книги / Основы разработки нефтяных и газовых месторождений

Р ис. 3 .9 . Подбор адекватной модели водоносной области методом проб и ошибок (Гавлена и Оде)

нимается, что он равен уменьшению среднего пластового давления, обусловленному отбором пластовых флюидов.

Если модель водоносной области выбрана неверно, точки на гра­ фике расположатся в стороне от теоретической прямой, имеющей угол наклона 45° и отсекающей на оси ординат (при \Уе / Ео = 0) от­ резок, численно равный Ы, как показано на рис. 3.9.

Расположение точек в стороне от прямой объясняется неправильно выбранной геометрией залежи. Это означает, что для характеристики залежи, вероятно, больше подходит линейная геометрия, чем приня­ тая круговая геометрия. При наличии круговой водоносной области залежь находится в контакте с большим массивом воды, чем при на­ личии линейной водоносной области такого же объема. Поэтому при одинаковом снижении пластового давления приток воды из круговой водоносной области будет больше, чем из линейной, и точки располо­ жатся ниже теоретической прямой. Пример применения данного ме­ тода дан в упражнении 9.2, где модель водоносной области, используе­ мая для расчета учитывает зависимость притока воды от времени.

После того как путем прослеживания истории разработки полу­ чена удовлетворительная модель водоносной области, можно по­ пытаться использовать эту модель для прогнозирования поведения залежи при различных стратегиях запланированного отбора. Как уже упоминалось, при выборе модели водоносной области мы имеем высокую степень неопределенности, поэтому такую модель нельзя считать единственно верной, и при получении новых данных об из­ менении отбора и давления следует всегда проверять правомерность ее применения.

Р ис. 3 .1 0 . Динамика показателей разработки залежи, содержащей

недонасыщенную нефть и работающей в условиях активного

водонапорного режима

Если залежь имеет газовую шапку, то уравнение (3.12) приобрета­ ет следующий вид:

Р = N (Е + ш Е) + \У.

Принимая, что т и N известны, можно записать это уравнение в сле­ дующем виде:

Можно построить графическую зависимость между Р / (Ео + тЕ^) и (Ео + тЕ^), интерпретируя ее таким же образом, как и зависимо­ сти на рис. 3.9.

Уравнение (3.29) демонстрирует применение метода Гавлена и Оде при смешанном режиме работы залежи, когда действуют три актив­ ных механизма: упругий режим, переходящий в режим растворенно­ го газа, газонапорный режим и водонапорный режим.

На рис. 3.10 показана динамика изменения отбора и давления для залежи, содержащей недонасыщенную нефть и работающей в усло­ виях водонапорного режима. Снижение давления относительно не­ велико благодаря расширению воды в водоносной области. Судя по кривой изменения текущего газового фактора, давление поддержи­ вается выше давления насыщения. Нефтеотдача при водонапорном

режиме может быть очень высокой, более 50 %. Однако, как и при вторжении воды в газовую залежь, описанном в главе 1 (раздел 7), в пласте, за фронтом заводнения, остается защемленная нефть. Из­ влечь эту нефть можно только прибегнув к более эффективным ме­ тодам воздействия на пласт. Этот вопрос будет рассмотрен в главе 4 (раздел 9).

3.8. УПРУГО-ПЛАСТИЧНЫЙ РЕЖИМ

Отбор из залежи жидкости или газа приводит к снижению дав­ ления флюидов и, следовательно, к возрастанию эффективного, или межзернового, напряжения. Выражаемое этим напряжением дав­ ление определено в главе 1 (раздел 3) как разность между горным давлением и давлением флюидов. Это увеличенное давление на по­ верхности контакта между зернами вызывает уплотнение пласта, ко­ торое, в свою очередь, может привести к оседанию поверхности.

Вразличных работах7,8,9,10 показано, что уплотнение зависит только от разности между вертикальным напряжением (горным давлением) и внутренним напряжением (давлением флюидов). Поэтому можно измерить уплотнение в лабораторных условиях, сжимая образец гор­ ной породы при постоянном давлении флюидов в порах образца.

