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

Калиниченко, Ирина Владиславовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа"

003404385

На правах рукописи

Калиниченко Ирина Владиславовна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ЕМКОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРИСТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ В СВЯЗИ С ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ ПОДЗЕМНЫХ

ХРАНИЛИЩ ГАЗА

Специальность 25.00.08 «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

автореферат 2 6 НОЯ 2009

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 2009 г.

003484985

Работа выполнена на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор геолош-минералогических наук, профессор Голодковская Галина Андреевна

кандидат технических наук Хпопцов Валерий Геннадьевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор Зиангиров Рэм Сабирович

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Емельянов Сергей Николаевич

Московский государственный горный университет

Защита диссертации состоится 11 декабря 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Главное здание МГУ, сектор «А», 6 этаж).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119991, г.Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, учёному секретарю диссертационного совета профессору В Л. Соколову.

Автореферат разослан 10 ноября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогаческих наук, профессор

В.Н. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземное хранение газа в России имеет более чем 50-летнюю историю, подземные хранилища газа (ПХГ) являются неотъемлемой частью Единой системы газоснабжения страны и важнейшим объектом энергетической безопасности России. К настоящему времени на территории Российский Федерации 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.

Основной чертой процессов, протекающих в подземных газохранилищах, является цикличность воздействия на вмещающие пласты-коллектора, а скорость их протекания во много раз превышает величины, характерные для естественных месторождений. Прямое изучение явлений, влияющих на изменение эксплуатационных параметров в подземных хранилищах газа, невозможно, поэтому широко используются косвенные методы их исследования и оценки. К ним относятся различные расчеты по данным наблюдений за многолетней эксплуатацией хранилищ; лабораторные исследования на природных породах-коллекторах и их аналогах в условиях, максимально близких к реатьным в ПХГ; численное 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 вопросы деформационного изменения структуры порового пространства пород-коллекторов, вмещающих подземные хранилища газа, изучены недостаточно.

Целью работы является экспериментальное моделирование изменения деформационных и 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.

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 деформации, 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 АВАСШЭ, позволяющего выявить и количественно оценить наиболее важные факторы, влияющие на изменение емкостных параметров пласта-коллектора.

Результаты проведенных исследований сформулированы в виде основных защищаемых положений:

1. Режим эксплуатации подземных хранилищ газа в результате их многолетней работы постепенно изменяется с упруго-водонапорного на газовый, что 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 неравномерном 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 оптимальных параметров эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых породах и минимизации потерь их рабочего объема при многолетней работе.

Апробация работы. Основные положения и выводы представленной работы изложены в восьми публикациях в сборниках трудов научных конференций, а также 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 VIII 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 промышленности» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007), на ежегодных чтениях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (X Сергеевские чтения, 2008), на пленарном заседании российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых

«Планета Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов» (МГУ, 2009).

Структура работы, фактический материал и личный вклад автора.

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.

В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором в ходе исследований, проведенных на кафедре инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова, а так же в лаборатории геомеханики ООО «Подземгазпром» за время обучения в очной аспирантуре с 2006 по 2009 гг. Основные положения работы и её выводы основываются на результатах экспериментальных исследований, выполненных на образцах модельных песчаников (более 100 образцов), анализе фактических данных режимных наблюдений за многолетней работой подземных хранилищ газа и численном моделировании процесса их эксплуатации.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям д.г.-м.н., профессору Г.А. Голодковской и к.т.н. В.Г. Хлопцову за неоценимую помощь и всестороннюю поддержку на всех этапах выполнения работы. Автор благодарен д.г.-м.н., профессору В.Н. Соколову за проведение РЭМ исследований и к.г.-м.н. H.A. Ларионовой за помощь в подборе рецептуры создания модельных образцов песчаников. Неоценимая помощь и внимание были оказаны к.г.-м.н. Т.Ю. Журавлевой, за что автор выражает ей глубокою признательность. Также автор благодарен к.т.н. М.Н. Тавостину и к.т.н. ЮЛ. Филимонову за рекомендации и помощь при выполнении экспериментальной части работы, и всем сотрудникам отдела геомеханики ООО «Подземгазпром» за всестороннюю поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Состояние проблемы

Вопросам сооружения и эксплуатации ПХГ и мировой практике их

использования посвящены труды К.С. Басниева, С.Н. Бузинова,

Н.М. Дмитриева, К.С. Зиновьева, Е.В. Левыкина, М.В. Лурье, В.А. Казаряна,

В.И. Смирнова, И.А. Чарного, А.И. Ширковского и многих других. В главе дана краткая история развития подземного хранения газа в мире и в России, рассмотрены различные типы подземных газохранилищ. Наиболее широкое распространение получили ПХГ в пористых средах (в истощенных месторождениях углеводородов и водонасыщенных пластах), к ним относятся все 25 объектов подземного хранения, созданных на территории Российской Федерации.

