки запасов, текущих уровней добычи и полноты извлечения углеводородов.

Вторичное вскрытие продуктивного пласга, обеспечивающее сохранение, восстановление или повышение естественной проницаемости прискважинной зоны пласта (ПЗП), в значительной степени определяет эффективность эксплуатации скважины на всех стадиях разработки месторождения. Широко применяемыми методами восстановления и повышения проницаемости ПЗП являются методы импульсного воздействия, в том числе твердоюшшвными газогенерирующими устройствами (ТТГУ), обеспечивающими создание в пласте системы трещин. Изучение механизма направленного восстановления и повышения проницаемости ПЗП путем создания и раскрытия в пласте системы трещин имеет существенное практическое значение.

Важной научно-технической задачей нефтяной отрасли промышленности является обеспечение высоких темпов добычи нефти и наиболее полное извлечение нефти из недр. Эксплуатация нефтяных скважин приводит к уменьшению их производительности, в основном, из-за постепенного снижения пластового давления из-за уменьшения запаса нефти в пласте и ухудшения фильтрации в ПЗП вследствие различных природных явлений и целенаправленной деятельности человека, предусматривающей увеличение дебитов добывающих или приемистости нагнетательных скважин. Поэюму поиск методов повышения эффективности разработки залежей нефти является актуальной задачей эксплуатации нефтяных месторождений. Этот поиск осуществляется по следующим основным направлениям: совершенствование технологии и систем разработки нефтяных залежей с применением гидродинамических методов повышения нефтеотдачиинтенсификация добычинефти за счет применения различных меюдов воздействия на ПЗП скважинприменение новых методов повышения нефтеохдачи пластов.

Значительное количество существующего фонда скважин в России находится либо в простое, либо относится к низкодебигному фонду Подсчитано, что повышение нефтеотдачи на старых, уже обустроенных, месторождениях России на 1% равносильно открытию нового крупного месторождения. Поэтому повышение нефтеотдачи пластов и интенсификация добычи нефти являются существенным источником получения дополнительной нефти.

Для повышения производительности продуктивных пластов после пуска скважин или некоторого срока их эксплуатации используются различные методы воздействия на ПЗП [1−13]. Обстоятельный анализ методов воздействия на ПЗП изложен в работах [14−16].

В последние 25 лет для повышения производительности скважин в России применяются импульсные методы воздействия на ПЗП, позволяющие разрушать и диспергировать кольматационные отложения, расширять и удлинять существующие в продуктивном пласте трещины, вызывать образование новых трещин. Высокую эффективность воздействия па ПЗП показали импульсные методы с использованием конденсированных энергетических систем (твердых, жидких или газообразных).

В частности, применяются импульсные методы, предполагающие использование различных газогенерирующих устройств (генераторов давления) с энергоносителями из твердотопливных зарядов 117−32]. Высокая эффективность этих методов достигается образованием качественной гидродинамической связи скважины с незагрязненной зоной продуктивного пласта. Гидродинамическая связь скважины с пластом обеспечивается через трещины, которые образуются вследствие задавливания в продуктивный пласт рабочего тела при воздействии на ПЗП импульсом давления, создаваемым продуктами сгорания твердотопливных зарядов в интервале обработки скважины. В зависимости от способа обработки скважины, рабочим челом может быть как находящаяся в скважине в интервале продуктивного пласта жидкость, так и высокотемпературные продукты сгорания твердотопливных зарядов.

Импульс давления в интервале обработки скважины прогнозируется на основании результатов расчетов, проводимых по физико-математической модели, разработанной для применяемого метода воздействия и учитывающей взаимосвязь процессов, протекающих в скважине и продуктивном пласте, или на основании статистического анализа результатов применения конкретного метода на аналогичных скважинах. Для определения параметров импульсного воздействия на ПЗП целесообразно использовать современные регистрирующие устройства, позволяющие производить измерение зависимости давления в зоне обработки скважины от времени.

Физико-математическая модель, разработанная для применяемого метода воздействия, своей составной частью должна содержать модель процесса раскрытия трещин в продуктивном пласте с учетом основных динамических характеристик импульсного воздействия на ПЗП:

— скорость (градиент) изменения давления в скважине в зоне обработки продуктивного пласта;

— текущий объемный расход рабочего тела, задавливаемого в продуктивный пласт.

Кроме того, модель процесса раскрытия трещин при импульсном воздействии на ПЗП должна учитывать изменение во времени размеров образующихся в пласте трещин и остаточную деформацию пласта.

Использование физико-математической модели процесса раскрытия фещин позволит обосновать основные параметры процесса трещинообразования и повышение эффективности и результативности импульсных методов воздействия на ПЗП.

Поэтому разработка физико-математической модели процесса раскрытия трещин при импульсных воздействиях на ПЗП является важной и актуальной задачей.

Цель работы. Разработка физико-математической модели процесса раскрытия трещин, обоснование и оценка основных параметров процесса трещинообразования при импульсных воздействиях на прискважинную зону пласта для повышения производительности нефтяных и газовых скважин. Основные задачи исследований.

1. Литературные и патентные исследования импульсных методов воздействия на ПЗП нефтяных и газовых скважин.

2. Исследование характеристик импульсного воздействия на ПЗП, определяющих основные параметры процесса трещинообразования в продуктивном пласте.

3. Вывод физических зависимостей, описывающих процесс раскрытия вертикальных двусторонних трещин в продуктивном пласте и их качественный анализ.

4. Разработка физико-математической модели процесса раскрытия трещин при импульсном воздействии на ПЗП, позволяющей с использованием зависимое! и давления в зоне обработки продуктивного пласга от времени* рассчитать основные параметры процесса трещинообразования.