Если Уь - полный объем образца породы высотой Ь, то уплотнение при одноосном сжатии

д у ь /у ь = д ь/ь

можно определить на лабораторном приборе трехосного сжатия, описанном Тиу (Теегш)11 (рис. 3.11 (а)). Образец керна, полностью насыщенный водой, помещается в камеру с верхним и нижним про­ ницаемыми дисками, окруженную эластичной цилиндрической обо­ лочкой. Вертикальное напряжение создается перемещением плунже­ ра. Давление воды в поровом пространстве образца равно 0,1 МПа. Давление воды, окружающей эластичную оболочку, можно изменять независимо, что позволяет выполнять условие отсутствия попереч­ ных деформаций образца. Давление постоянно регулируется, так что любое изменение высоты образца ДЬ однозначно связано с измерен­ ным объемом воды, вытесненной из образца.

Если провести такие исследования на неконсолидированном образ­ це песка при давлении жидкости 0,1 МПа и по результатам построить

осевая

нагрузка

проницаемый

диск

боковая“

образец

нагрузка.

Ч эластичная оболочка

( а )

Р ис . 3 .1 1 • Схема прибора трехосного сжатия Тиу (а),

типичная компрессионная кривая (Ь)

графическую зависимость между уплотнением ДЬ / Ь и действующим вертикальным напряжением, которое в этом случае эквивалентно давлению, выражаемому межзерновым напряжением, то полученная компрессионная кривая будет иметь вид, показанный на рис. 3.11 (Ь).

Наклон касательной к этой кривой в каждой точке равен

ДЬ / Ь / Др = сь ~ сг<р (см. уравнение 1.37).

Эта кривая имеет ожидаемую характерную форму. При низких значениях давления, выражаемого межзерновым напряжением, сжимаемость неуплотненного образца очень высока. Это объясняет­ ся тем, что на данном этапе не требуется большой нагрузки для соз­ дания более плотной упаковки зерен. Однако по мере возрастания давления, выражаемого межзерновым напряжением, для сжатия об­ разца требуется все большая нагрузка, и сжимаемость уменьшается. Такие исследования показывают, что сжимаемость породы пласта не является постоянной величиной и непрерывно изменяется по мере вытеснения жидкости из образца и возрастания давления, выражае­ мого межзерновым напряжением.

Нормальное гидростатическое давление и горное давление возрас­ тают с глубиной линейно. Таким же образом возрастает и давление, выражаемое межзерновым напряжением, поскольку оно представля­ ет собой разность между этими двумя параметрами. Таким образом,

залежь, начальные условия в которой соответствуют точке А, должна залегать на небольшой глубине, а залежь, начальные условия в кото­ рой соответствуют точке В, должна залегать глубже.

При работе залежи в условиях упруго-пластичного режима пла­ стовые флюиды вытесняются из нее вследствие динамического уменьшения объема порового пространства. Активное проявление этого режима возможно только тогда, когда сжимаемость породы сг высока. Поэтому можно сделать вывод, что при доминирующем про­ явлении упруго-пластичного режима высокая нефтеотдача будет до­ стигаться лишь при разработке неглубоко залегающих залежей. По данным Мерле и др. (Мег1е)2, на некоторых участках месторождения ВасЬа^ие^о в Венесуэле упруго-пластичный режим обеспечивает бо­ лее 50 % суммарной нефтеотдачи. Интервал высотных отметок этой крупной залежи по линии падения составляет примерно 305 - 1220 м, а сжимаемость породы при одноосном сжатии превышает 14,5 х 10'3 / МПа.

Если бы механика уплотнения пластов была такой простой, как изложено выше, то можно было бы получить зависимость сжимае­ мости при одноосном сжатии от глубины для горных пород разных типов и попытаться использовать эту зависимость в различных условиях. К сожалению, процесс уплотнения пород часто бывает не­ обратим. Это в свою очередь предполагает, что сжимаемость пород в месте залегания нельзя оценить таким простым путем.

Если порода, слагающая залежь, состоит из хорошо сцементиро­ ванных зерен в составе крепкой матрицы, то в ограниченном интер­ вале давлений деформация будет упругой и обратимой. Деформация рыхлых неконсолидированных песков, однако, является неупругой и необратимой. Это объясняется тем, что при каждом цикле нагру­ жения такого образца упаковка отдельных зерен может изменяться. Кроме того, могут деформироваться и разрушаться отдельные зерна. Рис. 3.12, заимствованный из статьи Мерле и др.12, иллюстрирует та­ кую неупругую деформацию.