Создание хранилищ в пористых средах базируется на использовании природной пористости и проницаемости пород-коллектров. Исследованиями в области определения коллекторских свойств занимались: Е.И. Баюк, М.П. Воларович, М.К. Калинко, H.H. Павлова, Е.А. Поляков, A.A. Ханин и др. Во многих литературных источниках указывается, что прямой зависимости между пористостью и проницаемостью нет, хотя рядом авторов указывается, что, как правило, более проницаемые породы часто являются и более пористыми. Помимо пористости и эквивалентных диаметров каналов на проницаемость оказывают влияние и другие факторы: напряженное состояние, температура, взаимодействие флюидов с породой и др. Из приведенных работ следует, что, зная исходные коллекторские свойства продуктивного пласта, глубину его залегания и режим эксплуатации ПХГ, можно предсказать изменение проницаемости, и, соответственно, изменение активного объема резервуара.

Теоретические исследования деформирования и разрушения пород-коллекторов и вопросы напряженно-деформированного состояния нефтяных и газовых месторождений рассмотрены в работах Б.В.Байдкжа, К.С. Басниева, Ш.К. Гиматудинова, В.М. Добрынина, Ю.П. Желтова, Г.С. Жданова, В.А. Казаряна, Ф.И. Котяхова, П.К. Кучинского, К.Г. Оркина, М. Маскета, И.А. Чарного, А.И. Ширковского и многих других. В них отмечается, что горные породы, образующие естественный геологический резервуар для подземного хранения газа, в процессе эксплуатации ПХГ находятся в условии длительного циклического нагружения (несколько десятков лет), обусловленного периодическими закачками и отборами хранимого продукта.

Анализ литературных источников, посвященных экспериментальным исследованиям поведения коллекторов, показал, что отсутствует единый общепринятый методический подход к экспериментальному изучению физико-механических свойств пород-коллекторов и их взаимосвязи с емкостно-фильтрационными свойствами, учитывающий особенности их деформирования и нагружения при подземном хранении газа. Экспериментальное изучение деформационных и коллекторских свойств горных пород при высоких термобарических условиях, характерных для ПХГ, достаточно сложно и трудоемко. Решением этих задач занимались Г.М. Авчян, Д.А. Антонов, Б.В. Байдюк, М.П. Воларович, Н.С. Гудок, М.К. Калинко, Ю.П. Коротаев, В.М. Добрынин, Н.Н Павлова, Л.А. Шрейнср, И. Фатт и др. Изучалось влияние уровня внешнего нагружения на деформирование пород и изменение их деформационных и емкостно-фильтрационных свойств.

Проведенный обзор показал, что в рассмотренных работах, за небольшим исключением, влияние цикличного нагружения на поведение пород-коллекторов, изменение их деформационных, емкостно-фильтрационных свойств в связи с эксплз'атацией подземных хранилищ газа изучено недостаточно. Процессы, протекающие в зоне, удаленной от эксплуатационных скважин и не находящейся в зоне кх непосредственного влияния, практически не изучены. Выполненный анализ позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Глава 2. Изменения в породах-коллекторах по результатам данных эксплуатации реальных газохранилищ

Одним из факторов, влияющих на процессы, протекающие в подземных

хранилищах, является режим эксплуатации пласта-коллектора. Под ним

понимается проявление доминирующего вида пластовой энергии, приводящей

в движение флюид. Различают газовый, жесткий водонапорный и

упруговодонапорный режимы эксплуатации. По мнению Ш.К. Гиматудинова,

А.И. Ширковского, В. Н. Николаевского и других в случае реализации газового

режима существенного изменения геометрического объема газонасыщенной

части при изменении давления не происходит. При жестком водонапорном

режиме наблюдается обратная ситуация. В этом случае пластовая вода вытесняет газ без его существенного расширения, и начальное пластовое давление практически не изменяется во времени. Упруго-водонапорный режим занимает промежуточное положение. Таким образом, режим эксплуатации пласта отражает реакцию поровой среды на изменение его рабочего давления.

