Деформационные и фильтрационные процессы в нефтегазонасыщенных пластах

 В. И. Карев, Т. О. Чаплина 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ  
В НЕФТЕГАЗОНАСЫЩЕННЫХ ПЛАСТАХ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
1 
 

 
УДК 622.2   
ББК 33.36 
К21 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук, профессор А. Н. Галыбин;  
доктор физико-математических наук, профессор Л. А. Назарова  
 
 
 
 
 
Караев, В. И.   
 К21 
 
Деформационные и фильтрационные процессы в нефтегазонасыщенных пластах : монография / В. И. Карев, Т. О. Чаплина. – Москва ;  
Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 152 с. : ил., табл.    
ISBN 978-5-9729-0530-0 
 
Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований 
влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на проницаемость и фильтрационный процесс. Представлена математическая модель фильтрации двухфазной многокомпонентной углеводородной смеси в скважине  
с учетом структурных изменений породы под действием напряжений. Обоснована новая экологически чистая технология повышения продуктивности скважин – метод направленной разгрузки пласта – и приведены результаты ее практической реализации. 
Для научных и инженерно-технических работников нефтегазовой отрасли. 
Может быть полезно студентам нефтегазовых вузов и факультетов. 
 
УДК 622.2   
ББК 33.36 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0530-0 
” Карев В. И., Чаплина Т. О., 2021 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
 
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕОМЕХАНИКИ 
...... 18 
 
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ  
ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ СКВАЖИНЫ .................................................. 33 
1.1. Напряженное состояние в окрестности скважины при проведении  
 различных технологических операций ...................................................... 33 
1.2. Методы исследования деформационных и фильтрационных свойств 
 горных пород ................................................................................................ 46 
1.2.1. Геофизические методы исследования свойств горных пород.......... 46 
1.2.2. Лабораторные методы исследования свойств горных пород 
........... 52 
1.3. Базовые программы нагружения образцов 
................................................ 72 
 
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ  
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ  
НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 
................................ 77 
2.1. Классификация горных пород с точки зрения влияния напряжений  
 на их проницаемость 
.................................................................................... 78 
2.2. Выбор оптимальных технологических параметров при разработке  
 месторождения на основе исследования свойств породы ....................... 89 
 
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ  
В ОКРЕСТНОСТИ СКВАЖИНЫ ........................................................................... 99 
3.1. Расчет напряженного состояния и размера зоны нарушенности  
 в окрестности скважины без учета фильтрации ..................................... 100 
3.2. Учет влияния фильтрации несжимаемого флюида ................................. 103 
3.3 Влияние сжимаемости флюида и зависимости его вязкости  
 от давления на размер зоны нарушенности............................................. 109 
3.4. Влияние нестационарности течения флюида 
........................................... 113 
 
3 
 

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ 
ДВУХФАЗНОЙ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ УГЛЕВОДОРОДНОЙ  
СМЕСИ В СКВАЖИНУ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ  
ПОРОДЫ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СКВАЖИНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ 
НАПРЯЖЕНИЙ 
....................................................................................................... 117 
4.1. Интегральная и дифференциальная схемы многофазной  
 многокомпонентной фильтрации ............................................................. 118 
4.2. Оценка эффективности метода георыхления  
 на газоконденсатных месторождениях .................................................... 119 
4.3. Алгоритм расчета ....................................................................................... 127 
 
ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ  
НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН – МЕТОД ГЕОРЫХЛЕНИЯ ............. 132 
5.1. Описание технологии 
................................................................................. 132 
5.2. Практическая реализация 
........................................................................... 137 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 139 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 142 
 
Приложение 1. Система автоматического управления ИСТНН ........................ 143 
 
