Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа

Подземное хранение газа в России имеет более чем 50-летнюю историю и подземные хранилища газа (ПХГ) являются неотъемлемой частью Единой системы газоснабжения страны и важнейшим объектом энергетической безопасности России. К настоящему времени на территории Российской Федерации в ОАО «Газпром» создано и эксплуатируется 25 объектов подземного хранения газа, с общей активной емкостью около 100,8 млрд. м3. Все газохранилища созданы в пористых средах (преимущественно песчаниках) и расположены в различных регионах России, они обеспечивают около 7% объема экспортных поставок газа.

Основной чертой процессов, протекающих в подземных хранилищах газа, является цикличность воздействия на вмещающие пласты-коллектора, а скорость их протекания во много раз превышает величины, характерные для естественных месторождений. Прямое изучение явлений в подземных хранилищах газа, влияющих на изменение их эксплуатационных параметров, невозможно, поэтому приходится широко использовать косвенные методы исследования и оценки. К ним относятся различные расчеты по данным наблюдений за многолетней эксплуатацией хранилищлабораторные исследования на природных породах-коллекторах и их аналогах в условиях, максимально близких к реальным в ПХГчисленное моделирование подземных объектов на основе современных теоретических разработок и специальных программных комплексов. Одной из наиболее важных проблем, возникающих в ходе эксплуатации ПХГ, является уменьшение активного объема газохранилищ, обусловленное изменением напряженного состояния массива пластов-коллекторов, появляющихся в них деформаций, ухудшением коллекторских свойств.

Проведенный анализ литературных источников, посвященных вопросам создания и эксплуатации ПХГ, показывает, что именно вопросы деформационного изменения структуры, порового пространства пород-коллекторов, вмещающих подземные хранилища газа, изучены недостаточно. В связи с этим, целью работы является экспериментальное моделирование изменения деформационных и 3 емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа.

Для достижения поставленной цели в рамках настоящего исследования решались следующие задачи:

1. Изучить состояние проблемы, обобщить и проанализировать имеющиеся литературные данные, в которых рассматриваются вопросы подземного хранения газа, особенности создания и эксплуатации ПХГ, деформационные и емкостные свойства вмещающих подземные хранилища пород для обоснования цели и задач исследования.

2. На основании наблюдений за многолетней работой реальных подземных хранилищ газа провести анализ режимов эксплуатации, являющихся реакцией поровой среды пласта-коллектора на циклическое изменение пластового давления.

3. Провести испытания, имитирующие условия эксплуатации реальных ПХГ, при многократном циклическом изменении порового давления, как при равномерном всестороннем сжатии, так и при изменении девиатора напряжений на модельных образцах песчаников.

4. Исследовать изменение микроструктуры порового пространства, пористости и проницаемости модельных песчаников при циклическом изменении порового давления.

5. В результате анализа выполненных экспериментальных исследований выявить основные факторы, влияющие на изменение емкостных параметров в процессе циклической эксплуатации подземных газохранилищ.

Диссертационная работа является результатом исследований, проведенных за время обучения в. очной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии, геологического факультета МЕУ им. М. В: Ломоносова с 2006 по 2009 гг. Фактический материал, использованный в работеполучен на' основании лабораторных испытаний, проведенных на кафедре, а так же в: лаборатории ООО «Подземгазпром», на основании собранных фондовых материалов в ООО «Подземгазпром» и изучении опубликованных источников, посвященных теме исследования.

В качестве объекта исследования рассматривались модельные образцы песчаников, созданные специально для проведения экспериментальных работ. Всего было испытано более 100 образцов.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем.

1. Впервые на модельных образцах песчаников экспериментально установлено, что при многократном переменном изменении порового давления (от 5 до 22 МПа) в условиях постоянного всестороннего сжатия (25 МПа) увеличиваются объемные деформации, появляются остаточные и уменьшается открытая пористость.

2. На основании исследования микроструктуры порового пространства до и после лабораторных экспериментов с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ) впервые установлено, что в ходе циклических испытаний уменьшение пористости происходит, прежде всего, за счет сокращения количества мезапор, существенно возрастает доля ультракапиллярных пор и поровых каналов, за счет чего коэффициент проницаемости породы уменьшается в несколько раз.

3. Выявлены и впервые количественно оценены основные факторы, влияющие на изменение деформируемости и пористости образцов модельных песчаников в связи с циклическим изменением порового давления: для большей амплитуды изменения порового давления и начальной пористости характерны более значительный рост объемных и остаточных деформаций и большее уменьшение пористости.

4. Впервые выполнено численное моделирование многолетней эксплуатации пласта-коллектора подземного хранилища газа и окружающей его области с использованием программного комплекса ABAQUS, позволяющего выявить и количественно оценить наиболее важные факторы, влияющие на изменение емкостных параметров пласта-коллектора.

Результаты проведенных исследований сформулированы, в виде нижеприведенных защищаемых положений:

1. Режим эксплуатации подземных хранилищ газа в результате их многолетней работы постепенно меняется с упруго-водонапорного на газовой, что 5 косвенно свидетельствует о необратимом изменении структуры пористого коллектора.

2. Циклическое изменение порового давления в условиях постоянного гидростатического сжатия приводит к появлению остаточных деформаций, что свидетельствует о необратимом изменении структуры порового пространства: уменьшается общая пористость, значительно возрастает доля капиллярных и ультракапиллярных пор и поровых каналов, что приводит к существенному снижению проницаемости породы-коллектора.

