Геомеханические аспекты повышения эффективности работы подземных хранилищ газа

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 проекта 22-11-00273

НазваниеГеомеханические аспекты повышения эффективности работы подземных хранилищ газа

Руководитель Климов Дмитрий Михайлович, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-305 - Разрушение деформируемых тел, кинетика и динамика

Ключевые слова ПХГ, напряженно-деформированное состояние, пластовое давление, анизотропия природных напряжений, исследования керна, механические и фильтрационные свойства пород-коллекторов, моделирование процессов в призабойной зоне, разрушение призабойной зоны, циклический отбор и закачка газа, пескопроявления

Код ГРНТИ30.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из важных вопросов технологии эксплуатации скважин подземных хранилищ газа (ПХГ) является борьба с разрушением призабойной зоны пласта и связанным с ним выносом песка в скважину. Из-за большого количества песка в добываемом газе преждевременно выходит из строя промысловое оборудование. Кроме того, вынос песка часто приводит к образованию песчаных пробок и кольматации призабойной зоны пласта (ПЗП), что значительно снижает продуктивность скважин. На территории Российской Федерации расположены около 30 подземных хранилищ газа, из которых 8 сооружены в водоносных структурах и 17 – в истощенных месторождениях. Основные проблемы, связанные с разрушением пласта-коллектора м выносом песка в скважину, проявляются при эксплуатации ПХГ, созданных в терригенных водоносных пластах, а также в истощенных газовых месторождениях. В настоящее время общепринятой является точка зрения, что основной причиной выноса песка в скважину является разрушение призабойной зоны пласта вследствие возникновения в ней напряжений, превосходящих предел прочности горной породы. В связи с этим методы борьбы с пескопроявлением сводятся в основном к применению технологий, направленных на сохранность призабойной зоны пласта (ПЗП) путем создания экранов у поверхности фильтрации с помощью пескозадерживающих фильтров и увеличения прочности горной породы в ПЗП путем укрепления ее различными полимерными связующими, смолами, цементом и пр. Однако, несмотря на многолетний опыт эксплуатации пескопроявляющих скважин, до настоящего времени отсутствует достаточно обоснованная модель разрушения коллектора и математическое описание процессов, протекающих в системе пласт-скважина. Как результат, отсутствуют надежные критерии для установления рационального режима эксплуатации скважины ПХГ в условиях нарушения устойчивости продуктивного коллектора. За последние десятилетия получены новые результаты при исследованиях напряженно-деформированного состояния пластовых систем, динамики роста трещин, деформационных процессов и техногенных изменений свойств околоскважинной зоны пласта. Стало очевидно, что для обоснования рациональных технологических режимов эксплуатации ПХГ, сохранения (повышения) фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) пласта-коллектора необходимо иметь геомеханическую модель месторождения, позволяющиую учесть и детально изучить деформационные и фильтрационные процессы при циклической работе подземных газохранилищ. Целью проекта является изучение геомеханических аспектов происходящих в пластах ПХГ деформационных процессов при циклическом изменении пластового давления при закачке и отборе газа с целью снижения рисков разрушения пород-коллекторов и пескопроявления при эксплуатации подземных хранилищ газа. В результате реализации проекта впервые в РФ будет выполнено детальное геомеханическое моделирование эскплуатации ПХГ с целью сохранения и повышения ФЕС пласта, обоснования рациональных режимов закачки и отбора газа, основанное на комплексном экспериментальном исследовании деформационно-прочностных и фильтрационных свойств пород продуктивного разреза, математическом и физическом моделировании изучаемых процессов. Экспериментальные работы по определению деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород в условиях реальных трехосных напряженных состояний, возникающих в пластах ПХГ при циклически меняющемся пластовом давлении, будут выполняться на уникальной испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН), созданной в ИПМех РАН. На установке ИСТНН будет выполнено физическое моделирование деформационных и фильтрационных процессов, протекающих в призабойной зоне пласта-объекта хранения газа под действием знакопеременных нагрузок из-за депрессий и репрессий при отборе и закачке газа. Математическое моделирование механических и фильтрационных процессов, происходящих в пласте при различных режимах эксплуатации скважин будет основано на решении связанной задачи упругопластического деформирования породы пласта-коллектора и фильтрации газа в скважину. Параметры модели: упругие и пластические константы, зависимость проницаемости от напряженно-деформированного состояния будут получены на основе полученных с использованием ИСТНН экспериментальных данных. Предполагается исследование влияния на геомеханические процессы неравномерности природного поля напряжений и направления проводки горизонтальных скважин относительно его главных осей. Развитие на основе геомеханического моделирования методов прогноза и средств диагностики напряженно-деформированного состояния призабойной зоны пласта позволит определить области рационального применения тех или иных способов борьбы с выносом песка, повысит обоснованность ограничений на режимы эксплуатации скважин, что будет способствовать совершенствованию технологии подземного хранения газа.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. О нетипичной прочностной анизотропии слабосцементированных песчаников ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. МАТЕМАТИКА, ИНФОРМАТИКА, ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ, том 506, с. 108–112 (год публикации - 2022)
10.31857/S2686954322050137

2. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханические аспекты эксплуатации подземных хранилищ газа ИПМех РАН, г. Москва, Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханические аспекты эксплуатации подземных хранилищ газа – М. ИПМех РАН:, 2022. – 220 с., ISBN 978-5-917-412795 (год публикации - 2022)

3. Устинов К.Б., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Барков С.О., Химуля В.В., Шевцов Н.И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АНИЗОТРОПИИ НА ОРИЕНТАЦИЮ ВЫВАЛОВ В СКВАЖИНАХ Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, ИЗВЕСТИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА 2023, № 3, С. 21–35 (год публикации - 2023)
10.31857/S0572329922600384

4. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. UNDERGROUND GAS STORAGE FACILITIES. ИПМех РАН, Karev V., Kovalenko Y. UNDERGROUND GAS STORAGE FACILITIES. — ИПМех РАН Москва, 2023. — 188 p. ISBN 978-5-91741-286-3 (год публикации - 2023)

5. Устинов К.Б. Inelastic Deformation of Rocks with Deformation and Strength Anisotropy Springer, Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, 2023, P. 487–494 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-25962-3_48

6. Химуля В. В., Барков С. О. Исследование процессов фильтрации и разрушения в породах-коллекторах подземных хранилищ газа с использованием цифрового анализа данных компьютерной томографии Издательство МГУ, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XVII Всероссийской школы-конференции молодых ученых г., Новосибирск –ос. ун-т. — Новосибирск: Новосибирск, 2023. — С. 210–212. (год публикации - 2023)

7. Барков С.О., Химуля В.В. Изучение физико-механических свойств пород-коллекторов подземных хранилищ газа при реализации метода направленной разгрузки пласта с применением средств рентгеновской компьютерной томографии / Уральский Государственный Университет, Разрушение горных пород и минералов: Сборник материалов конференции и школы молодых ученых и студентов. г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2023. С. 45–47. (год публикации - 2023)

8. Химуля В.В., Барков С.О. Исследование структурных свойств коллектора ПХГ на базе снимков рентгеновской компьютерной томографии МиИРТЭК, Модернизация и инновационное развитие топливно-энергетического комплекса: Материалы международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2023. № 6. 43 с. (год публикации - 2023)
10.26160/2618-8953-2023-6

9. Химуля В.В. Комплексное изучение процессов деформирования и фильтрации в породах-коллекторах подземных хранилищ газа в условиях сложного нагружения с применением методов рентгеновской томографии Новосиб. гос. ун-т, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XVII Всероссийской школы-конференции молодых ученых, Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск: Новосибирск, 2023. — С. 210–212. (год публикации - 2023)

10. Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б., Карев В.И. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫВАЛОВ НА СТЕНКАХ СКВАЖИН Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, № 6, с. 148-163 (год публикации - 2022)
10.31857/S0572329922060125

11. Карев В., Коваленко Ю., Устинов К. Some problems of well stability in reservoirs of underground gas storages Springer, Karev, V., Kovalenko, Y., Ustinov, K. (2024). Some Problems of Well Stability in Reservoirs of Underground Gas Storages. In: Karev, V. (eds) Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. PMMEEP 2023. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54589-4_28

12. Химуля В. В., Барков С. О. Цифровой анализ керна: изменение фильтрационно-емкостных свойств коллектора ПХГ после геомеханического воздействия УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, Ученые записки физического факультета Московского Университета. — 2024. — № 3. — С. 2430501 (год публикации - 2024)

13. Химуля В.В., Барков С.О., Шевцов Н.И. Комплексное изучение влияния напряженно-деформированного состояния на изменение фильтрационно-емкостных свойств коллектора ПХГ на базе геомеханического и КТ-подходов XXXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов—2024». Секция «Физика». Сборник тезисов. — М. Физический факультет МГУ, 2024, XXXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов—2024». Секция «Физика». Сборник тезисов. — М. Физический факультет МГУ, 2024, 1052 с. (год публикации - 2024)

