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 25-77-10005
НазваниеРазработка комплексного подхода к исследованию механических и фильтрационных процессов в призабойной зоне пластов сеноманских залежей арктического шельфа России с целью предотвращения разрушения стволов скважин и определения эффективных способов контроля выноса песка на базе технологий цифрового керна и уникальных геомеханических испытаний
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 №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-301 - Геомеханика
Ключевые слова геомеханическое моделирование, цифровой анализ керна, слабосцементированные коллекторы, пескопроявление, анизотропия ФЕС, анизотропия прочности, проницаемость горных пород, устойчивость скважин, рентгеновская компьютерная томография, безопасная эксплуатация скважин, газовые месторождения, ползучесть, эффективность работы скважин, истинно трехосные испытания.
Код ГРНТИ52.47.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Современное смещение приоритетов в сторону наращивания и разработки сложных скважин на месторождениях углеводородов требует применения новых технологий и решений, направленных на повышение эффективности их эксплуатационных характеристик и снижения рисков аварий. Исследования последних лет в совокупности с опытом разработки сложных месторождений углеводородов показали, что неоднородность и анизотропия свойств коллекторов оказывают значительное влияние на характер механических и массообменных процессов в пластах, что свидетельствует о необходимости учета этих факторов при создании и развитии новых технологий. Особенно ярко эти сложности проявляются в отношении коллекторов газовых и газоконденсатных месторождений сеноманского яруса, расположенных на российском арктическом шельфе. Арктический шельф является огромной кладовой углеводородов, содержащей как минимум четверть мировых запасов нефти и газа. Однако в настоящее время освоение северного региона сталкивается со значительными трудностями. В первую очередь они связаны с трудностями разработки и эксплуатации месторождений в сложных условиях арктического шельфа, а также с высокими экономическими издержками. Коллекторы газовых месторождений часто представляют собой слабоконсолидированные, высокопроницаемые песчаники с низкой прочностью. Пескопроявление в них ведет к образованию песчаных пробок, выносу песка по технологической цепочке, снижению дебита, износу оборудования и значительным экономическим потерям из-за уменьшения производительности и затрат на ремонт. Вместе с высокими рисками потери устойчивости эти факторы подчеркивают важность разработки подходов к лабораторному изучению свойств коллекторов в условиях, которые реально возникают вблизи скважин.
Для успешной разработки таких коллекторов необходимы современные подходы, основанные на комплексных исследованиях кернового материала. В настоящее время все ведущие нефтегазовые компании в мире включают в стратегию своего развития использование цифровых технологий, что касается и цифровизации проводимых исследований керна. Технологии компьютерной томографии и цифрового анализа керна становятся неотъемлемым, а порой незаменимым дополнением при оценке свойств коллекторов, позволяющим существенно расширить и уточнить спектр получаемых результатов.
Настоящее исследование направлено на развитие и адаптацию к условиям уникальных месторождений северного шельфа РФ нового комплексного подхода к определению безопасных и эффективных параметров эксплуатации скважин месторождений со слабоконсолидированными коллекторами с учетом структурных, реологических, механических, фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) и их анизотропии на базе технологий цифрового керна и уникальных геомеханических испытаний.
Будут проведены уникальные геомеханические испытания пород из коллекторов конкретных месторождений на российском оборудовании, не имеющем аналогов в России и мире. Для механических опытов используется Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН), созданная в ИПМех РАН. Цифровая часть исследований проводится на передовом высокоразрешающем микротомографе Procon CT-MINI. Результаты исследований позволят развить и адаптировать мультидисциплинарный подход к определению параметров безопасной и эффективной эксплуатации скважин в слабосцементированных коллекторах Арктического шельфа, что также позволит определить оптимальные условия работы конкретного уникального шельфового месторождения. Таким образом, уникальность проекта заключается в разработке и применении современного комплексного подхода к исследованию влияния сложных напряженно-деформированных состояний на фильтрационные и механические свойства пород с учетом их анизотропии. Результаты позволят внести вклад в понимание поведения коллекторов в условиях трехмерных напряжений, определить рациональные методы борьбы с выносом песка и оптимизировать режимы эксплуатации скважин, что повысит эффективность методов добычи углеводородов.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения будут применяться экспериментальные и измерительные методы, не уступающие мировому уровню, а методика и оборудование для геомеханических исследований превосходят зарубежные аналоги. В частности, геомеханические разделы проекта будут выполнены на уникальной отечественной установке, Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН) ИПМех РАН, которая позволяет воссоздавать истинно трехмерные напряженно-деформированные состояния в кубических образцах пород-коллекторов, и, тем самым, в лабораторных условиях полностью воспроизводить реальные напряжения, возникающие в окрестности скважин и пласте при проведении различных технологических операций. Для реализации цифровой части исследований, компьютерной томографии и цифрового неразрушающего анализа структуры и коллекторских свойств пород будет использован современный высокоразрешающий рентгеновский микротомограф ProCon X-Ray CT-MINI Института проблем механики РАН.
