История метода Георыхления

fНефтяная тематика была одной из основных в научной деятельности Сергея Алексеевича Христиановича. Впервые он обратился к ней в 1954 г., когда перешел работать из ЦАГИ в Академию наук. В это время им была создана теория гидравлического разрыва нефтяных пластов, которая объяснила механизм образования вертикальных и горизонтальных трещин гидроразрыва и выявила основные параметры, влияющие на этот процесс.  Эти исследования позволили значительно повысить эффективность применения метода гидроразрыва, который до настоящего времени остается одним из наиболее эффективных методов интенсификации добычи нефти и газа.

Работы Сергея Алексеевича по теории гидроразрыва нефтяных пластов стали классическими, а сам он благодаря им получил широкую известность среди ученых – нефтяников, в чем мы смогли убедиться спустя 30 лет, когда САХ вновь вернулся к вопросам разработки нефтяных месторождений.

В конце 1987 г. Сергей Алексеевич пришел в лабораторию и стал увлеченно рассказывать о заседании Комитета по науке и технике СССР, которое состоялось накануне и на котором он присутствовал. На заседании обсуждался вопрос об эксплуатации нефтяного месторождения Тенгиз, располагающегося  в Западном Казахстане на берегу Каспийского моря. Открытое в 1979 году оно является одним из крупнейших нефтяных месторождений в мире, площадь его составляет около 365 квадратных километров. Мощность нефтяного пласта достигает огромной величины в 1,6 километра. Кровля ме-сторождения находится на глубине примерно 4 км, а пластовое давление нефти достигает 800 ат, т.е. вдвое превосходит гидростатическое давление, при котором нефть находится в большинстве месторождений.
 
Проектом разработки месторождения Тенгиз предусматривалось, что длительный период добыча нефти будет происходить при постепенном снижении пластового давления до 500 ат за счет упругой энергии нефти и грунтового скелета. В связи с этим возникли опасения, что, учитывая очень большую мощность пласта, столь значительное снижение давления нефти в пласте может привести к большим объемным деформациям залежи и, как следствие, к существенным просадкам дневной поверхности над месторождением. Различные специалисты давали оценки этим просадкам от 7 до 15 м. Учитывая рельеф местности (степь) и то, что уровень суши в районе месторождения лишь незначительно выше уровня моря, такие просадки земной поверхности могли бы привести к затоплению месторождения.

Бывший в то время министром нефтяной промышленности СССР Василий Александрович Динков, хорошо знавший С.А.Христиановича по прежней совместной работе, обратился к нему с просьбой разобраться в этом вопросе. Сергей Алексеевич, следуя своей привычке, высказал пожелание познакомиться с состоянием вопроса на месте. Такая возможность ему была предоставлена, и в январе 1988 г. он полетел на Тенгиз в сопровождении нескольких руководящих работников министерства.
 
В ходе знакомства с месторождением САХу рассказали об аварии, произошедшей летом 1985 г. на скважине № 37, и это событие во многом определило направление работ Сергея Алексеевича на поледующие годы. Подробно об этой аварии будет рассказано ниже.

После поездки на Тенгиз Сергей Алексеевич практически полностью переключился на нефтяную тематику. И в первую очередь он обратил свое внимание на вопросы деформирования и разрушения коллекторов нефтяных и газовых месторождений при снижении пластового давления.
 
Может показаться странным, но в то время эти вопросы оказались мало изученными. Деформации и разрушение грунта исследовались в связи с бурением и обустройством скважин, а также проведением гидроразрыва пластов. Традиционные методы разработки месторождений опирались на расчеты фильтрации и газа в не деформируемой или слабо деформируемой среде. Сам Сергей Алексеевич связывал данное обстоятельство с тем, что в течение длительного промежутка времени при эксплуатации нефтяных месторождений старались поддерживать пластовое давление постоянным путем закачки воды на контуре месторождения или разрезая его на части рядами нагнетательных скважин.