Приложение 2. Устройство для освоения, гидродинамических  
и геофизических исследований скважин УЭОС-4 
............................................... 147 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Повышение дебита нефтяных и газовых скважин всегда было и остается 
важнейшей проблемой нефтегазодобывающей отрасли. Простые расчеты показывают, что ухудшение фильтрационных свойств продуктивного пласта даже  
в небольшой окрестности скважины существенно снижает ее продуктивность. 
Одной из основных причин уменьшения проницаемости в призабойной зоне 
скважины (ПЗС) является кольматация при бурении. Загрязнение фильтрационных каналов происходит и при эксплуатации скважины в результате их заиливания, запарафинивания, что также приводит к уменьшению проницаемости 
породы и снижению дебитов скважин. Однако существует еще одна важная 
причина значительного падения проницаемости в окрестности скважины и, соответственно, дебита скважин – влияние напряжений на фильтрационные свойства породы. 
Проницаемость среды определяется геометрией фильтрационных каналов, силами трения, возникающими между флюидом и твердым скелетом, капиллярными силами, кроме того, при определенных условиях (больших градиентах давления) свой вклад могут вносить силы инерции. Главную роль, особенно при небольших скоростях течения флюида в пласте, которые обычно 
имеют место в нефтяных и газовых пластах при их разработке, играют размеры 
и геометрическая форма фильтрационных каналов. Именно на них существенное влияние оказывает изменение напряженно-деформированного состояния 
среды. Если фильтрационные каналы представляют собой трещины, то напряжения, нормальные к их плоскостям, и давление флюида будут менять их раскрытие. Однако если при этом не будет происходить роста трещин или смещения их берегов друг относительно друга, то такое изменение обратимо. С практической точки зрения, в частности, для увеличения нефтегазоотдачи пластов  
и продуктивности скважин большое значение имеют необратимые изменения 
проницаемости, связанные с изменением структуры среды. Такие изменения 
проницаемости могут происходить как в сторону увеличения, так и уменьшения. При наличии в составе горной породы глин, представляющих собой мелкодисперсную субстанцию, при росте касательных напряжений и смещении берегов трещин друг относительно друга будет происходить «заплывание» фильтрационных каналов и понижение проницаемости. При достижении касательных напряжений некоторого критического уровня, который определяется свойствами породы, будет происходить интенсивное неупругое деформирование, 
сопровождающееся образованием и ростом трещин, дезинтеграцией зерен 
грунтового скелета, что приведет к повышению проницаемости. Ответить на 
5 
 

вопрос, как влияет напряженное состояние на проницаемость породы конкретного месторождения, на фильтрационный процесс и, в конечном счете, на дебит 
скважин, невозможно без проведения испытаний пород и определения их 
свойств. Такую возможность предоставляет созданная в Институте проблем 
механики Российской академии наук под руководством академика С. А. Христиановича уникальная экспериментальная установка – Испытательная система 
трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Она позволяет в образцах породы создавать любые напряженные состояния, возникающие в продуктивном 
пласте в ходе проведения тех или иных технологических операций, и измерять, 
как при этом меняется ее проницаемость.  
Идея работы состоит в том, что фильтрационные течения в горных породах определяются их микро-трещиноватопористой структурой и решающую 
роль играют действующие в породе напряжения, изменения которых могут 
приводить как увеличению проницаемости, так и к ее уменьшению, причем необратимому. Растрескивание, разрыхление породы и, соответственно, необратимое увеличение проницаемости можно вызвать, используя упругую энергию, 
запасенную самой природой, – горное давление и давление пластового флюида, 
осуществляя направленную разгрузку пласта.  
Теория фильтрации начала развиваться с открытием в середине прошлого 
века французским инженером Дарси прямо пропорциональной зависимости 
между расходом жидкости через слой мелких частиц и перепадом давления. Закон Дарси имеет весьма широкую область применения, и на его основе получены основные результаты теории фильтрации, в том числе и применительно  
к нефтяным и газовым пластам. 
Развитие теории фильтрации в конце XIX и начале XX века стимулировала необходимость разработки теории движения грунтовых вод. Используя закон Дарси, французский ученый Дюпюи разработал гидравлическую (квазиодномерную) теорию установившегося течения грунтовых вод. Последующее 
развитие теории решения плоских задач установившегося течения грунтовых 
вод путем сведения уравнений движения к уравнению Лапласа связано, главным образом, с трудами австрийского исследователя Ф. Форхгеймера. Гидравлическая теория неустановившегося движения грунтовых вод была развита во 
Франции Ж. Буссинеском. 
Общепринятую в настоящее время форму уравнение, выражающее закон 
Дарси, получило в исследованиях американского гидрогеолога Ч. Сликтера. Он 
ввел коэффициент проницаемости, имеющий размерность площади, и начал 
изучение геометрии порового пространства. 
6 
 

