Нефтегазовая геомеханика

 
М. М. Алиев, А. А. Лутфуллин, З. Ф. Исмагилова  
 
 
 
 
 
 
 
 
НЕФТЕГАЗОВАЯ ГЕОМЕХАНИКА 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 622.01 
ББК 33.1 
         А50 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Алиев, М. М. 
А50 
 
Нефтегазовая геомеханика : учебное пособие / М. М. Алиев,  
А. А. Лутфуллин, З. Ф. Исмагилова. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. – 160 с.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0497-6 
 
Рассмотрены методы и задачи геомеханики, решение которых требуется 
при бурении скважин и разработке нефтяных и газовых месторождений. Приведены геомеханические модели породных массивов. Даны критерии прочности и разрушения горных пород. Раскрыты вопросы геомеханики многослойных пород. 
Для студентов нефтегазовых направлений подготовки, а также работников 
инженерно-технических специальностей.  
 
УДК 622.01 
ББК 33.1 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0497-6 
” Алиев М. М., Лутфуллин А. А., Исмагилова З. Ф., 2020 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие 
................................................................................................................. 4 
Глава 1. Введение в геомеханику ........................................................................... 7 
1.1. Наука геомеханика ........................................................................................... 7 
1.2. Методы геомеханики ....................................................................................... 9 
1.3. Задачи геомеханики ....................................................................................... 10 
 
Глава 2. Напряженное состояние  ........................................................................ 12 
2.1. Напряжение в точке. Тензор напряжений ................................................... 12 
2.2. Виды напряженного состояния. Ориентация напряжений 
в горном массиве. Круг напряжения Мора 
......................................................... 16 
2.3. Напряжение в горных породах ..................................................................... 25 
2.4. Поровое (пластовое) давление ...................................................................... 28 
2.5. Полное и эффективное напряжение ............................................................. 29 
2.6. Коэффициент пороупругости или коэффициент Биота ............................. 30 
 
Глава 3. Деформация и прочность горных пород  ........................................... 35 
3.1. Деформация в упругой стадии 
...................................................................... 35 
3.2. Статический модуль упругости и коэффициент Пуассона 
........................ 40 
3.3. Модуль сдвига ................................................................................................ 41 
3.4. Обобщенный закон Гука ............................................................................... 42 
3.5. Модуль объемной деформации 
..................................................................... 45 
3.6. Определение деформационных свойств горных пород ............................. 47 
3.7. Упругое распространение волн в горных породах.  
Динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона ........................... 52 
3.8. Прочностные свойства горных пород и методы их определения ............. 56 
 
Глава 4.  Геомеханические модели породных массивов ................................. 64 
4.1. Модели сплошной среды 
............................................................................... 64 
4.2. Принципы построения расчетных и структурных моделей 
горных пород ......................................................................................................... 65 
3 

4.3. Геомеханические модели .............................................................................. 66 
4.4. Модели нарушения поля напряжения у разломов ...................................... 71 
4.5. Физические уравнения, определяющие геомеханические модели ........... 74 
 
Глава 5. Критерии прочности и разрушения горных пород .......................... 76 
5.1. Назначение критериев прочности ................................................................ 76 
5.2. Критерии прочности и разрушения Кулона – Мора 
................................... 78 
5.3. Графический способ вывода критерия Кулона – Мора ............................. 79 
5.4. Критерий Отто Мора 
...................................................................................... 81 
5.5. Критерий Моги (Моджи) – Кулона .............................................................. 83 
 
Глава 6. Геомеханика в бурении .......................................................................... 85 
6.1. Распределение напряжений в открытом стволе скважины ....................... 85 
6.2. Устойчивость ствола скважины. Определение безопасного окна  
бурового раствора из критерия Кулона – Мора.  
Многоугольник устойчивости ............................................................................. 92 
6.3. Геомеханическое сопровождение бурения 
.................................................. 99 
 
Глава 7. Геомеханика при добыче углеводородов 
.......................................... 103 
7.1. Пескопроявление. Определение критической депрессии 
........................ 103 
7.2. Уплотнение коллектора и оседание земной поверхности ....................... 108 
 
Глава 8. Геомеханика и гидроразрыв пласта 
.................................................. 111 
8.1. Введение 
........................................................................................................ 111 
8.2. Условия для разрушения при растяжении 
................................................. 112 
8.3. Ориентация, рост и удержание трещин. Трещиностойкость .................. 117 
8.4. Закрытие трещины ....................................................................................... 120 
 
Глава 9. Геомеханика многослойных пород. ................................................... 130 
9.1. Многослойные горные породы 
................................................................... 130 
9.2. Подготовка образцов кернов слоистых (сланцевых пород)  
для экспериментальных исследований. ............................................................ 133 
9.3. Исследования и анализ геомеханических характеристик  
слоистых пород 
.................................................................................................... 137 
 
