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

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 23-77-01037

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

Руководитель Химуля 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

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 слова геомеханическое 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1007/978-3-031-54589-4_3

2. 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)
10.1007/978-3-031-54589-4_26

3. 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)

4. 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)

5. 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)

6. 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)

7. Химуля В.В. Study of fracture and sand production processes in gas-condensate reservoirs on the basis of geomechanical and digital approaches Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024– 184 с., Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. — ИПМех РАН Москва: 2024. — P. 11–14. (год публикации - 2024)

8. Химуля В.В. Цифровое исследование характеристик порового пространства коллектора газового месторождения на базе методов компьютерной томографии Геоэкология и рациональное недропользование: от науки к практике : сборник материалов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, Белгород, 10 октября 2024 г. / под ред. А.Г. Нарожней, Геоэкология и рациональное недропользование: от науки к практике : сборник материалов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, Белгород, 10 октября 2024 г. / под ред. А.Г. Нарожней (год публикации - 2024)

9. Химуля В.В. Study of fracture and sand production processes in gas-condensate reservoirs on the basis of geomechanical and digital approaches (доклад) Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва (год публикации - 2024)

10. Химуля В.В., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Барков С.О. Determination of well stability and sand risk minimization parameters for gas condensate field conditions using geomechanical and CT-based approaches Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (JRMGE) (год публикации - 2025)
10.1016/j.jrmge.2025.02.017

11. Химуля В.В. Advancements in geomechanical and digital core analysis for reservoir characterization Springer Nature: Processes in GeoMedia – Volume IX, 2025 (Tiergartenstr. 17 | 69121 Heidelberg | Germany) (год публикации - 2025)

12. Химуля В.В., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Барков С.О Комплексное исследование механических и фильтрационных свойств коллектора газоконденсатного месторождения для определения параметров безопасной и эффективной эксплуатации скважин Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : Тез. докл. XIX Всерос. школы-конф. молодых ученых 10–17 марта 2025 г., Новосибирск — Шерегеш / под ред. Е.И. Крауса; Ин-т теор. и прикл. механики им. С.А. Христиановича СО РАН ; Центр. аэрогидродинам. ин-т им. проф. Н.Е. Жуковского ; Кузбасский гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачёва. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025. — 188 с., Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XIХ Всероссийской школы-конференции молодых ученых (10 марта – 17 марта 2025 г., Новосибирск – Шерегеш). Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025. С. 168-169 (год публикации - 2025)
10.25205/978-5-4437-1736-4-83

13. Химуля В.В. Применение технологии цифрового анализа керна для изучения фильтрационно-емкостных свойств и структуры высокопроницаемых пород подземных хранилищ газа Russian Journal of Earth Sciences (RJES), Russian Journal of Earth Sciences (RJES). 2024. DOI: 10.2205/2024ES000928 (год публикации - 2024)
10.2205/2024ES000928

14. Химуля В.В. Цифровое исследование характеристик порового пространства коллектора газового месторождения на базе методов компьютерной томографии (доклад) Геоэкология и рациональное недропользование: от науки к практике : сборник материалов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, Белгород, 10 октября 2024 г. / под ред. А.Г. Нарожней, Геоэкология и рациональное недропользование: от науки к практике : сборник материалов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, Белгород, 10 октября 2024 г. / под ред. А.Г. Нарожней (год публикации - 2024)

15. Химуля В.В. Complex study of sand production and fracture processes in gas-condensate reservoir using geomechanical and digital techniques Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences: Proceedings of the 10th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes (Springer Nature Switzerland) (год публикации - 2025)

16. Химуля В.В. Мультидисциплинарное исследование механико-фильтрационных свойств коллектора газоконденсатного месторождения для определения параметров безопасной и эффективной эксплуатации скважин (доклад) Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Технологии будущего нефтегазодобывающих регионов» (РАН), Материалы Восьмого международного молодежного научно-практического форума «Нефтяная столица» , Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Технологии будущего нефтегазодобывающих регионов» (РАН), Материалы Восьмого международного молодежного научно-практического форума «Нефтяная столица» (год публикации - 2025)