Общие уравнения течения несжимаемой жидкости в недеформируемой 
пористой среде рассмотрены в работе Н. Е. Жуковского [1]. Для их вывода он 
использовал уравнения Эйлера, выписанные относительно осредненной скорости течения в поровых каналах с добавлением в них вместо сил вязкого трения 
объемных сил сопротивления, пропорциональных, согласно закону Дарси, скорости потока. 
Уравнения движения несжимаемой жидкости были обобщены в 20-х годах Лейбензоном [2] на течение газа. Им также впервые были введены уравнения турбулентной фильтрации. Математическая теория плоского течения несжимаемой жидкости в пористых средах получила принципиальное развитие  
в исследованиях Н. Н. Павловского [3]. Многие задачи подземной гидравлики 
были впервые сформулированы им как краевые задачи математической физики, 
для их решения он применял методы теории функций комплексного переменного. Н. Н. Павловский также практически разработал метод электрогидродинамических аналогий, который впоследствии использовался для решения задач фильтрации в нефтяном пласте. Дальнейшее развитие математической теории плоского движения несжимаемой жидкости, опирающееся на применение методов теории функций, было сделано в 30–40-х годах в работах П. Я. ПолубариновойКочиной [4], В. В. Ведерникова [5]. 
Начиная с 40-х годов, в связи с быстрым ростом масштабов нефте- и газодобычи и необходимостью разработки теории фильтрации в нефте- и газосодержащих пластах, в СССР активно развиваются методы расчета задач нефтяной 
подземной гидродинамики [6í8] и др. Существенной особенностью нефте- и газосодержащих пород, имеющих трещиноватую структуру, является то, что движение жидкости в них обеспечивается во многом благодаря наличию связной системы трещин. Основные представления теории фильтрации в трещиноватопористой среде были сформулированы Г. И. Баренблаттом, Ю. П. Желтовым, 
И. Н. Кочиной [9]. Отказавшись от различных простейших моделей пористой 
среды (идеальный грунт, фиктивный грунт и т. д.), как пригодных в основном 
для качественного рассмотрения явления фильтрации, авторы рассматривают 
трещиноватую горную породу как непрерывную сложную среду, состоящую,  
в свою очередь, из двух сред, вложенных одна в другую, каждая из которых дает вклад в суммарную пористость и проницаемость. 
Достаточно подробное изложение вопросов фильтрации жидкости и газа 
в недеформируемой пористой среде, сделанное на единой методологической 
основе, можно найти в книгах В. И. Аравина и С. Н. Нумерова [10], А. Е. Шейдегера [11], Р. Коллинза [12]. Среди крупных работ, затрагивающих важнейшие 
вопросы теории фильтрации, можно назвать также монографию М. Маскета 
7 
 

[13], освещающую движение однородной и неоднородной жидкости в пористой 
среде. Методы решения задач нестационарной фильтрации жидкости, газа и 
многокомпонентных систем довольно полно описаны в книге Г. И. Баренблатта, В. М. Ентова и В. М. Рыжика [14]. 
Учет деформаций скелета пористой среды при рассмотрении вопросов 
фильтрации проводился первоначально в рамках теории фильтрационной консолидации [15, 16]. Этот термин возник в механике грунтов и подразумевает 
процесс осадки пористой, деформируемой среды, содержащей вязкую жидкость, под действием нагрузки. В модели, лежащей в основе этой теории, грунтовый скелет предполагался линейно деформируемым, а фильтрация описывалась при помощи закона Дарси (К. Терцаги), либо уточненного с учетом деформируемости грунтового скелета закона Дарси – Герсеванова. Терцаги впервые было введено понятие эффективных напряжений. Одновременно с начала 
прошлого века развивался еще один подход к описанию механики насыщенных 
пористо-упругих сред, связанный с именем П. Филунгера [17]. Он основан на 
аксиоме о несмешивающихся взаимопроникающих континуумах с внутренним 
взаимодействием.  
Дальнейшее развитие теория фильтрационной консолидации получила  
в работах В. А. Флорина [18] и М. Био [19]. В предложенных ими независимо 
друг от друга теоретических моделях были учтены силовые воздействия фильтрационного потока на грунтовый скелет, зависимость фильтрационных характеристик процесса от изменения пористости, существование фильтрационного 
порога (минимального градиента давления), сжимаемость жидкости, обусловленную присутствием в ней газа. 
Био развил теорию пористых сред, насыщенных вязкой жидкостью на 
случай трехмерных задач. Его теория является расширением классической теории упругости на случай двухфазной среды с учетом ввода дополнительных 
параметров, учитывающих взаимодействие фаз. Био применил принцип соответствия, согласно которому, «уравнения, описывающие механику пористых 
сред, будут формально такими же, как и для упругих или вязкоупругих систем, 
при условии, что упругие коэффициенты заменены соответствующими операторами» [20].  
Теория консолидации была развита Био на случаи анизотропного упругого и вязкоупругого скелета [21]. Исторический обзор исследований, посвященных описанию насыщенных пористых сред дан в работе Де Боера [22]. 
Общие уравнения движения жидкости в линейно деформируемой среде 
были выведены Я. И. Френкелем [23]. Несколько позже эти уравнения были 
подробно рассмотрены в работах В. Н. Николаевского [24െ26]. Независимо 
8 
 