4 

9.3.2. Экспериментальные исследования образцов  
на одноосное сжатие ..................................................................................... 142 
9.4. Линейная модель сдвигового разрушения слоистой породы 
.................. 144 
9.5. Нелинейная геомеханическая модель сдвигового разрушения  
многослойной горной породы 
............................................................................ 148 
9.6. Определение прочностных показателей, входящих  
в критерий (9.5.11) .............................................................................................. 152 
9.7. Применение предложенного критерия к задаче устойчивости  
скважин 
................................................................................................................. 154 
Библиографический список 
................................................................................ 125
5 

 
 
 
 
Предисловие 
 
Настоящее учебное пособие посвящено задачам геомеханики, решение которых требуется при бурении скважин и разработке нефтяных и газовых месторождений. Чтобы различать геомеханику в области добычи твердых полезных 
ископаемых от геомеханики, изучающей процессы в более крупных масштабах, 
это пособие называется «Нефтегазовая геомеханика». Тем самым обозначаются 
и конкретизируются задачи, решением которых занимается эта дисциплина. 
Полное отсутствие учебников и учебных пособий в России по данной теме 
в нефтегазовой отрасли затрудняет освоение студентами-бакалаврами, магистрами, а также инженерно-техническими работниками вопросов, связанных с 
геомеханическим моделированием процессов бурения скважин и добычи углеводородов. 
Известные работы зарубежных авторов в данном направлении, скорее всего, носят характер монографии, а не учебников. Читателям, не имеющим базовое знание в области механики деформируемого твердого тела и в других 
смежных дисциплинах, сложно ориентироваться в таких монографиях и применять полученные знания при решении практических задач. 
Несмотря на то, что в настоящее время распространены многочисленные 
курсы – тренинги, тематика которых совпадает с названием пособия, эффективность таких курсов не высока из-за краткости срока их проведения и отсутствия начальных знаний в этой области. 
Считаем, что появление учебного пособия должно способствовать изучению основного материала для дальнейшего усовершенствования и закрепления 
знаний в областях механики геоматериалов в нефтегазовой отрасли. 
 
 
 
 
6 

 
 
 
Глава 1.  
ВВЕДЕНИЕ В ГЕОМЕХАНИКУ 
 
1.1. Наука геомеханика 
 
Целью геомеханики является: 
 предсказание развития напряженно-деформированного состояния (НДС) 
земной коры; 
 изучение механических свойств горных пород; 
 решение конкретных задач, возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и задач, связанных с интенсификацией добычи. 
По определению геомеханика – это теоретическая и прикладная наука, одним из научных направлений которой является механика горных пород, задачи 
которой по существу схожи с задачами геомеханики, но отличаются масштабом 
рассматриваемых явлений. 
Изначально геомеханика активно применялась только в горно-граж- 
данском строительстве, например, при проектировании оснований сложных 
гидротехнических сооружений, и только в 80-х годах прошлого века она начала 
завоевывать популярность в нефтегазовой отрасли для решения указанных выше задач. 
Для геомеханики в общем случае характерными объектами изучения являются крупномасштабные объекты: континенты, многокилометровые толщи 
земной коры. Нефтегазовая геомеханика в основном изучает породные массивы 
в меньшем масштабе, размеры которых определяются степенью влияния производственных процессов, происходящих в коллекторе или вокруг скважин в 
процессе бурения. 
Отставание в развитии геомеханики в нефтегазовой области связано с тем, 
что скважины имеют небольшие диаметры стволов и разрушение их по той или 
иной причине не приводит к таким крупномасштабным катастрофам, как в области добычи угля и других полезных ископаемых, извлекаемых открытым или 
закрытым способами. 
Кроме того, потеря устойчивости стенок скважин не представляет опасность для жизни людей. В этом случае геомеханика не участвует непосред7 

ственно в проблемах безопасности и связана с другими аспектами, например, с 
повышением продуктивности за счет гидроразрыва пластов. 
Сегодня часто можно слышать о том, что углеводородов, добыча которых 
осуществляется традиционными способами, остается все меньше и меньше.  
И поэтому все нефтяные компании России создают научные центры для исследования геомеханических процессов в месторождениях с остаточными запасами. 
В тех странах, где изначально извлечение углеводородов не могло осуществляться традиционными методами, нефтегазовая геомеханика широко развита вследствие огромного финансирования в области новых технологий, без 
которых добыча нефти и газа была бы нерентабельной. Основой таких разработок является нефтегазовая геомеханика. 
В нефтегазовой геомеханике наиболее успешным, с точки зрения точности 
полученных результатов, будет обладание горной породой однородностью 
свойств.  
Трещиноватость, которая связана с дискретностью, трудно поддается моделированию, хотя при виде обнажений коренных пород невооруженному глазу 
заметно их наличие. Часто эти трещины составляют определенную систему в 
направлениях и расстояниях между ними, так что геологи утверждают, что 
здесь присутствует своя логика. 
Однако модель горной породы с однородными свойствами, которая применяется в дизайнах ГРП, можно применять с получением точных результатов: 
 если рассматриваются такие горные породы, как мел, соль, эваподиты; 
 если трещины расположены на расстоянии в несколько метров друг  
от друга, когда рассматривается напряженно деформированное состояние (НДС) вокруг нефтяной и газовой скважины, и размеры трещин 
намного меньше, чем расстояния между ними. 
Геомеханика для решения основных задач в области добычи и изменения 
НДС в пластах в процессе извлечения углеводородов заимствует методы: 
 механики однородных или трещиноватых материалов (в основном хрупких); 
 статики и динамики сыпучих тел; 
 сопротивления материалов; 
 механики жидкостей; 
 механики грунтов; 
 структурной геологии; 
 геотектоники; 
8 

