Упругие изменения свойств коллекторов в процессе разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Коллекторы разрабатываемых месторождений находятся под воздействием двух видов давлений — горного давления (давление на скелет твердой фазы за счет веса вышележащих пород) и пластового давления (давление флюида в порах горных пород). Важное значение при эксплуатации месторождений имеют деформации горных пород, происходящие при изменении пластового давления, которое может уменьшаться при отборе флюида и восстанавливаться при искусственных методах поддержания давления.

Для выяснения механизма воздействия пластового давления на напряженное состояние горных пород выделим элемент породы (рис. 17), заключенный в непроницаемую эластичную оболочку.

Как видно из рис. 17 до начала эксплуатации залежи давление р направлено против горного давления и, следовательно, способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от веса вышележащих пород (если кровля пласта непроницаема), т. е. в этом случае на скелет породы действует эффективное давление _ЭФФ:

При извлечении нефти из коллектора пластовое давление р в нем падает, а давление на скелет породы _ЭФФ — увеличивается.

Выявлено, что при уменьшении пластового давления объем порового пространства уменьшается по следующим причинам:

• 1. упругого расширения зерен (в сторону пор), за счет снижения р;
• 2. возрастание сжимающих усилий _ЭФФ, передаваемых через твердый скелет (также вытеснение частиц в сторону пор);
• 3. более плотной упаковки зерен из-за возрастания _ЭФФ.

Часть этих процессов обратимы (упругое расширение зерен породы), часть — необратимые (перегруппировка и раздробление зерен породы). В результате необратимых процессов пористость пород полностью не восстанавливается при восстановлении начального пластового давления.

Объем породы V равен сумме объемов твердой фазы V_T и пор — V_П:

поэтому при изменении нормального напряжения (горного давления) и пластового давления Р происходит изменение всех трех объемов — V, V_П, V_Т. Соответственно объемная деформация пород при всестороннем сжатии описывается тремя коэффициентами сжимаемости, которые определяются следующими соотношениями (, _П, _Т — коэффициенты сжимаемости породы, пор и твердой фазы соответственно):

Размерность [] = [_П] = [_T] = Па^-1

Объемная деформация коллекторов в реальных условиях при всестороннем сжатии зависит одновременно от разности (-р) и от давления в порах р. Эффективное напряжение (-р) определяет деформацию внешнего скелета породы, а изменение давления в пласте р — деформацию твердой фазы. Между, _П, _Т существует связь:

где m — пористость коллектора.

В.Н. Щелкачев показал, что при эксплуатации нефтяных, газовых месторождений и водоносных горизонтов особое значение имеет коэффициент объемной упругости _С:

Коэффициенты сжимаемости пор _П зависят от _ЭФФ (табл. 3).

Таблица 3.

Коэффициенты сжимаемости пор (_П) осадочных пород.

Как видно из таблицы 3, коэффициент сжимаемости пор _П зависит от эффективного давления _ЭФФ (_П уменьшается при увеличении давления _ЭФФ). В соответствии с этим коэффициент упругости _С зернистых коллекторов изменяется в широких пределах: _С = (350) ТПа^-1 в интервале внешнего давления от 0 до 100 МПа.

Коэффициент объемной упругости _С можно определить двумя способами:

• 1. Лабораторным (по керну для зернистых коллекторов, для трещиноватых коллекторов — керн не представлен);
• 2. по результатам разработки залежи с учетом ее объема, количества извлеченной жидкости и падения пластового давления.