была развита так называемая теория «упругого режима» фильтрации, в которой 
рассматривалось движение упругой слабо сжимаемой жидкости в упругой пористой среде. Постановка основных задач теории упругого режима была дана  
в работах Тейса [27], Джекоба [28], применительно к вопросам нефтяной подземной гидродинамики В. Н. Щелкачева [29, 30]. 
При рассмотрении фильтрации в трещиноватых и пористых средах важное место занимает вопрос о сжимаемости таких сред. Изучение деформационных свойств пористых сред шло параллельно развитию теории фильтрации  
в пористых средах. Основные этапы развития исследований в этом направлении 
отражены в [31]. Для описания упругих пористых сред исследователями предлагались различные модели, состоящие из частиц сферической формы, упруго 
взаимодействующих между собой [32, 33]. Однако, экспериментальная проверка этих моделей показала, что в количественном отношении они оказываются 
недостаточными для описания всего разнообразия упругих свойств реальных 
пористых сред. 
В ходе дальнейших теоретических и экспериментальных исследований 
наибольшее распространение получило представление о пористой среде, как  
о сплошной среде с непрерывно распределенными свойствами. 
Х. Шуманом [34] в результате проведенного им микроскопического исследования шлифов впервые был сделан вывод о щелевидном характере фильтрационных каналов реальных пористых сред. Это предположение было подтверждено Г. Ридером [35], который экспериментальным путем установил, что коэффициент проницаемости образцов пористых пород пропорционален третьей степени раскрытия пор-трещин. Это обстоятельство следует считать веским аргументом в пользу представлений о пористой среде, как о системе фильтрационных каналов, по своей форме приближающихся к трещинам. В работе [36] исследовалось влияние трещин на эффективные характеристики среды. На фоне 
других неоднородностей трещины выделяются тем, что при даже небольших деформациях, их наличие в среде может давать резкие нелинейные эффекты.  
В последние десятилетия в теорию фильтрации жидкостей и газов в деформируемых пористых средах активно внедряются методы механики сплошных гетерогенных сред. Начало этому направлению было положено в работе 
Х. А. Рахматулина [37], предложившего замкнутую систему уравнений взаимопроникающего движения многофазной смеси сжимаемых фаз, которая включала уравнения сохранения массы и импульса для каждой фазы. Следует отметить 
также работу Р. И. Нигматулина [38], где насыщенная пористая среда рассматривается как гетерогенная смесь с эффектом прочности одной из фаз. 
9 
 

В нефтегазовой отрасли вопросам влияния напряженно-деформированного 
состояния на фильтрационные характеристики горных пород уделялось недостаточно внимания. Хотя при разведке и эксплуатации месторождений, особенно  
на больших глубинах, выявлено, что концентрации горных напряжений в прискважинной зоне существенно влияют на проницаемость пластов, процессы 
фильтрации и, соответственно, на интенсивность нефтегазопритоков в скважину. 
Серьезный вклад в понимание влияния напряженно-деформированного 
состояния на фильтрационные свойства природных сред внесли исследования 
С. А. Христиановича, Р. Л. Салганика, С. В. Кузнецова, связанные с проблемой 
внезапных выбросов угля, породы и газа [39െ42]. Из практики разработки 
угольных месторождений был известен целый ряд фактов существенного изменения проницаемости угольных пластов, которые можно было объяснить только влиянием напряженно-деформированного состояния. Например, такие широко используемые противовыбросные мероприятия, как подработка и надработка выбросоопасных платов [43, 44]. Они заключаются в предварительной 
отработке пластов, лежащих выше или ниже выбросоопасного пласта. При этом 
происходит его разгрузка в направлении перпендикулярном напластованию.  
В результате под действием давления газа, содержащегося в порах и трещинах 
угольного пласта, происходит рост трещин в плоскостях, параллельных напластованию. Образуется новая связная система фильтрационных каналов, и проницаемость вдоль пласта существенно возрастает. При отработке такого пласта 
происходит его дегазация посредством выхода газа через забой лавы и опасность выброса уменьшается. С. А. Христиановичем была предложена модель, 
объясняющая механизм внезапного выброса угля и газа, центральное место  
в которой занимает влияние напряженно-деформированное состояние угольного пласта на его фильтрационные свойства. В нетронутом состоянии угольный 
пласт не фильтрует – газ содержится в изолированных порах и трещинах под 
давлением, близким к горному. При проведении тех или иных горнотехнических работ, бурении скважин, проходки выработок, происходит изменение напряженно-деформированного состояния – в направлении, перпендикулярном открытой поверхности, происходит разгрузка пласта. Это приводит  
к образованию в пласте системы трещин, ориентированной параллельно свободной поверхности. При определенных условиях в этой зоне может возникнуть связная система фильтрационных каналов с резко анизотропной проницаемостью, сильно зависящей от давления газа, причем в направлении к свободной поверхности, перпендикулярном плоскостям трещин, проницаемость значительно меньше, чем в направлении вдоль трещин. Как показали расчеты, на 
берега трещин действуют значительные отрывающие силы, так как площадь 
10