5. Расчетно-теоретические исследования процесса раскрытия трещин при импульсных воздействиях на ПЗП и оценка эффективности импульсных методов воздействия с применением твердотопливных газогенерирующих устройств.

Методы решения поставленных задач.

Применение теоретических основ механики разрушения деформируемых сплошных сред, физико-математическое моделирование, оценка основных параметров' процесса трещинообразования при импульсных воздействиях на ПЗП.

Научная новизна.

1.На основании проведенных теоретических исследований получены физические зависимости, описывающие процесс раскрытия вертикальных двусторонних трещин в продуктивном пласте.

2. Разработана физико-математическая модель процесса раскрытия трещин при импульсном воздействии на ПЗП, позволяющая с использованием зависимости давления в зоне обработки продуктивного пласта от времени рассчитать основные параметры процесса трещинообразования.

3.По результатам проведенных расчетно-теоретических исследований обоснованы основные параметры ' процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсном воздействии на ПЗП, установлены основные закономерности процесса и факторы, влияющие на этот процесс.

Основные защищаемые положения.

1. Физические зависимости в виде дифференциальных уравнений первого порядка, описывающие во времени процесс раскрытия вертикальной двусторонней трещины при импульсном воздействии на ПЗП.

2. Физико-математическая модель процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсном воздействии на ПЗП, позволяющая с использованием зависимости давления в зоне обработки продуктивного пласта от времени рассчитать основные параметры процесса трещинообразования.

3. Основные закономерности процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсном воздействии на ПЗП и факторы, влияющие на этот процесс.

Практическая ценность работы.

1. Полученные научные результаты использованы предприятиями ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика» и ООО «Пермский ИТЦ «Геофизика» для проектирования оптимальных характеристик импульсного воздействия на прискважинную зону пласта с целью достижения наиболее эффективной гидродинамической связи скважины с продуктивным пластом.

2. Опытное применение физико-математической модели процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсном воздействии на ПЗП освоено предприятием ООО «Пермский ИТЦ «Геофизика» для оценки параметров процесса с использованием зависимости давления в зоне обработки продуктивного пласта от времени.

3. Полученные научные результаты использованы предприятием ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика» для разработки и внедрения в производспю твердотопливного заряда с развитой поверхностью горения ЗГП105−01, который успешно применяется с 2008 года в составе комплексного устройства ГП-105 («Перфоген»), предназначенного для кумулятивной перфорации и газодинамического импульсного воздействия, на ПЗП нефтяных и газовых скважин.

Апробация работы.

Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на научно-технических советах, семинарах предприятий ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика» и ООО «Пермский ИТЦ «Геофизика» в 2004;2010 г. г. и на научных семинарах кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Публикации.

На основе выполненных исследований по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 научно-технических статей в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патент России на изобрс1ения.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы из 120 наименований, содержит 160 страниц текста, в том числе 25 рисунков и 30 таблиц.

Основные выводы.

1. Получены физические зависимости в виде дифференциальных уравнений первого порядка, описывающие во времени процесс раскрытия вертикальной двусторонней трещины в продуктивном пласте при импульсном воздействии на прискважинную зону пласта. При анализе физических зависимостей установлено: а) процесс образования вертикальных трещин разрыва и процесс раскрытия вертикальных трещин не могут происходить одновременноб) вертикальная трещина начинает расти в длину, когда ширина трещины достигает критического значенияв) процесс раскрытия вертикальных двусторонних трещин имеет место при выполнении соотношения аУж > фУж аРс Л фРс-Рпл-яи ск или соотношения аРс фРс-р пл — и (IV ж.

К фУж сП.

2. При вполне корректных принятых допущениях разработана физико-математическая модель процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсных воздействиях на прискважинную зону пласта, позволяющая по фактическим результатам измерения давления в скважине определить параметры процесса трещинообразования и размеры вертикальной двусторонней трещины. Получено условие, при выполнении которого образующиеся в ходе импульсного воздействия вертикальные двусторонние трещины после снятия барической нагрузки на пласт сомкнутся.

3. В результате расчетно-теоретических исследований с использованием разработанной физико-математической модели процесса раскрытия вертикальных двусторонних трещин при импульсных воздействиях на прискважинную зону пласта установлено: а) изменение во времени ширины трещины имеет параболический характер, а полудлины трещины — гиперболический, при этом скорость роста полудлины трещины увеличивается асимптотическиб) значение модуля Юнга продуктивного пласга оказывает непосредственное влияние на параметры процесса раскрытия трещин и их конечные размеры: чем жестче продуктивный пласт (больше значение модуля Юнга), тем больше длина и меньше ширина образующихся трещинв) изменение формы импульса давления на участке импульсного воздействия, где давление в зоне обработки продуктивного пласта уменьшается от максимального значения до значения, равного сумме пластового и бокового горного давлений, имеет определяющее влияние на процесс раскрытия трещин:

— чем больше величина суммарного импульса давления, тем меньше скорость роста полудлины образующейся трещины, и наоборот;

— чем меньше величина суммарного импульса давления, тем выше вероятность возникновения ветвления образующихся трещинг) с увеличением значения коэффициента Пуассона1 полудлина раскрывающихся вертикальных двусторонних трещин увеличивается, а ширина уменьшается, при этом изменение размеров раскрывающихся трещин, вызванное изменением коэффициента Пуассона, незначительное и составляет величину не более 4,0%- д) отношение модулей Юнга при разгрузке и нагружении продуктивного пласта влияет на процесс формирования остаточной вертикальной двусторонней трещины. Увеличение отношения модулей Юнга приводит:

— к более раннему началу процесса формирования остаточной трещины;

— к увеличению полудлины и ширины раскрывающейся трещины;

— к увеличению скорости роста полудлины раскрывающейся трещины и повышению возможности достижения скорости роста полудлины трещины, при которой происходит ее ветвление.