Состояние песка, слагающего залежь, в период осадконакопления, соответствует точке А на компрессионной кривой (рис. 3.12). Постепенно количество отложившегося материала возрастает, и по прошествии времени, сравнимого с геологическими периодами, первоначально отложившийся песок становится погребенным. Это состояние соответствует точке В, где давление, выражаемое меж­ зерновым напряжением, равно рв. На фоне нормального процесса

УПЛОТНЕНИЕ

Давление, выраженное ----- ► эффективным напряжением

Р ис. 3 .1 2 * Компрессионная кривая, показывающая влияние геологических процессов, затрагивающих залежь, на сжимаемость породы в месте залегания (по данным Мерле и др.)

осадконакопления могут произойти события, ослабляющие давле­ ние, выражаемое межзерновым напряжением, до значений ниже рв. К таким событиям относятся следующие:

•поднятие залежи;

•эрозия приповерхностных пластов над залежью;

•развитие аномально высокого давления в залежи.

Врезультате действия одного или нескольких перечисленных фак­ торов возможны граничные случаи абсолютно упругой или абсолют­ но неупругой деформации породы в процессе отложения. Соответ­ ственно, состояние залежи будет характеризоваться точками С или С компрессионной кривой, приведенной на рис. 3.12 (соответствую­ щими пониженному давлению, выражаемому межзерновым напря­ жением, рс). В первом случае, при упругой деформации, происходит следующее. Если разработка залежи производится при начальном давлении, выражаемом межзерновым напряжением, равном рс, то уплотнение начнется сразу же после начала разработки ввиду конеч­ ной сжимаемости породы в точке С при одноосном сжатии. Однако при абсолютно неупругой деформации будет иметь место временной разрыв между началом разработки залежи и сколько-нибудь значи­ тельным уплотнением породы. Это объясняется тем, что во втором

случае сжимаемость в точке С при одноосном сжатии, характеризуе­ мая наклоном касательной к компрессионной кривой, чрезвычайно мала. Как видно на рис. 3.12, степень уплотнения породы в залежи будет очень мала до тех пор, пока из нее не будет извлечено достаточ­ ное количество пластовых флюидов, чтобы давление, выражаемое межзерновым напряжением, возросло до рв, то есть до максимально­ го давления, которое порода испытывала раньше.

Уплотнение породы и связанное с ним оседание грунта на поверх­ ности будет намного сильнее выражено для мелкозалегающих зале­ жей, сложенных неконсолидированными породами, чем для более глубоко залегающих залежей, сложенных более крепкими породами. Поэтому необходимо экспериментальным путем определить сжи­ маемость пород мелкозалегающих залежей, чтобы оценить степень влияния уплотнения породы на нефтеотдачу. Кроме того, важно спрогнозировать сопутствующее оседание грунта на поверхности. Этот процесс может вызвать серьезные осложнения, если месторож­ дение находится рядом с морем или озером13.

К сожалению, деформация неконсолидированных песков обычно бывает неупругой. Это обстоятельство усложняет установление свя­ зи между сжимаемостью, измеренной в лаборатории, и сжимаемо­ стью, соответствующей условиям залегания породы. Чтобы оценить характер проблемы, следует опять обратиться к рис. 3.12. Допустим, что и давление, выражаемое межзерновым напряжением, и давление флюидов в залежи нормальные, так что при начальных условиях со­ стояние залежи соответствует точке В на компрессионной кривой. Процесс отбора керна и подъема его на поверхность повлечет за со­ бой разгрузку, в результате чего состояние породы керна, деформи­ рующейся неупруго, будет соответствовать точке С', расположенной в стороне от нормальной компрессионной кривой. При повторном нагружении горизонтальный участок В - С не повторяется. Здесь проявляется эффект механического гистерезиса, и кривая нагруже­ ния подойдет к нормальной компрессионной кривой только в точке V, где р0 > рв. В результате, сжимаемость, определенная по лабора­ торным данным как тангенс угла наклона касательной к кривой С - Э при давлении рв, будет несколько меньше значения, соответствую­ щего условиям в месте залегания породы. Последнее определяется как тангенс угла наклона касательной к нормальной компрессионной кривой при давлении рв. Таким образом, начальные значения сжи­ маемости в условиях залегания породы определить сложно. Обычно

для этого требуется оценка с использованием обратной экстраполя­ ции лабораторных данных, полученных при давлениях, выраженных межзерновым напряжением, превышающих р0.