17. Химуля В.В., Барков С.О., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Шкловер В.Я., Зайцев Д.М. Развитие комплексного подхода к исследованию процессов фильтрации, разрушения и пескопроявления в газовых коллекторах арктического шельфа с целью определения оптимальных параметров эксплуатации скважин Известия РАН. Механика твердого тела (год публикации - 2025)

18. Химуля В.В. Multidimensional digital investigation of the morphometric properties of sand removed from the gas condensate field reservoir on the basis of µCT analysis Springer Nature: Processes in GeoMedia – Volume IX, 2025 (Tiergartenstr. 17 | 69121 Heidelberg | Germany) (год публикации - 2025)

19. Химуля В.В., Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Барков С.О Комплексное исследование механических и фильтрационных свойств коллектора газоконденсатного месторождения для определения параметров безопасной и эффективной эксплуатации скважин (доклад) Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии : Тез. докл. XIХ Всерос. конф. молодых ученых 10 марта — 17 марта 2025 г., Новосибирск — Шерегеш / под ред. Е.И. Крауса; Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025. — 188 с., Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов XIХ Всероссийской школы-конференции молодых ученых (10 марта – 17 марта 2025 г., Новосибирск – Шерегеш). Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2025. С. 168-169 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения в 2024-2025 г. проекта 23-77-01037 согласно заявленному плану работ были выполнены все пункты (6-9) общего годового плана, а именно: 6. На изготовленных образцах пород с использованием разработанных в первый год реализации проекта программ нагружения на установке ИСТНН проведено физическое моделирование деформационных и фильтрационных процессов в окрестности горизонтальных скважин при изменении давления на их забое в ходе эксплуатации. Перед этим проведены тестовые опыты для отладки программ нагружения. 7. Проведены испытания на ИСТНН по схеме «полый цилиндр» для исследования процессов выноса песка и разрушения отверстий, в ходе которых определены условия инициации пескопроявления, его интенсификации, осуществлена регистрация объемов вынесенного песка и изучен характер разрушения пород. 8. Проведена вторая серия томографических исследований с использованием испытанных образцов пород-коллекторов: А) Проведены КТ-сканирования части испытанных образцов, получены наборы КТ-проекций для каждого образца. Проведена реконструкция снимков и получение 3D изображений. Осуществлена ручная обработка, коррекция изображений и подготовка к бинаризации (сегментации). Б) Созданы 3D-модели (цифровые двойники) породы на основе обработанных снимков образцов посредством сегментации. В) Исследованы изменения внутренней структуры образцов после проведения физического моделирования на ИСТНН, описан характер разрушения испытуемых образцов, изучена геометрия образовавшихся после геомеханического воздействия трещин. Г) Проведены сканирование, обработка, сегментация и дальнейший количественный цифровой анализ характеристик вынесенного песка после проведения испытаний по схеме «полый цилиндр». 9. Проведены обработка и совокупный анализ полученных экспериментальных данных. По результатам физического моделирования определены допустимые депрессии на забое скважин для поддержания необходимых величин дебита и снижения рисков разрушения стволов скважин и промыслового оборудования в результате изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) в призабойной зоне пласта. В сочетании с результатами томографических исследований описаны механизмы деформирования и разрушения пород-коллекторов, что позволило сделать выводы о способах недопущения развития негативных процессов в пластах. По результатам испытаний по схеме «полый цилиндр» и томографического анализа вынесенного песка определены условия начала пескопроявления, его интенсификации при изменении НДС и количественные параметры продуктов разрушения, на основе чего описан фракционный состав вынесенных частиц, что является одним из основных источников данных для подбора оптимального типа внутрискважинного оборудования (пескозадерживающих фильтров). Подготовлены рекомендации об оптимальных характеристиках внутрискважинных фильтров для данного типа пород. На основе комплексного научного метода разработан и применен к конкретным условиям мультидисциплинарный подход к определению оптимальных параметров эксплуатации скважин газовых месторождений со слабосцементированными коллекторами (в том числе арктических шельфовых месторождений России), с учетом механических и структурных особенностей низкопрочных пород. Дополнительно проведенные работы: 1) Организовано совместное исследование изучаемого коллектора в коллаборации с ООО «Системы для микроскопии и анализа» (СМА) - одной из ведущих научно-технических