3. Определяющими факторами в процессах необратимого изменения деформируемости и пористости являются амплитуда изменения порового давления и начальная пористость образцов, что установлено экспериментальными исследованиями и подтверждено численным моделированием.

4. При многократном циклическом изменении эффективного напряжения, как при гидростатическом, так и при переменном всестороннем сжатии, увеличение объемных деформаций и уменьшение пористости носят затухающий характер.

Практическая значимость работы заключается в выявлении одной из возможных причин уменьшения рабочего объема пласта-коллектора, вмещающего подземное хранилище, и определении основных факторов, влияющих на него. Проведенные исследования могут быть использованы при выборе наиболее оптимальных параметров эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых породах и минимизации потерь их рабочего объема при многолетней работе.

Основные положения и выводы представленной работы изложены в восьми публикациях в сборниках трудов научных конференций, а так же опубликованы в статье реферируемого журнала, рекомендованного ВАК «Вестник Московского университета. Серия 4. Геология». Результаты исследований докладывались на международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых.

Ломоносов-2006″, «Ломоносов-2007» и «Ломоносов-2008» (МГУ), на УШ.

Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (РГГРУ, 2007), на VII.

Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой 6 промышленности» (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2007), на ежегодных чтениях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (РАН, 2008), на пленарном заседании российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планета Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов» (МГУ, 2009).

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 171 страницу машинописного текста (без приложений), 108 рисунков и 27 таблиц.

Результаты исследования микроструктуры поровой среды приведены в табл. 5.3 и 5.4 и на рис. 5.11−5.14. В табл. 5.3 представлены геометрические характеристики порового пространства песчаника после испытаний. Из ** следует, что общая пористость исследуемого образца 37,20%, то есть уменьшилась на 4,5%, а удельная поверхность (3,82 1/мкм) — увеличилась 11 1,5 1/мкм, что свидетельствует о значительном перераспределении П°Р> произошедшем в результате циклических испытаний.

Рис. 5.7. Микроструктура искусственного песчаника с 10% цемента в составе после испытания (увел. 125 раз).

1Q0KX I Probe" 100 pA SignelA*=SE1 30.00 kV WD- 10 mm Fie Name — чмсЗСа-13 tif.

Рис. 5.8. Микроструктура искусственного песчаника с 10% цемента в составе после испытания (увел. 1000 раз).

Рис. 5.9. Микроструктура искусственного песчаника с 10% цемента в составе после испытания (увел. 10 000 раз).

Рис. 5.10. Микроструктура искусственного 10% песчаника после испытания (увел. 16 ООО раз).

Заключение

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ данных по эксплуатации параметров Краснодарскогои 1.

Кущевского подземных хранилищ газа показал, что за десятилетний период наблюдений их режим стремится к изменению с упруговодонапорного на газовый. Это косвенно свидетельствует о необратимом перераспределении структуры поровой среды, приводящем, в свою очередь, к изменению проницаемости коллектора. Можно предположить, что аналогичный процесс характерен для всей группы Северо-Кавказских газохранилищ, созданных в аналогичных геологических условиях.

2. Экспериментально установлено, что при циклическом изменении напряженно-деформированного состояния пород в ходе эксплуатации подземных хранилищ газа происходит рост объемных деформаций в породах-коллекторах, появляются и накапливаются остаточные деформаций. Объемные деформации в зависимости от напряжений, цикличности их изменения и начальной прочности достигают 0,045 д. ед., а остаточные — 0,015 д. ед. Полученные экспериментальные значения, являются небольшими по абсолютным величинам, однако, в рамках природного коллектора они достаточно велики и могут существенно сказаться на изменении активного объема резервуара в ходе его эксплуатации. 1.

3. Исследование изменения микростроения порового пространства модельных образцов после их циклического нагружения и разгрузки показало уменьшение общей пористости, происходящее, прежде всего, за счет сокращения вклада мезапор, по которым в основном идет фильтрация, в то время > как содержание ультракапиллярных пор, микропор и поровых каналов возросло. При этом коэффициент проницаемости породы, рассчитанный по РЭМ-изображениям на основании сеточной модели с включенными объемами, с учетом критических диаметров поровых каналов уменьшается в несколько раз — от 2,31*10~5 Д до г.

2,57*10″ 6 Д (для песчаников с 10% песчаников) и от 3,20*10″ 6 Д до 1,58*10~б Д (для песчаников с 20%).

4. Характер изменения структуры порового пространства зависит от амплитуды изменения порового давления, начальной пористости и прочности породы. Наибольшее влияние оказывает разность величин порового давления: максимальное уменьшение пористости достигается при максимальной амплитуде порового давления. Существует прямая зависимость между начальной пористостью и ее уменьшением при циклических испытаниях. С увеличением исходной прочности породы влияние циклического изменения напряженного состояния на деформируемость и проницаемость уменьшается.

5. В условиях циклического изменения тензора напряжений, как при постоянном, так и при неравномерном всестороннем сжатии, процесс увеличения объемных деформаций и уменьшения пористости при переходе от цикла к циклу приобретает затухающий характер. Выявленные зависимости позволяют предположить, что емкость реальных подземных хранилищ газа при их многолетней эксплуатации примет стабильное и устойчивое значение.

6. Результаты экспериментального изучения деформируемости и пористости образцов подтверждаются численным моделированием поведения пласта-коллектора в процессе его эксплуатации в условиях, близких к реальным подземным хранилищам газа, рассмотренным в диссертационной работе.