В работе "Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения. (Совместно с Ю.Ф.Коваленко). ФТПРПИ, 1990, № 1." САХ предложил совершенно новый подход к изучению вопросов деформации и разрушения грунтового скелета при упругом режиме эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, т.е. при постепенном понижении пластового давления. Во главу угла он поставил структуру грунтового скелета и показал, что она является определяющей для правильного понимания  многих явлений, происходящих в пластах при добыче нефти и газа. В этой работе  САХом введено представление о нефтяном или газовом коллекторе как о микротрещиноватой пористой среде, фильтрационные каналы которой представляют собой уплощенные трещиноподобные образования. Микротрещиноватый пористый коллектор состоит из прижатых друг к другу зерен, значительная часть поверхности которых образует поверхности контакта  между зернами, которые рассматриваются как щели контакта между шероховатыми поверхностями зерен. Другая часть поверхности зерен ограничивает поры, содержащие основную долю нефти или газа в коллекторе. Такое представление о структуре грунтового скелета в корне меняет характер зависимости объема порового пространства и возникающих при этом деформаций коллектора  целом от изменения давления в пласте.

В "Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения. (Совместно с Ю.Ф.Коваленко). ФТПРПИ, 1990, № 1." Сергей Алексеевич высказал важную мысль о том, что для определения прочностных и деформационных характеристик, необходимых для описания поведения зернистых сред, требуется создание специальной экспериментальной установки: «Прежде всего важно оценить деформацию грунтового скелета и уменьшение порового пространства, которые происходят за счет упругой деформации, а затем и изменения, происходящие за счет разрушения. Оценку упругой деформации и необратимых процессов разрушения можно получить, подвергая образцы породы всестороннему сжатию и затем разгрузки, измеряя при этом деформацию. Для этого нужны образцы достаточно большого размера, не подвергшиеся значительному разрушению при бурении и разгрузке от напряжений. Для испытаний необходим пресс, позволяющий производить нагружения независимо по трем главным направлениям». Такая уникальная установка (Испытательный стенд трехосного независимого нагружения или сокращенно ИСТНН), позволяющая нагружать кубические образцы с гранью 50 мм независимо по трем осям и при этом измерять проницаемость образцов, благодаря усилиям Сергея Алексеевича была создана в Институте проблем механики, и в настоящее время после существенной модернизации успешно  эксплуатируется.

Надо сказать, что предложенный Сергеем Алексеевичем подход  к описанию деформационных и  фильтрационных процессов в нефтяных пластах во многом опирался на представления, разработанные им в процессе работы над решением проблемы внезапных выбросов угля, породы и газа. В первую очередь это относится к механизму растрескивания и разрушения угля и горных пород при неравномерной разгрузке угольных и нефтяных пластов от горного давления. Кроме того, испытательный стенд ИСТНН, на котором проводились испытания кернового материала из коллекторов нефтяных месторождения, был создан и первоначального использовался для исследования прочностных и деформационных свойств углей и моделирования процесса развития внезапного выброса.

Разработанный САХом подход позволил дать оценку ожидаемых просадок земной поверхности в районе Тенгизского месторождения. Оказалось, что при понижении пластового давления на 500 ат возможные просадки кровли месторождения не превысят 1–2 м, так что просадок земной поверхности над месторождением опасаться не следует. Этим вопрос об опасности затопления Тенгиза был закрыт.

Развитые С.А Христиановичем представления о структуре порового пространства грунтового скелета дают основу для создания новых технологий, направленных на повышение нефтеотдачи пластов и увеличение продуктивности скважин, во многих случаях более эффективных, чем ныне существующие методы. До настоящего времени при эксплуатации нефтяных месторождений широко используется метод вытеснения нефти водой, закачиваемой через нагнетательные скважины, при сохранении пластового давления постоянным. Однако, расчеты и измерения показывают, что, учитывая чрезвычайную макронеоднородность нефтяных пластов, можно во многих случаях, сочетая вытеснение нефти водой с процессами понижения пластового давления и используя при этом энергию растворенного в нефти газа, упругую энергию нефти и грунтового скелета, существенно повысить нефтеотдачу, то есть полноту извлечения нефти из пласта. Кроме того, в определенных условиях возможно получить дополнительную нефть из уже заброшенных и обводненных месторождений. В "О повышении нефтеотдачи нефтяных пластов. (Совместно с Ю.Ф.Коваленко). Нефтяное хозяйство. 1988, № 10." предложен способ повышения нефтеотдачи пластов, основанный на таком подходе.