Основные результаты исследований включают: 1) определение исходных упругих, прочностных, коллекторских и структурных свойств пород с применением механических, ультразвуковых и томографических методов; 2) оценку фильтрационно-емкостных свойств и степени их анизотропии в ходе численного моделирования потоков фильтрации на базе цифровых двойников пород; 3) описание процессов деформирования, ползучести, разрушения и фильтрации в породах-коллекторах в условиях истинно трехмерных полей напряжений, возникающих в разных точках вблизи скважин, с учетом изменения давления на забое; 4) описание механизмов выноса песка, деформирования и разрушения ствола скважины при увеличении сжимающих нагрузок; 5) результаты цифрового анализа изменений внутренней структуры и ФЕС, характеристик выносимого песка и описание трещинообразования после геомеханического воздействия; 6) определение степени анизотропии механических свойств пород и ее влияния на процессы деформирования и разрушения в окрестности скважин. На основе результатов исследования будут определены оптимальные для условий шельфового месторождения параметры для безопасной и эффективной эксплуатации скважин изучаемого объекта: 1) определены безопасные для стабильности скважин величины депрессий; 2) описан характер разрушения ствола скважины и призабойной зоны, локализированы очаговые точки инициации разрушения на стенках скважины; 3) определены оптимальные характеристики внутрискважинных фильтров для эффективного контроля песка.
Результаты исследований позволят развить и адаптировать новый мультидисциплинарный подход к определению параметров безопасной эксплуатации скважин в слабосцементированных коллекторах Арктического шельфа, что также позволит определить оптимальные условия работы конкретного уникального шельфового месторождения. Будут определены допустимые депрессии на забое скважин с целью минимизации рисков пескопроявлений; определены условия начала и интенсивности пескопроявлений, что поможет прогнозировать разрушение призабойной зоны и определить оптимальные характеристики внутрискважинного оборудования; определены преобладающие механизмы разрушения призабойной зоны; спрогнозирована интенсивность выноса песка на погонный метр скважин, проведен анализ образовавшейся в ходе геомеханического воздействия трещиноватости и его влияния на продуктивность скважин; будут получен широкий спектр данных для смежных исследований и наполнения моделей, в том числе для создания геомеханической модели месторождений; будет создана библиотека цифровых двойников коллектора исследуемого объекта с целью использования для моделирования иных процессов в ходе дальнейших исследований. Таким образом, уникальность проекта заключается также в разработке и применении современного комплексного мультидисциплинарного подхода к исследованию влияния сложных напряженно-деформированных состояний на фильтрационные, деформационные и реологические свойства коллекторов с учетом их анизотропии, на базе совместного применения технологии цифрового керна, численного моделирования и уникальных геомеханических испытаний. Результаты исследований внесут значительный вклад в понимание поведения коллекторов в условиях трехмерных напряжений, позволят определить рациональные методы борьбы с выносом песка и оптимизировать режимы эксплуатации скважин, что повысит эффективность методов добычи углеводородов.
Заявленные экспериментальные исследования имеют важное значение как в фундаментальном научном плане ввиду разнопланового изучения процессов деформирования, ползучести, 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 безопасных, эффективных и экономичных подходов к разработке и эксплуатации скважин, предотвращения развития негативных процессов в пластах, снижения рисков и аварийности на газовых месторождениях со слабоконсолидированными коллекторами.
Описанный спектр исследований высокопористых пород-коллекторов уникального газового месторождения северного шельфа, включающий проведение уникальных опытов по прямому геомеханическому моделированию деформационных и реологических процессов в окрестности скважин, эксперименты по изучению пескопроявления и разрушения стволов скважин, многомасштабный цифровой анализ структурных и коллекторских свойств керна с учетом анизотропии, численное моделирование процессов фильтрации на цифровых двойниках пород, будет проведен впервые. С прикладной точки зрения значимость и новизна проекта состоят также в разработке для исследуемого Арктического объекта 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.