14. Химуля В. В. Исследование изменений фильтрационно-емкостных свойств коллектора ПХГ на основе геомеханического и КТ-моделирования ИПЦ НГУ Новосибирск, Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XVIII Всероссийской школы-конференции молодых ученых. — ИПЦ НГУ Новосибирск: 2024. — С. 193–194. (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1597-1-193-194

15. Климов Д.М., Карев В. И., Коваленко Ю. Ф., Устинов К. Б. Факторы устойчивости скважин в коллекторах подземных хранилищ газа Известия РАН, Механика твердого тела, Известия РАН. МТТ. 2024, № 3, С. 85–100. (год публикации - 2024)
10.31857/S1026351924030065

16. Карев В.И. Modeling of geomechanical processes in the bottomhole zone during well operations in an Underground Gas Storage Facility Proceedings of International Conference on Oil, Gas and Petrochemistry 2024, GSRD Dubai, Proceedings of International Conference on Oil, Gas and Petrochemistry 2024, 2024, GSRD Dubai, P. 43-46. (год публикации - 2024)

17. Химуля В., Карев В., Коваленко Ю., Барков С. Changes in filtration and capacitance properties of highly porous reservoir in underground gas storage: CT-based and geomechanical modeling Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (JRMGE) , J. Rock Mech. Geotech. Eng. 2024, V.16, No. 8, pp. 2982-2995. JCR Q1, doi: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.12.015. (год публикации - 2024)
10.1016/j.jrmge.2023.12.015

18. Химуля В.В., Карев В.И., Барков С.О. Comprehensive study of stress effect on filtration-capacitance properties of underground gas storage reservoirs using geomechanical and CT-based approach 15th International Conference and School “PROBLEMS OF GEOCOSMOS” Book of Abstracts , 15th International Conference and School “PROBLEMS OF GEOCOSMOS”. Book of Abstracts. — St. Petersburg State University St. Petersburg: 2024. — P. GC2024–SG030. (год публикации - 2024)

19. Шевцов Н.И., Химуля В.В., Барков С.О. Разрушение вертикально и горизонтально направленных скважин подземных хранилищ газа: физическое моделирование на установке истинно трехосного нагружения Физический факультет МГУ, XXXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов—2024». Секция «Физика». Сборник тезисов. — М. Физический факультет МГУ, 2024, 1052 с. (год публикации - 2024)

20. Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Барков С.О., Устинов К.Б. Study of sand production in vertical and horizontal boreholes on a true triaxial loading unit Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54589-4_19

21. Карев В.И. Построение фильтрационно-геомеханической модели подземного хранилища газа ИПМех РАН, Сборник материалов конференции "Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах" 23 - 25 октября 2024 г. – М.: ИПМех РАН, 2024, С. 107-109. (год публикации - 2024)

22. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Geomechanical and Physical Modeling of Deformation in Underground Gas Storages During Cyclic Changes of Pore Pressure Processes in GeoMedia—Volume VI. Springer Geology. Springer, Cham., Processes in GeoMedia—Volume VI. Springer Geology. Springer, Cham (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-16575-7_21