Проведенные под руководством С.А.Христиановича исследования по изучению процессов фильтрации жидкости, газа и газожидкостной смеси в коллекторах нефтяных и газовых месторождений с учетом микроструктуры порового пространства грунтового скелета, а также процессов деформирования и разрушения грунтового скелета при снижении пластового давления нефти и газа в процессе эксплуатации, показали, что важнейшей для понимания всех явлений является микроструктура порового пространства, ее схематизация, например, как микротрещиноватой пористой среды. Учет реальной структуры порового пространства привел к необходимости пересмотра основных положений, принятых в этих областях. Особенно это коснулось теории фильтрации. В результате была составлена система уравнений теории фильтрации, непосредственно учитывающая структуру порового пространства и отличающаяся во многих практически важных случаях от обычной "Об основах теории фильтрации. ФТПРПИ, 1989, № 5.".

Перечисленные выше работы были выполнены Сергеем Алексеевичем в конце 80-х годов прошлого века. Но основной проблемой, которой он посвятил последние 10 лет своей жизни, является создание и внедрение нового способа повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода георыхления.

Основой для разработки метода георыхления послужил анализ бурения аварийной скважины N 37 на месторождении Тенгиз, с обстоятельствами которой он познакомился в ходе своей поездки на Тенгиз в январе 1988 г., о которой упоминалось выше.

Скважина № 37 вскрыла прикровельную часть продуктивной толщи пласта всего на 3 - 4 метра, после чего произошло интенсивное поглощение пластом бурового раствора, заполнявшего скважину. В результате уровень бурового раствора в скважине упал, что привело к значительному падению его давления на забое скважины. Скважина начала работать нефтью, огромное пластовое давление буквально выкинуло из скважины на поверхность 4-х километровую колонну бурильных труб, и наружу вырвался фонтан нефти и нефтяного газа. Высота горящего фонтана составила более 150 м, а аварийный дебит скважины оценивался специалистами в 12–15 тысяч кубических метров нефти и 6–8 млн. кубометров попутного газа в сутки. С таким дебитом скважина фонтанировала 400 дней, пока фонтан не удалось ликвидировать.

Первый вопрос, который возникал у специалистов – как объяснить громадный устойчивый дебит скважины, которая вскрыла лишь 3 – 4 метра пласта? Ведь средний дебит других скважин, расположенных в непосредственной близости от скв. 37, был 300 - 500 кубических метров  нефти в сутки. И это при том, что длина необсаженных участков стволов этих скважин, проходящих по продуктивной толще пласта, составляла несколько сот метров.
 
Сергей Алексеевич очень заинтересовался обстоятельствами аварии на скв. 37. Он встретился с буровиками, которые были непосредственными свидетелями аварии, и подробно расспросил их обо всех обстоятельствах, предшествовавших аварии, и о том, как протекало аварийное фонтанирование скважины.

Из всего услышанного САХ выделил три основных момента.
1. Аварии предшествовало значительное падение давления на забое скважины, вызванное поглощением бурового раствора пластом. Кроме того, уровень раствора в скважине не был вовремя восстановлен, в результате чего нефть из пласта начала поступать в скважину, еще больше облегчая столб жидкости.
2. Нарастание дебита скважины происходило довольно длительное время (около 2 суток).
3. Развитие фонтана сопровождалось выносом из скважины большого количества породы, так что ее окрестности оказались буквально засыпаны породой, вынесенной из скважины.

Кроме того, оказалось, что на месторождении Тенгиз имелось еще несколько скважин, продуктивность которых на порядок выше остальных. Анализ журналов бурения и дел этих скважин позволил выяснить, что при их бурении имели место сильные поглощения бурового раствора и, как следствие, резкое падение давления на забое скважин.

Сопоставив все факты, Сергей Алексеевич предложил свое объяснение аварии на скв. 37, которое заключается в следующем.

