КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-77-01037

НазваниеРазвитие научного подхода к определению параметров безопасной эксплуатации газовых скважин и снижению рисков пескопроявлений на месторождениях со слабоцементированными коллекторами

РуководительХимуля Валерий Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-301 - Геомеханика

Ключевые словагеомеханическое моделирование, слабосцементированные коллекторы, пескопроявление, напряженно-деформированное состояние, проницаемость горных пород, устойчивость скважин, газовые скважины, физические свойства горных пород, рентгеновская томография, безопасная эксплуатация скважин, газовые месторождения, деформационные свойства горных пород, методы увеличения газоотдачи, эффективность работы скважин, истинно трехосные испытания

Код ГРНТИ52.47

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день разработка месторождений углеводородов все чаще сопровождается строительством сложных скважин, эксплуатация и наращивание которых требует применения новых технологий и решений, направленных на повышение эффективности их эксплуатационных характеристик и снижения рисков аварий. Особенно это касается коллекторов газовых месторождений арктического шельфа России, которые представлены слабосцементированными высокопроницаемыми песчаниками, обладающими низкими прочностными характеристиками. На сегодняшний день в пределах арктического шельфа РФ выявлено более 20 месторождений, которые являются ключевой перспективой расширения ресурсной базы страны. Возможности исследования механизмов разрушения стенок скважин и выноса пластового песка в промысловых условиях ограничены из-за труднодоступности призабойной зоны для средств наблюдений и измерений. Этим, помимо остального, обуславливается необходимость развития подходов к многостороннему лабораторному изучению свойств коллекторов в пластовых условиях, возникающих в окрестности скважин. Пескопроявление приводит к образованию песчаных пробок, а также выносу песка по дальнейшей технологической цепочке, что сказывается на снижении дебитов, износе внутрискважинного и наземного оборудования, существенному увеличению экономических потерь вследствие снижения производительности, затрат на ремонт скважин. Данное исследование нацелено на создание научного подхода к определению эффективных и безопасных условий эксплуатации скважин и уменьшения риска пескопроявлений путем управления напряженно-деформированным состоянием породы. Для этого на образцах пород, отобранных из коллекторов конкретных газовых месторождений, будут проведены экспериментальные исследования с использованием уникального научного оборудования, не имеющего аналогов в РФ - Испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТНН), созданной в ИПМех РАН. Исследования включают: 1) физическое моделирование процессов деформирования и фильтрации в породах-коллекторах в условиях реально возникающих в окрестности скважин трехмерных полей напряжений при изменении давления на забое; 2) изучение процессов выноса песка при увеличении сжимающих нагрузок; 3) рентгеновскую компьютерную микротомографию пород для анализа внутренней структуры пород, оценки характерных размеров частиц и изучения трещинообразования. Результаты проведенных комплексных исследований позволят создать мультидисциплинарный подход к определению параметров безопасной эксплуатации скважин на месторождениях со слабоцементированными коллекторами, включающий: а) определение допустимых депрессий на забое скважин для условий конкретных месторождений с целью снижения рисков пескопроявлений; б) определение условий начала пескопроявления, его интенсивности в ходе разработки, что позволит прогнозировать характер разрушения призабойной зоны и сделать выводы об оптимальных характеристиках внутрискважинного оборудования; в) оценку размеров зерен матрицы и порового пространства, получение полной 3D картины внутренней структуры породы, анализ характера трещинообразования; г) получение широкого спектра данных для смежных исследований, в том числе для создания геомеханической модели месторождений, моделирования процессов на созданных по результатам томографии 3D структурах пород. Таким образом, новизна проекта состоит в комплексном, мультидисциплинарном подходе к изучению влияния сложного напряженно-деформированного состояния на фильтрационные и деформационные характеристики горных пород. Результаты исследования призваны внести новый вклад в понимание поведения коллекторов в условиях истинно трехмерных напряжений. Это позволит определить области рационального применения способов борьбы с выносом песка в слабосцементированных коллекторах газовых месторождений, повысит обоснованность ограничений на режимы эксплуатации скважин, что будет способствовать совершенствованию технологии добычи углеводородов.

