CC BY
95
УДК 539. 375
В.А. Павлов, С.В. Сердюков, П.А. Мартынюк ИГД СО РАН, Новосибирск
МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ ПРОНИЦАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
V.A. Pavlov, S.V. Serdjukov, P.A. Martynjuk
Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, Russia
Krasniy prospect 54, Novosibirsk, 630091, Russian Federation
THE METHOD OF STRESS CONDITION’S EVALUATION OF DEEP-LAYING PERMEABLE ROCK
The technique of the evaluation of the permeable rock stress condition is designed. This technique involves the integration tests of the hydraulic fructuring and deformative measurements. The mathematical model is created and numerical experiments, which show the possibility of the technique’s applying to estimate the stress condition are carried out.
Исходное напряженное состояние горного массива является одним из главных факторов, определяющих фильтрационные и деформационные процессы в горных породах. Природное поле напряжений при разработке месторождений углеводородов оценивают чаще всего по результатам гидроразрыва. Основу измерительного гидроразрыва составляет то, что критические давления зависят не только от прочности пород, но и от уровня действующих в них напряжений. При этом возможность проведения повторных нагружений выбранного интервала скважины, а также управление режимом нагнетания позволяют выделить на диаграммах “давление-время” характерные значения этих параметров, которые затем интерпретируются в терминах напряжений (лучше: интерпретируются терминами напряжений), действующих в породном массиве. К таким значениям относятся (рис. 1):
Рь - давление разрыва пород при первом нагружении;
Рг - давление раскрытия трещины при повторных нагружениях;
PS - давление закрытия трещины.
Величина минимального горизонтального напряжения ah, действующего в массиве оценивается по давлению мгновенного запирания трещины PS.
Помимо того, что определение PS по диаграммам гидроразрыва имеет свои особенности и существует множество графических методов его определения (рис. 1), необходимо учитывать, что если жидкость разрыва фильтруется в пласт, то PS может превышать ah. Это связано с тем, что при проникновении жидкости в породу в окрестности трещины растет пластовое давление, соответственно трещина смыкается при давлении, которое больше исходного oh. Однако, на больших глубинах при малом времени обработки (мини-гидроразрыв) и вязкой жидкости разрыва (гель) это увеличение давления обычно невелико относительно исходного поля напряжений. По этой причине можно в первом приближении принять, что Oh~ PS. Однако, если
испытания проводятся в высокопроницаемых горных породах, то, очевидно, что из-за больших утечек рабочей жидкости в массив определяемое давление Ре будет недостоверным или вообще неопределимым.
Время
Рис. 1. Диаграмма давление-время с характерными точками
Для решения проблемы оценки напряженного состояния массива глубокозалегающих проницаемых горных пород предложена методика, основанная на комплексных исследованиях гидроразрывом и деформационными измерениями. Суть методики заключается в следующем: на первом этапе установкой для гидроразрыва с высокой скоростью подачи рабочей жидкости в исследуемый интервал скважины создается система протяженных трещин; на втором этапе установкой с изолирующей оболочкой проводится нагружение стенок скважины, и по фиксируемым диаграммам «давление-объем» оценивается напряженное состояние в массиве. Так как в алгоритме определения напряженного состояния используются деформационные измерений, необходимо знать механические константы горных пород, в которых производятся испытания. Как и в классической методике определения напряжений гидроразрывом регистрируется Рг, а вместо Р8 используются зависимости раскрытия существующих трещин от давления жидкости в скважине. Процесс нагружения интервала скважины установкой с изолирующей оболочкой можно разбить на два этапа: давление в установке меньше Рг можно использовать для получения величины модуля Юнга; давление больше чем Рг используется как дополнительный параметр системы, необходимый для определения напряженного состояния массива.
Разработана математическая модель и проведено численное моделирование, которые показывают возможность применения
предложенной методики для получения информации о напряженном состоянии массива. Численное моделирование и интерпретация полученных данных были произведены в упрощенной постановке, когда система состоит из двух противоположно направленных прямолинейных трещин, длины которых много больше радиуса скважины и они ориентированы по направлению максимального сжатия.