Произошедшее  после вскрытия пласта интенсивное поглощение пластом бурового раствора привело, как отмечалось выше, к значительному падению давления на забое скважины и, как следствие, перестройке действующих в ее окрестности напряжений, (рис.1). При этом напряжения, действующие в радиальном направлении на стенке скважины, уменьшились, а кольцевые напряжения  - увеличились. В результате касательные напряжения, равные полуразности указанных напряжений, резко возросли, что вызвало разрушение (растрескивание, разрыхление) породы в некоторой области вокруг скважины и значительное повышение проницаемости в этой зоне (САХ называл эту область каверной). Дальнейшее облегчение столба жидкости в скважине за счет поступления в нее нефти из пласта привело к дальнейшему увеличению касательных напряжений в окрестности скважины и, как следствие, росту области разрушения и дебита скважины. Этот процесс сопровождался выносом разрушенной породы из скважины и продолжался до тех пор, пока размер зоны разрушения породы вокруг скважины не достиг предельной величины, определяемой прочностью породы, гидродинамическим сопротивлением пласта и скважины потоку нефти и пр. 

Для проверки этой гипотезы были проведены испытания кернового материала из Тенгизского месторождения на установке ИСТНН, которая к тому времени уже была создана в Институте проблем механики. Как отмечалось выше, ИСТНН позволяет нагружать образцы горной породы (кубики с гранью 4 или 5см) независимо в трех направлениях. Это открывает возможность полностью воспроизводить в лаборатории реальные ситуации, возникающие в окрестности нефтяных и газовых скважин при их бурении, освоении и эксплуатации, и исследовать при этом влияние возникающих напряжений на процессы деформирования и разрушения породы в этих областях. Кроме того, ИСТНН одновременно позволяет регистрировать изменение  проницаемости образцов в процессе их нагружения.

Опыты проводились на образцах, изготовленных из кернового материала, отобранного из скв. № 8. В ходе эксперимента в образцах создавалось напряженное состояние, соответствующее тому, которое возникает вблизи открытого участка ствола скважины при снижении давления на забое. В ходе опытов измерялась проницаемость образцов.

В результате испытания образцов был обнаружен чрезвычайно важный факт: при достижении касательными напряжениями в образце величины около 25 МПа, что соответствовало понижению давлению в скважине на 10 МПа, происходило скачкообразное увеличение проницаемости образцов более, чем в 200 раз. При возвращении образца в состояние всестороннего равнокомпонентного сжатия проницаемость падала, но оставалась более, чем в 50 раз выше исходной. Процесс увеличения проницаемости образца сопровождался микрорастрескиванием породы, в результате чего прочность образцов существенно уменьшалась, вплоть до их разрушения. Это неизвестное ранее явление необратимого скачкообразного увеличения проницаемости породы при возникновении в ней касательных напряжений достаточной величины было названо Сергеевичем Алексеевичем георыхлением

Таким образом, результаты испытания кернового материала на установке ИСТНН полностью подтвердили гипотезу Сергея Алексеевича о причинах аварии на скв. № 37. Его вывод о том, что создание в прискважинной зоне пласта напряжений определенного уровня может приводить к растрескиванию и разрушению породы в этой зоне и, как следствие, необратимому резкому увеличению проницаемости пласта и значительному увеличению дебита скважины, был положен в основу нового метода повышения продуктивности нефтяных скважин - метода направленной разгрузки пласта или метода "георыхления".

Идея метода направленной разгрузки пласта состоит в том, чтобы в некоторой окрестности скважины искусственно создавать нужное напряженное состояние и значительно увеличивать проницаемость в этой зоне за счет растрескивания и разрушения породы, что, естественно, будет приводить к росту дебита скважины при прочих прежних условиях.

Иными словами, цель метода направленной разгрузки пласта заключается в том, чтобы целенаправленно создавать в пласте  условия, которые при аварии на скважине № 37  возникли случайно. Использованию метода направленной разгрузки пласта на конкретном месторождении должно предшествовать испытание на установке ИСТНН серии образцов породы, отобранных из нескольких скважин этого месторождения, соответствующие расчёты и моделирование, что даст возможность выбирать оптимальные параметры реализации метода и не допускать аварий, подобных 37 скважине.