Ожидаемые результаты
При реализации проекта будут использованы аналитические и метрологические методы, не уступающие мировому уровню, а методика и оборудование для экспериментальных исследований превосходят зарубежные аналоги. Геомеханическая часть исследований будет проводиться на уникальной Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН) ИПМех РАН, позволяющей воссоздавать истинно трехмерные напряженные состояния на кубических образцах горных пород и, тем самым, в лабораторных условиях полностью воспроизводить реальные ситуации, возникающие в призабойной зоне пласта при проведении различных технологических операций. Для проведения компьютерной томографии и неразрушающего анализа внутренней структуры пород будет использован высокоразрешающий рентгеновский микротомограф ProCon X-Ray CT-MINI Института проблем механики РАН. По результатам физического моделирования будут определены допустимые депрессии на скважинах конкретных месторождений для поддержания необходимых величин дебита, при которых риски разрушения прискважинной зоны пласта за счет изменения напряженно-деформированного состояния будут минимальны. В сочетании с результатами томографических исследований будут описаны механизмы деформирования и разрушения, что позволит сделать выводы о способах недопущения развития негативных процессов в пластах. По результатам испытаний «полый цилиндр» и томографического анализа будут определены условия начала пескопроявления, его интенсивности при изменении НДС и количественные параметры продуктов разрушения, что позволит прогнозировать характер разрушения призабойной зоны и сделать выводы об оптимальных характеристиках внутрискважинного оборудования. Таким образом, будет разработан и применен к конкретным условиям мультидисциплинарный подход к определению оптимальных параметров эксплуатации скважин газовых месторождений со слабосцементированными коллекторами, в основе которого лежат лабораторные исследования кернового материала, учитывающие механические, фильтрационные и структурные особенности низкопрочных пород-коллекторов. Заявленные экспериментальные исследования имеют важное значение как в фундаментальном научном плане ввиду изучения процессов деформирования, разрушения и фильтрации в горных породах, влияния сложного напряженно-деформированного состояния на фильтрационные и механические характеристики пород-коллекторов, так и в прикладном – для создания основ новых эффективных и экономичных подходов к строительству и эксплуатации скважин, недопущения развития негативных процессов в пластах и снижения рисков и аварийности на газовых месторождениях с низкопрочными коллекторами. Описанные в заявке комплексные исследования слабосцементированных пород-коллекторов газовых месторождений, включающие совместное проведение физического моделирования деформационных процессов в окрестности скважин, эксперименты по изучению выноса песка в пластовых условиях и исследование изменений внутренней структуры средствами компьютерной томографии будут проведены впервые. С практической точки зрения новизна и значимость проекта состоят в выработке для исследуемых объектов добычи углеводородов новых решений, направленных на повышение эффективности добычи, снижение риска разрушения стенок скважин; износа, поломки оборудования и загрязненности добываемого флюида вследствие пескопроявления, что в конечном счете влияет на повышение безопасности работы на объектах и снижение экономических затрат на всех этапах добычи углеводородов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате выполнения в 2023-2024 г. проекта 23-77-01037 «Развитие научного подхода к определению параметров безопасной эксплуатации газовых скважин и снижению рисков пескопроявлений на месторождениях со слабоцементированными коллекторами» согласно заявленному плану работ были выполнены все пункты общего годового плана. 1. Проведен анализ основных методов, применяемых для изучения влияния напряженного состояния на физико-механические свойства пород-коллекторов. Проведен анализ различных типов экспериментальных установок, применяемых для геомеханических исследований горных пород, определения их упругих и прочностных характеристик с учетом неравнокомпонентности поля внешних напряжений, а также моделирования механических и фильтрационных процессов, протекающих в продуктивных пластах в процессе разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений. Изучены современные подходы к реализации истинно трехосного нагружения пород, указаны их главные недостатки и преимущества. На основе проведенного анализа, выбраны оптимальные модели, используемые при описании напряженного состояния в окрестности скважин. 2. Согласно плану работ из Северо-Каменномысского газоконденсатного месторождения (ГКМ) был осуществлен отбор кернового материала. В общей сложности из кернового материала на специальных камнерезных и шлифовальных станках лаборатории геомеханики ИПМех РАН было изготовлено более 10 кубических образцов с ребром 40 мм. Непараллельность граней образцов и отклонение от перпендикулярности на базе 40 мм не превышает 20 мкм. Для проведения испытаний по схеме «полый цилиндр», заявленным в плане на следующий год, в 2 образцах были дополнительно пробурены отверстия диаметром 10 мм вдоль и перпендикулярно плоскостям напластования. Для предварительного определения типа и степени анизотропии упругих свойств пород была осуществлена ультразвуковая диагностика нескольких образцов, в результате которой были измерены скорости прохождения продольных ультразвуковых волн в трех взаимно ортогональных направлениях. Согласно проведенным измерениям, скорости волн по трем осям всех образцов оказались близки между собой. Это говорит о том, что породы исследуемых месторождений по упругим свойствам практически изотропны. В связи с этим построение программ нагружения образцов осуществлялось в рамках упруго изотропной модели залежи. 3. Проведен теоретический анализ напряженных состояний, возникающих в окрестности скважин исследуемого месторождения в ходе изменения давления на забое с учетом пластовых условий, конкретных конструкций скважин и условий их эксплуатации. Поскольку на исследуемом месторождении планируется вести добычу с помощью наклонных скважин, близких в продуктивных пластах по наклону к горизонтальным, был проведен анализ напряженных состояний, возникающих в окрестности необсаженных горизонтальных скважин при создании депрессии на их забое, на основе классических методов теории упругости и механики твёрдого тела. На основе решения задачи Ламе для изотропной по упругим свойствам среды были рассчитаны напряжения, возникающие на контуре горизонтальной скважины. 4. На основании проведенного анализа напряженных состояний, возникающих в окрестности необсаженных горизонтальных скважин при создании депрессии на их забое, были составлены программы нагружения исследуемых образцов для проведения физического моделирования процессов деформирования, разрушения и фильтрации на уникальной истинно трехосной установке ИСТНН. Разработана методика проведения на установке ИСТНН прямого физического моделирования процессов, возникающих в окрестности скважин в ходе эксплуатации, для условий Северо-Каменномысского ГКМ. 5. На высокоразрешающем рентгеновском микротомографе ProСon X-Ray CT-MINI были получены трехмерные томографические снимки изготовленных образцов пород-коллекторов. Компьютерная томография проводилась в двух режимах: полномасштабная съемка образцов для получения полной картины внутреннего пространства, а также съемка с высоким разрешением отдельных частей образцов для детального цифрового анализа. Проведение крупномасштабных снимков позволило провести анализ неоднородностей, кавернозности, исходной трещиноватости и напластования в породах. Описана методика ручной обработки проекций, применения фильтров и коррекций. После получения набора проекций сканирования была проведена реконструкция снимков для создания 3D проектов-изображений пород. Получены 3D структуры отсканированных образцов на основе проведенной сегментации снимков. Созданные 3D модели матрицы породы и порового пространства использовались для проведения цифрового анализа. Для образцов был проанализирован представительный элементарный объем (REV). Представлены результаты статистического анализа порового пространства и возможных неоднородностей. Для всех образцов была оценена открытая, закрытая и тупиковая пористость. Для оценки геометрической и статистической однородности порового пространства во всех образцах были проведены порометрический анализ, гранулометрический анализ матрицы породы и визуализация распределения пор на основе сегментированных изображений. Сделаны выводы о степени однородности и связности порового пространства, фракционном составе пород, степени анизотропии емкостных свойств. (Дополнительно проведенные работы) На базе полученных 3D структур пород было проведено численное моделирование потоков фильтрации для оценки фильтрационных свойств и анализа связности порового пространства. Определялась проницаемость пористой структуры на основе закона Дарси, проводя моделирование несжимаемых стационарных ньютоновских потоков, используя различные приближения уравнений Навье-Стокса. Перед этим были проведены измерения проницаемости пород лабораторными методами. Для всех образцов проницаемость по воздуху измерялась на установке ИСТНН Института проблем механики РАН. Для моделирования фильтрационного потока в созданной структуре использовались две модели фильтрации: Стокса и Навье-Стокса. Для серии отсканированных образцов были получены расчетные значения проницаемости в рамках обеих моделей вдоль разных направлениях в породе. После получения информации о степени анизотропии фильтрационно-емкостных свойств было также решено провести более глубокий анализ геометрии порового пространства для определения причин проявления трансверсальной анизотропии проницаемости, а также более точной оценки связности порового пространства. Для этого вдоль разных направлений в породе были измерены такие характеристики как геодезическая извилистость, среднее число связанных пор, пути перколяции (их длина и ширина), а также локальное распределение пористости в разных направлениях.