 петрофизики; 
 минералогии и др. 
Известно, что в природе существует постоянный переход между грунтами 
и горными породами. Например, лежащая на поверхности глина обладает незначительной величиной сопротивления разрушению.  
Такого же минералогического состава глина с увеличением глубины расположения превращается в твердую породу – аргиллит и сланцы различных типов.  
Ближе к поверхности такие глины обладают свойством сыпучих тел  
со слабыми механическими характеристиками, предел упругой деформации которых наступает очень быстро. В этом случае применяются методы механики 
грунтов. Если же глины уплотнены до такой степени, что их свойства резко отличаются от свойств рыхлых и сыпучих грунтов, то применяются методы классической механики горных пород. 
Нефтегазовая геомеханика, занимающаяся вопросами добычи, находится на 
стыке этих двух дисциплин, так как породы-коллекторы нередко представляют 
собой весьма твердые, но пористые образования. Породы этих резервуаров могут 
быть представлены глиной, мелом или песками, не испытывающими уплотнения 
благодаря присутствию жидкости, блокированной в порах, не сумевшей покинуть их даже на глубине 2000 метров. 
Знание поля напряжений в земной коре, в частности в нефтегазоносном 
пласте, необходимо для решения целого ряда задач разработки месторождений. 
 
1.2. Методы геомеханики 
 
Геомеханика и ее методы применяются на следующих этапах разработки: 
1. Рассматривается региональное поле напряжений для определения оптимальной схемы расположения нагнетательных и добывающих скважин. 
2. При бурении скважин необходимо подобрать вес бурового раствора в 
зависимости от горизонтальных напряжений, действующих в окрестности пробуриваемой скважины, так как неправильный выбор плотности бурового раствора приводит к обрушению стенок скважины, образованию нежелательных 
трещин. Региональное поле напряжений обуславливает траекторию ствола 
скважины. 
3. В ходе разработки месторождений на скважинах проводятся геологотехнические мероприятия (ГТМ), такие, как ГРП. Для планирования такого рода мероприятий необходимо знать главные оси тензора напряжений, действу9 

ющих в окрестности скважины на данной глубине, а также значение минимального горизонтального напряжения. 
4. В процессе разработки также необходимо контролировать такие геомеханические процессы, как проседание земной поверхности по мере отбора жидкости, и деформационные процессы, влияющие на фильтрационно-емкостные 
свойства нефтенасыщенной породы. Для решения этих задач строятся трехмерные геомеханические модели – распределения полей напряжений, действующих в области, и их динамику по ходу разработки. 
Перечисленные проблемы, возникающие в ходе разработки нефтяных  
и газовых месторождений, показывают, насколько важна информация, связанная с напряженно деформированным состоянием породных массивов  
для инженеров-нефтяников. 
Основными источниками информации для определения поля напряжений 
являются данные сейсморазведки, необходимые для построения структурной 
модели, и информация о событиях, произошедших в процессе бурения. 
При проведении анализа НДС пласта строятся так называемые геомеханические модели, включающие: 
– пространственные распределения упруго-прочностных свойств породы; 
– параметры НДС пласта. 
Рассматриваются вышеперечисленные параметры вдоль стволов уже пробуренных скважин. На их основании и с помощью данных сейсморазведки и 
геологических моделей строятся трехмерные пространственные распределения 
параметров НДС. 
В ходе добычи углеводородов происходит перераспределение горных 
напряжений в пласте, влияющее на бурение, заканчивание и производительность скважин. Эти изменения могут привести к серьезным и неопределенным 
затратам. 
Применение принципов геомеханики в нефтегазовой сфере может способствовать увеличению эффективности разведки и разработки месторождений с 
традиционными и нетрадиционными ресурсами.  
 
1.3. Задачи геомеханики 
 
С помощью геомеханики можно предсказать поровое давление. Одним  
из методов определения порового давления, отличающегося от гидростатического, является испытание в процессе бурения и после него на критическое давление гидроразрыва и мини-ГРП. Исходные параметры при этом опре10