Надо сказать, что в 1990 г. практически уже была достигнута договоренность об апробации метода направленной разгрузки пласта на Тенгизском месторождении. Сергей Алексеевич сам летал на Тенгиз, чтобы обсудить условия испытания нового способа и выбрать для этого подходящие скважины. И это несмотря на то, что ему было уже 82 года, а добираться тогда до Тенгиза было довольно сложно.

К сожалению, планам не удалось сбыться, поскольку вскоре для разработки Тенгиза была создана совместная компания с американской фирмой «Шеврон», и все исследовательские работы на месторождении были прекращены.

Надо сказать, что Сергей Алексеевич в то время буквально горел своими идеями о повышении эффективности разработки месторождений нефти и газа. Особое значение он придавал методу направленной разгрузки пласта как принципиально новому подходу к проблеме увеличения дебита скважин. После неудачных попыток провести опытнопромысловые испытания метода   на Тенгизе, САХ обратился с аналогичными предложениями к руководству только что созданной нефтяной компании ЛУКОЙЛ. И здесь он встретил понимание и заинтересованность. Особенно поддержал идеи Сергея Алексеевича бывший тогда вице-президентом ЛУКОЙЛа по добыче нефти Виталий Федорович Лесничий. Он предложил опробовать метод направленной разгрузки пласта на их месторождениях в Западной Сибири.

Нам был предоставлен керновый материал из ряда месторождений объединений «Когалымнефтегаз» и «Урайнефтегаз». В отличие от Тенгизского месторождения, коллектор которого сложен известняками, месторождения в Западной Сибири представляют собой песчаники различной глинистости и зернистости. Глубина их залегания колеблется в пределах от 2 до 3 километров, а начальное пластовое давление нефти равно гидростатическому на данной глубине.

Испытания образцов породы на установке ИСТНН выявили еще одно интересное явление, касающееся изменения проницаемости породы в окрестности скважины при увеличении депрессии на забое скважины (депрессия – это разность между пластовым давлением нефти и давлением на забое скважины). Оказалось, что создание в скважине депрессии в диапазоне 60 – 90 ат  приводит к необратимому уменьшению проницаемости породы в ее окрестности. Особенно ярко это проявляется в высокоглинистых песчаниках и связано, очевидно, с пластическим деформированием глин под действием возникающих в пласте касательных напряжений, приводящему к затеканию фильтрационных каналов.

Следствием такого ухудшения проницаемости породы в окрестности скважин является необратимое уменьшение их продуктивности. Кстати, факт значительного необратимого уменьшения дебита скважины при создании больших депрессий неоднократно наблюдался на практике, и у нефтяников даже появился соответствующий термин «схлопывание пласта».

Но главное, что было установлено в результате проведения опытов на ИСТНН, расчётов и моделирования, заключалось в том, что при создании на забое скважин еще больших депрессий (90 – 110 ат) в образцах начинался процесс трещинообразования и разрушения ("георыхления"), в результате чего их проницаемость многократно возрастала. Применительно к скважинам это означало, что при создании на забое скважин депрессий больше 90 ат проницаемость пласта в их окрестности должна резко возрастать, что должно приводить к значительному необратимому росту дебита скважин.

Таким образом, результаты испытаний образцов породы на установке ИСТНН показали, что метод направленной разгрузки пласта (метод "георыхления") может быть с успехом применен для увеличения дебита скважин на месторождениях Западной Сибири. Поэтому в 1997 г. руководством НК «ЛУКОЙЛ» было принято решения о проведении опытно-промысловых испытаниях метода георыхления. Причем Сергею Алексеевичу удалось убедить В.Ф. Лесничего, что в ходе этих испытаний целесообразно провести гидродинамические исследования на скважинах, которые должны были подтвердить (или опровергнуть) результаты лабораторных исследований на установке ИСТНН.
 