Решена следующая задача: пусть имеется скважина в массиве горных пород, в котором действуют постоянные напряжения, вызванные гравитационными и тектоническими силами. Созданы две симметричные трещины, ориентированные вдоль направления действия максимального сжатия, длины которых много больше радиуса скважины. На интервале скважины протяженностью много больше ее диаметра имеется непроницаемая оболочка (радиальное нагружение стенок скважины), которая препятствует проникновению жидкости в массив и в раскрываемую трещину. Задача состоит в оценке параметров внешнего поля р0 - максимального сжимающего напряжения, действующего в массиве, и д0 - минимального сжимающего напряжения, действующего в массиве (р0 > д0; д0/р0=а) по изменению объема, вызванного раскрытием трещины [у]А на контуре скважины. Задача решена методом интегральных сингулярных уравнений. На основе решения выполнено расчетное математическое моделирование. В ходе решения получены численные и аналитические зависимости. Показана зависимость получаемых диаграмм “давление-раскрытие трещины” от напряжений, действующих в массиве. Используя расчетные данные построены графики (рис. 2) приращения площади поперечного сечения
скважины от давления в скважине, обезразмеренного на величину
£ скв
давления, при которой происходит раскрытие трещины на контуре отверстия,
при а=0.5^1 ( а = — = 0.5 ^ 1 ). Где а0 - давление в скважине, а* -
Р о
давление раскрытия трещины при повторных нагружениях Рг. Изменение
£
площади поперечного сечения скважины вызвано раскрытием трещины
£ скв
[у]А на контуре отверстия при увеличении длины открытой трещины и деформациями стенок скважины, вызванными нагружением. При расчетах учитывались оба этих процесса (принимались Е=34010 Па; и =0,3; где и -коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга). Sобщ. - общая площадь скважины, деформированной под воздействием внешнего поля и внутреннего давления с учетом раскрытия трещин на контуре скважины, Sскв. - площадь скважины при раскрытии трещины [V ]А =0.
Видно, что при постоянном угловые коэффициенты графиков резко
отличаются. Причем существенное различие в угловых коэффициентах графиков наблюдается при всех значениях . Полученные результаты
показывают высокую чувствительность величины раскрытия трещины на контуре отверстия к напряжениям, действующим в массиве, что позволяет, используя данный фиксируемый параметр, находить поле напряжений, действующее в массиве. Выполнен анализ влияния погрешностей измерения механических констант горных пород и давления Рг на конечные величины напряжений, получаемых предложенной методикой. Даже с учетом этих погрешностей действующий в массиве режим напряженного состояния четко определяется.
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 /20
°ь/
/<х*
£ /
Рис. 2. Зависимость площади сечения скважины от °у (где линия 1 -
£ скв
соответствует а=1, линия 2 - а=0.7, линия 3 - а=0.5)
Практическая реализация предлагаемой методики включает создание в исследуемом интервале скважины, сложенном высокопроницаемыми горными породами, двух симметричных протяженных трещины. Как и в классической методике предполагается, что трещины растут в направлении действия максимального сжимающего напряжения. Создание трещин производится установкой с высокой скоростью нагнетания рабочей жидкости в скважину и большим расстоянием межпакерного интервала. Такое нагнетание возможно установкой для классического гидроразрыва, но с использованием электронасоса высокой производительности, или помещением в скважину пневмо-гидроаккумулятора, позволяющего накапливать большой объем рабочей жидкости под высоким давлением и мгновенно впрыскивать в рабочий интервал скважины. Использование пневмо-гидроаккумулятора позволяет избежать проблемы расхода объема жидкости на заполнение скважинного трубопровода. Высокая скорость нагнетания ведет к возможности создания протяженных трещин, длина
которых много больше радиуса скважины. Большее расстояние межпакерного интервала позволяет упростить монтаж установки с изолирующей оболочкой в исследуемый интервал скважины, где созданы протяженные трещины. После создание протяженных трещин в интервал скважины помещается устройство с изолирующей оболочкой. Предполагается, что трещины обладают достаточно большой длинной, чтобы в процессе нагружения установкой с изолирующей оболочкой они только раскрывались, но не увеличивали свою длину. На данном этапе производится измерение параметров раскрытия системы трещин. Регистрируемым параметром являются диаграммы «давление - объем». На полученных диаграммах регистрируется давление Рг. Далее в интервал скважины подается заданный объем жидкости и фиксируется рост давления в скважине - это позволяет получить дополнительные точки и использовать их при определении напряжений в массиве. Определение направления следа трещины производится за счет отпечатка следа трещины мягкой резиной в верхнем слое изолирующей оболочки, аналогично импрессионным пакерам.
Для использования предлагаемой методики необходима информация о механических константах и - коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга горных пород, в которых пройдена скважина. Получение этой информации возможно как с использованием скважинных геофизических методов (акустический и ультразвуковой), так и использованием устройства с изолирующей оболочкой для деформационных измерений на интервале нагружения до раскрытия трещины гидроразрыва на контуре отверстия.
Выводы
Создана методика, позволяющая проводить мониторинг напряженного состояния массива, сложенного высокопроницаемыми горными породами. Численными расчетами разработанной математической модели доказана возможность использования величины приращения площади сечения скважины в результате раскрытия трещины от давления жидкости для оценки поля действующих напряжений. Приращение площади сечения скважины за счет раскрытия трещины вносит существенный вклад в общее изменение площади сечения и равнозначно с приращениями, вызванными упругими деформациями.
© В.А. Павлов, С.В. Сердюков, П.А. Мартынюк, 2009
