Арктические месторождения газа часто сложены слабыми песчаниками, которые легко разрушаются при добыче. Когда из скважины отбирают газ, давление в продуктивном пласте месторождения оказывается выше, чем внутри скважины. За счет этой разницы газ поступает в скважину, но одновременно возрастают напряжения, действующие на ее стенках. В результате при определенных условиях происходит разрушение породы и вынос образовавшегося песка и обломков в скважину. Это приводит к авариям, износу подземного и наземного оборудования, систем сбора и подготовки газа, а также необходимости очистки газа от примесей и вынесенных твердых частиц.
До сих пор точно предсказать, при каких нагрузках начинается разрушение, было сложно: стандартные испытания не позволяли воспроизвести реальные неравномерные напряжения, которые возникают на стенках скважины.
Ученые из Института проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН (Москва) воспроизвели в лаборатории точную «геометрию» напряжений, которые возникают на стенках газовых скважин. Для этого специалисты исследовали образцы пород-песчаников из месторождения в российской Арктике с помощью нескольких методов.
Авторы изучили образцы на уникальной установке истинно трехосного нагружения, позволяющей создавать в кубических образцах породы реальные напряжения, которые возникают на стенке скважины при изменении давления в ней.
Как создаются цифровые двойники коллектора. Источник: Валерий Химуля
Дополнительно исследователи провели эксперименты с образцами, в центре которых просверлили сквозное отверстие: таким образом изучали, как происходит вынос песка из породы в скважину, а также измеряли объем и размеры его частиц. Оказалось, что из пласта выносятся не только отдельные зерна (средний размер около 0,08 миллиметров), но и фрагменты породы размером до 0,35 миллиметров. На основе этих данных ученые подобрали оптимальный размер набивки фильтров, которые устанавливаются внутри скважины, чтобы надежно удерживать как отдельные зерна, так и более крупные обломки.
До и после испытаний образцы сканировали на высокоразрешающем микротомографе. Полученные с его помощью 3D-двойники реальных образцов позволили увидеть внутреннюю структуру породы, проследить, как зарождаются и в каких направлениях растут трещины, и сопоставить геометрию разрушения с приложенными нагрузками. Цифровой анализ изображений дал возможность изучить, из каких частиц сложена порода и вынесенный из нее песок.
Изучение процессов разрушения на микротомографе. Источник: Валерий Химуля
Эксперименты показали, что порода неоднородна по прочности. Для скважины это означает, что разрушение начинается в найденных «уязвимых» точках — именно здесь раньше всего начинается разрушение. Физическое моделирование также позволило определить величину безопасного перепада давлений, при котором стенки скважины еще сохраняют устойчивость.
Таким образом, благодаря комплексному подходу, объединившему геомеханические эксперименты и цифровые методы, ученые описали, как ведет себя порода вокруг скважин. Предложенный подход позволяет еще на этапе проектирования предсказывать поведение пород в местах добычи газа, выбирать безопасные режимы их разработки и подбирать эффективные средства борьбы с выносом песка в скважины.
Геомеханические исследования авторы провели на отечественном оборудовании с использованием оригинальных методик, что особенно важно для импортозамещения в области освоения газовых запасов арктического шельфа.
«Наше исследование вносит вклад в одну из ключевых проблем разработки арктических месторождений — обеспечение устойчивости скважин и контроль выноса песка в “слабых” породах. Полученные результаты помогут снизить риски аварий, связанных с обрушением стенок скважин и выходом из строя оборудования, что особенно важно для удаленных и труднодоступных объектов, где ремонт требует колоссальных затрат и времени. Полученные результаты — не финальная точка, а основа для следующего этапа. В рамках нового проекта РНФ мы уже приступили к развитию предложенного подхода, чтобы в дальнейшем обеспечить еще более точные научно обоснованные рекомендации для широкого спектра горно-геологических условий и режимов работы скважин», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий Химуля, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории геомеханики Института проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН.