Опытные работы было решено провести на Сыморьяхском месторождении ООО «Урайнефтегаз». Это месторождение в то время только вводилось в эксплуатацию и на нем возникли проблемы, связанные с недостаточно высокими по сравнению с ожидаемыми дебитами скважин. В качестве объекта работ была выбрана вновь пробуренная скважина 7197, освоение которой было решено провести с использованием метода георыхления. С этой целью был составлен план работ на скважине, которым предусматривалось последовательное создание на забое скважины депрессий 30 ат, 60 ат и 100 ат и проведение на этих депрессиях гидродинамических исследований. Надо сказать, что скважина 7197 относилась к числу малоперспективных, и ее ожидаемый дебит оценивался в 6 куб.м в сутки.

Работы на скважине проводились в декабре 1997 г. и дали следующие результаты. При создании на забое скважины депрессии 30 ат ее дебит составил 4 куб.м в сутки, при увеличении депрессии до 60 ат дебит уменьшился в два раза и составил 2,1куб. м в сутки, но после достижения депрессии 96 ат дебит скважины резко возрос и достиг 24 куб.м в сутки. Таким образом, результаты испытаний метода георыхления полностью подтвердили предварительные выводы, полученные на основе испытаний кернового материала на установке ИСТНН.

На основании испытаний метода георыхления на скв. 7197, которые были признаны очень успешными, было решено продолжить работы по опробованию метода георыхления на месторождениях НК «ЛУКОЙЛ» в 1998 г. Однако финансовый кризис стал причиной того, что практически все работы на месторождениях по бурению новых и капитальному ремонту старых скважин были прекращены.

Работы по методу направленной разгрузки пласта были возобновлены в конце 1999 г. Он успешно применялся на целом ряде месторождений Западной Сибири и Пермской области при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих скважин и капитальном ремонте нагнетательных скважин.

При применении технологии направленной разгрузки пласта на скважинах были получены следующие результаты.
- «ЛУКОЙЛ – Западная Сибирь», Сыморьяхское месторождение,
эксп.скв. 7197, освоение (1997 г.): ожидаемый дебит - 6 т/сут, полученный - 24 т/сут;
эксп.скв. 7197, кап.ремонт (1999 г.): до ремонта - 3 м3/сут, после ремонта - 9 м3/сут.

- «Славнефть», Ново-Покурское месторождение,
эксп.скв. 99, кап.ремонт (1999 г.):     до ремонта - 2 м3/сут, после ремонта - 8 м3/сут.

- «РИТЭК», Кислорское месторождение,
эксп.скв. 302, кап.ремонт (2003 г.):   до ремонта - 4 м3/сут, после ремонта - 8 м3/сут;
эксп.скв. 303, кап.ремонт (2003 г.):   до ремонта - 5 м3/сут, после ремонта - 9 м3/сут.
эксп.скв. 331, кап.ремонт георыхление  + разглинизация (2003 г.):  
до ремонта - 6 м3/сут, после ремонта - 11 м3/сут;

- «ЛУКОЙЛ – Пермь», Сибирское месторождение,
нагн.скв. 310, кап.ремонт (2002 г.):   до ремонта - 8 м3/сут, после ремонта - 200 м3/сут;
нагн.скв. 310, кап.ремонт (2004 г.):   до ремонта - 5 м3/сут, после ремонта - 100 м3/сут;
нагн.скв. 301, кап.ремонт (2004 г.):   до ремонта - 6 м3/сут, после ремонта -  90 м3/сут;

Литература

1. Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения. (Совместно с Ю.Ф.Коваленко). ФТПРПИ, 1990, № 1.

2. О повышении нефтеотдачи нефтяных пластов. (Совместно с Ю.Ф.Коваленко). Нефтяное хозяйство. 1988, № 10.

3. Об основах теории фильтрации. ФТПРПИ, 1989, № 5.

Главная»История метода Георыхления
© 2008 LLC PerfoLink


создание, раскрутка и продвижение сайта, активная раскрутка сайта, изготовление сайта и раскрутка, продвижение и раскрутка сайта
Кумулятивные заряды с рельефной облицовкойМетод георыхления - новый способ повышения дебита нефтяных и газовых скважинУстойчивость стволов скважин
На главнуюКарта сайтаНаписать намEnglish version