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В соответствии с заявленным в проекте планом работы в 2024 году на основании развитого подхода были изучены геомеханические аспекты повышения эффективности работы конкретного объекта – Увязовского ПХГ. С этой целью были выполнены следующие работы: - по данным физического моделирования на созданной в ИПМех РАН Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН) изучены деформационные и фильтрационные процессы, протекающие в призабойной зоне пласта-объекта хранения газа Увязовского ПХГ под действием знакопеременных нагрузок при создании на забое скважины репрессий и депрессий в процессе закачки и отбора газа; - при моделировании на установке ИСТНН деформационных и фильтрационных процессов под действием знакопеременных нагрузок при циклическом создании на забое депрессий/репрессий установлено, что создание на забое скважин Увязовского ПХГ депрессий существенно больше 1 МПа может привести к разрушению породы в прискважинной области и повышенному пескопроявлению. Кроме того, эксперименты показали, что на Увязовском ПХГ при пластовых давлениях ниже 6,5 МПа в окрестности скважин может образовываться песок, выносимый в скважину. Поэтому, чтобы не допускать пескопроявлений, связанных с разрушением породы, желательно не снижать пластовое давление ниже 6,5 МПа; - математическое моделирование напряженных состояний, возникающих в окрестности горизонтальных скважин при изменении пластового давления и наличии неравномерности природных напряжений от горного давление (наличие вертикального и горизонтальных стрессов), показало, что наиболее благоприятным направлением проводки горизонтальной скважины с точки зрения предотвращения пескопроявления, связанного с опасностью разрушения породы в окрестности скважины, является направление, близкое к направлению действия минимального горизонтального природного стресса; - результаты физического моделирования на установке ИСТНН показали реальную возможность использования на Увязовском ПХГ разработанного в ИПМех РАН метода направленной разгрузки пласта (НРП) для увеличения проницаемости породы в прискважинной области пласта и увеличения продуктивности скважин. Эксперименты показали, что для условий Увязовского ПХГ метод НРП наиболее эффективно использовать в конце закачки газа при максимальном пластовом давлении. Причем инициация процесса трещинообразования в пласте и роста проницаемости в этом случае будет начинаться в верхней точке на контуре горизонтальной скважины. - по результатам опытов, выполненных на ИСТНН по схеме "полый цилиндр", изучено образование вывалов пород на стенках скважины Увязовского ПХГ при создании в них депрессии. Результаты экспериментов выявили наличие прочностной анизотропии у пород-коллекторов Увязовского ПХГ, которая при создании депрессий на забое скважин может привести к образованию вывалов на их стенках и росту связанного с этим пескопроявления. Причем вероятность образования вывалов на стенках горизонтальных скважин выше, чем у вертикальных скважин. Полученные результаты имеют важное практическое значение, поскольку с образованием вывалов породы на стенках скважин связано проявление массированного пескопроявления в скважинах подземных хранилищ газа, пробуренных в слабосцементированных песчаниках. - построена математическая модель механических и фильтрационных процессов, происходящих в пласте при различных режимах эксплуатации скважин, основанная на решении связанной задачи деформирования породы пласта-коллектора и фильтрации газа в пласте. Проведено математическое моделирование исследуемых процессов с использованием экспериментальных данных, полученных для условий Увязовского ПХГ при испытаниях кернового материала на установке ИСТНН. Расчеты выполнены как для равномерного, так и неравномерного природного поля напряжений от горного давления. Кроме того, учтено направление проводки горизонтальных скважин относительно главных осей исходного поля природных напряжений. При построении модели учтен ряд специфических явлений, проявляющихся при эксплуатации подземных хранилищ газа, таких как снижение проницаемости в прискважинной области, вызванное циклическим характером движения газа и кольматацией фильтрационных каналов содержащимися в закачиваемом газе механическими частицами и частицами компрессорного масла, а также изменение напряженного состояние в пласте-коллекторе при циклах закачки-отбора газа На основании разработанной математической модели и алгоритма решения были выполнены численные расчеты для ряда технологических ситуаций для условий Увязовского ПХГ. - на основе прямого физического моделирования на установке ИСТНН деформационных процессов, происходящих в окрестности скважин ПХГ при отборе и закачке газа, а также математического моделирования, разработаны прогнозные рекомендации по обеспечению устойчивости породы в призабойной зоне пласта при эксплуатации исследуемого ПХГ, максимальным допустимым депрессиям и дебитам скважин и предотвращению выноса песка. Выводы и рекомендации по обеспечению устойчивости породы в призабойной зоне пласта при эксплуатации Увязовского ПХГ, сделанные на основе математического и прямого физического моделирования на установке ИСТНН деформационных процессов в окрестности скважин Увязовского ПХГ при отборе и закачке газа, в основном совпадают с режимами, используемыми на практике – эксплуатация месторождения с помощью вертикальных скважин, рабочие депрессии/репрессии в диапазоне 0,5 – 1,5 МПа, снижение пластового давления при отборе газа не ниже 6,5 МПа.

Публикации

Возможность практического использования результатов
При эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) часто наблюдается снижение проницаемости прискважинной зоны пласта в результате пескопроявления и кольматации фильтрационных каналов механическими частицами и частицами компрессорного масла. Применение на ПХГ традиционных технологий повышения продуктивности скважин не всегда эффективно. Одним из наиболее перспективных путей увеличения проницаемости пород пласта-объекта хранения газа является использование технологий, основанных на геомеханическом подходе. В ИПМех РАН разработан способ увеличения продуктивности нефтяных и газовых скважин – метод направленной разгрузки пласта (НРП), основанный на повышении фильтрационных свойств пласта за счет неравномерной направленной разгрузки породы от горного давления. В результате выполнения Проекта 2022 для условий конкретных ПХГ на основе математического и физического моделирования на установке ИСТНН был сделан вывод о реальной возможности эффективности метода направленной разгрузки пласта при применении его на скважинах ПХГ с целью увеличения их производительности. Разработана методика определения технологических параметров реализации метода НРП для условий конкретного подземного хранилища газа.