 

Публикации

1. Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Барков С.О., Химуля В.В. Анализ подходов к изучению влияния напряженно-деформированного состояния на механические и фильтрационные свойства пород-коллекторов Процессы в геосредах, № 1(39), С. 2386-2395 (год публикации - 2024)

2. Химуля В.В. Digital examination of pore space characteristics and structural properties of a gas condensate field reservoir on the basis of μCT images Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences: Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes (Springer Nature Switzerland), - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1007/978-3-031-54589-4_3

3. Химуля В.В., Барков С.О., Шевцов Н.И. Цифровое исследование характеристик порового пространства и структурных свойств коллектора газоконденсатного месторождения на основе микротомографии Процессы в геосредах, № 1(39), С. 2332-2340 (год публикации - 2024)

4. Химуля В.В., Карев В.И. Pore-scale computational study of permeability and pore space geometry in gas condensate reservoir rocks Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences: Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes (Springer Nature Switzerland), - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1007/978-3-031-54589-4_26

5. Химуля В.В. CT-based computational pore-scale analysis of permeability and pore space geometry in gas condensate reservoir rocks Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых. Сборник материалов конференции (место издания ИПМех РАН, Москва), Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 18-20 октября 2023 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2023 – 186 с. (год публикации - 2023)

6. Химуля В.В., Барков С.О., Шевцов Н.И. Digital study of structural, filtration and capacitive properties of reservoir rocks of gas-condensate fields on CT-based methods Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых. Сборник материалов конференции (место издания ИПМех РАН, Москва), Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 18-20 октября 2023 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2023 – 186 с. (год публикации - 2023)