Приведенное выше описание трудностей при оценке сжимаемо­ сти при одноосном сжатии в условиях залегания породы относится к граничному случаю абсолютно неупругой деформации породы, сла­ гающей залежь. Обычно деформация образцов горных пород не бы­ вает ни абсолютно упругой, ни абсолютно неупругой. Как правило, их характеристики находятся где-то между двумя этими крайними значениями. Тем не менее при рассмотрении реальных горных по­ род действуют те же качественные аргументы, и поэтому не всегда целесообразно оценивать сжимаемость в условиях залегания пород просто обращаясь к опубликованным компрессионным кривым для типичных песчаников и известняков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1)ЗсЫЬЬшз, КЛ„ 1936. Асйуе ОН апб Кезегуоп Епег§у. Тгапз., АШЕ,

118:33-52.

2)Атух, 1.\У., Вазз, Э.М., апб \УЬШп§, К.Ы, 1960. Ре1го1еит КезегуоЬ Еп§теепп§ - РЬуз1са1 Ргорегйез. МсСга\у-НШ: 448-472.

3)МсСат, Ж В.У1973. ТЬе Ргорегйез о{ Ре1го1еиш Е1шск. Рейгокит РиЬЕзЫп^ Сотрапу, Тика: 268-305.

4)Нау1епа, И. апб ОбеЬ, А.8., 1963. ТЬе Ма1епа1 Ва1апсе аз ап Е^иа1:^оп о{ а 81га1§Ь1: Ыпе. ^РейТесЬ. Аи^из!: 896-900. Тгапз., АШЕ, 228.

5)Нау1епа, В. апб ОбеЬ, А.8., 1964. ТЬе Ма1епа1 Ва1апсе аз ап Е^иа1:^оп о^а 81га1§Ь1: Ыпе. Раг! II - Е1еЫ Сазез. 1.Ре1:.ТесЬ. ]\йу: 815-822. Тгапз., А1МЕ., 231.

6)Кт§з!оп, Р.Е. апб №ко, Н., 1975. ОеуеЬртеп! Р1аппт§ о( *Ье Вгеп! НеИ. 1.Ре1. ТесЬ. ОсЮЬег: 1190-1198.

7)СееПзта, ].у 1966. РгоЫетз о^ Коек МесЬатсз т Ре1го1еит Ргобисйоп Еп§1пеепп§. Ргос., 181 Соп§, о{ 1Ье 1пЙ. 8ос. оГ Коек МесЬ., ЫзЬоп. I, 585.

8)СееНзта, ].у1957. ТЬе ЕйГес! оГИиИ Ргеззиге ЫесИпе оп УЫитеМс СЬап§ез о^Рогоиз Коскз. Тгапз., АШЕ, 210: 331-340.

9)уап бег Кпаар, \У., 1959. Коп-Ьпеаг ВеЬауюиг оГ Е1азйс Рогоиз Меб1а. Тгапз., АШЕ, 216: 179-187.

10)Вю1,М.А., 1941. Сепега1 ТЬеогу оПЬгее 01тепзюпа1 СопзоИбайоп. 1.Арр1. РЬуз., Уо1. 12: 155.

11)Теешу, Б., 1971. РгесИсИоп о1Рогта1юп СотрасИоп йгот ЬаЬога1огу Сотрге8з1ЬШ(у Ба1а. Зое. о! Ре1. Еп§. Зер1етЬег: 263-271.

12)Мег1е, Н.А., Кепйе, СЦ.Р., уап ОрзЫ, С.Н.С. ап<1 ЗсЬпеШег, С.М.С., 1976. ТЪе ВасЬа^ие^о Зшку - А Сотрозке Апа1у818 о! Ше ВеЬауюиг оЕ а СотрасИоп Впуе/Зоккюп Сах 1)пуе Кезегуок. ).Ре1. ТесЬ.

8ер1етЬег: 1107-1115.

13) СееПзта, 1973. Ьап<1 ЗиЪзЫепсе АЬоуе Сотрас1т§ Ке$егуок$. 1.Ре1.ТесЬп. 1ипе: 734-744.