и инжиниринговых компаний в России, пионерами в применении мультимасштабной объемной микроскопии для решения задач различных отраслей науки и техники. С их участием применяемые в проекте методы были существенно дополнены включением методов растровой электронной микроскопии (РЭМ). В дополнение к геомеханическим испытаниям, компьютерной томографии и цифровому анализу керна, новый подход позволил провести детальный микроструктурный и минералогический анализ образцов. Использование РЭМ с энергодисперсионной спектроскопией (EDS) обеспечило точную идентификацию минерального состава матрицы породы и вынесенного песка, а также визуализацию распределения минералов на микроуровне. Это значительно расширило возможности анализа процессов разрушения и пескопроявления, обеспечив повышение точности и детализации исследований и позволив детально изучить микроскопические изменения структуры коллектора. Совместное применение РЭМ и КТ обеспечило комплексное понимание процессов в коллекторе, что повысило достоверность рекомендаций по безопасной эксплуатации скважин и снижению рисков пескопроявлений. На базе проведенных в коллаборации исследований был расширен разработанный в рамках проекта комплексный подход включением методов растровой электронной микроскопии, представлено описание модифицированного метода. 2) В дополнение к запланированному цифровому гранулометрическому анализу продуктов разрушения был проведен морфометрический анализ. Определены статистические значения показателей сферичности частиц в рамках подходов Крумбейна и Шеппарда. 3) Были проведены предварительные трехосные многостадийные испытания на кубических образцах пород с целью определения механических свойств, включая модули Юнга и Пуассона, удельное сцепление и угол внутреннего трения. Эти тесты позволили оценить значения упругих и прочностных характеристик, а также выявить степень проявления анизотропии прочности пород в различных направлениях относительно напластования. Для этого при испытаниях образцов девиаторная нагрузка прикладывалась вдоль и перпендикулярно направлению залегания пород. Результаты использованы для валидации моделирования, корректировки программ нагружения и последующего анализа устойчивости скважин и рисков пескопроявления при эксплуатации месторождения 4) Проведена апробация и адаптация цифровой части развитого научного подхода для структурно схожих низкопрочных высокопористых пород подземного хранилища газа (ПХГ). Рассматриваемый коллектор ПХГ обладал схожими механическими и фильтрационными характеристиками с изучаемым в рамках проекта коллектором газоконденсатного шельфового месторождения, а также аналогичным средним размером зерен матрицы, что позволило использовать образцы пород ПХГ в качестве модельных образцов для апробации методики томографии и цифрового анализа.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты исследований могут позволить значительно повысить эффективность разработки газоконденсатных месторождений, в том числе арктического шельфа России, благодаря снижению рисков разрушения стволов скважин и повышения безопасности их эксплуатации. Разработанные методики определения оптимальных параметров депрессий и подбора внутрискважинного оборудования позволят повысить устойчивость скважин, сократить затраты на ремонтно-восстановительные работы, увеличить сроки безаварийной эксплуатации и снизить вероятность аварийных ситуаций, что имеет прямое влияние на экономическую эффективность добычи углеводородов. Формирование научно-технологического задела в виде комплексного мультидисциплинарного подхода к оценке механико-структурных пород и рисков пескопроявления способствует развитию отечественных технологий в области повышения нефте- и газоотдачи пластов и оптимизации эксплуатационных режимов скважин. Это обеспечит импортонезависимость в области разработки сложных месторождений с низкопрочными коллекторами и может быть внедрено в крупнейших отечественных нефтегазовых компаниях для оптимизации производственных процессов. Кроме того, полученные в проекте знания и методики могут быть использованы при проектировании и модернизации объектов добычи и хранения в пластах со схожими условиями, например подземных хранилищ газа, что позволит повысить их надежность и безопасность, и что напрямую связано с обеспечением энергетической безопасности России. Результаты проекта имеют прикладное значение и в социальной сфере за счёт повышения промышленной безопасности и снижения рисков аварий при добыче углеводородов, что способствует защите окружающей среды, снижению технологических потерь и обеспечивает стабильность занятости в отраслях нефтегазового комплекса. Разработанные технологии могут быть внедрены в программы подготовки кадров в области нефтегазовой инженерии и геомеханики, тем самым способствуя формированию высококвалифицированного научно-технического потенциала страны.