Количественно режим эксплуатации пласта определяется одной из зависимостей приведенного пластового давления от относительного объема отбираемого газа через безразмерный коэффициент а, который рассчитывается по формуле:

Р £ü2L_I_~ 0щ*_

Л '

где р и риич - соответственно текущее и начальное пластовое давление; г и :нам -текущий и начальный коэффициент сверхсжимаемости газа, зависящий от давления и температуры; Qm6 и Qm - соответственно объем отбираемого газа и начальный объем газа в пласте. При а и 1 режим эксплуатации пласта близок к газовому, при 0<а<1 режим эксплуатации пласта является упруговодонапорным, а при а« 0 - близок к жесткому водонапорному. При режиме, близком к газовому, объем хранилища находится в обратной зависимости от давления в пласте-коллекторе; при режиме, близком к жесткому-водонапорному, объем хранилища изменяется вне зависимости от перепадов давления; при упруго-водонапорном режиме эксплуатации зависимость между пластовым давлением и объемом отбираемого газа неоднозначна. Отсюда следует, что режимы эксплуатации и коэффициент а, характеризующий их количественно, являются косвенной характеристикой проницаемости пласта-коллектора, а их изменение будет свидетельствовать об изменении поровой структуры и фильтрационно-емкостных характеристик хранилища. Данное положение было проверено расчетами, выполненными на реальных ПХГ - Краснодарском и Кущевском, расположенных на Северном Кавказе. Были использованы результаты многолетних режимных наблюдений за эксплуатацией этих хранилищ. Оба ПХГ были созданы на базе истощенных газо-конденсатных месторождений в песчаниках с пористостью, мощностью и

глубиной заложения, соответственно - 25 %, 30 м и 950 м; и 23 %, 20 м и 1250 м.

На основании расчетов получено, что для Краснодарского хранилища характерен упруго-водонапорный режим эксплуатации (рис. 1). Тем не менее, наблюдается явная тенденция к увеличению коэффициента а (приближению его к единице) с ростом количества циклов отбора.

я я

•а

•а-

о «

Рис. 1. Изменение величины коэффициента а,

характеризующего режим эксплуатации пласта-коллектора, при

циклической эксплуатации Краснодарского ПХГ

Циклы отбора газа

Постепенно упруго-водонапорный режим изменяется на газовый. Одной из причин этого явления (а возможно и единственной) является изменение емкостно-фильтрационных свойств коллектора, уменьшение его пористости и проницаемости. Аналогичные результаты получены и для Кущевского ПХГ.

Анализ данных многолетней эксплуатации подземных хранилищ и выполненные расчеты свидетельствуют о реальности изменений, происходящих в пластах-коллекторах ПХГ, в связи с их циклической работой.

Глава 3. Методика экспериментального изучения пористости и деформируемости модельных образцов песчаников

Для проверки гипотезы об изменении поровой среды песчаников в подземных хранилищах в ходе их циклической эксплуатации была проведена серия экспериментов в условиях, максимально приближенных к реальным. Для получения качественной картины процесса изменения пористости и деформируемости в зависимости от режима испытания наиболее приемлемым вариантом было проведение экспериментов на модельных образцах искусственных песчаников. Это позволило получить практически одинаковые образцы в необходимом для экспериментов количестве и избежать проблем,

связанных с использованием природных образцов, которые, как правило, неоднородны по составу, имеют различную степень сохранности и свойства.

Подбор рецептуры выполнен в лабораториях кафедры инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова. В качестве основы был выбран кварцевый мелкозернистый песок старооскольского горизонта девонской системы отобранный с глубины 580-600 м из разведочных

скважин Тульской площади (проектируемого ПХГ), а в качестве вяжущего -портландцемент марки 500. В результате были получены образцы с 10 и 20 % содержанием цемента в составе, с пористостью 28-42% и прочностью на одноосное сжатие 3-5 МПа. Эти образцы лучше всего отвечали требуемым для испытаний характеристикам: близость по прочности, плотности и гранулометрическому составу к природным аналогам, достаточно большая пористость для получения наглядной картины деформирования, инертность к используемому в установке флюиду (воде).

Экспериментальные исследования проводились на установке компрессионного сжатия УКС, созданной в межотраслевом научном центре ВНИМИ и ООО «Подземгазпром». Она была специально разработана для изучения поведения пород в условиях всестороннего сжатия и позволяла создавать внутри образца поровое давление и управлять им. Это дает возможность моделировать различные процессы в пласте-коллекторе, в том числе многолетнюю циклическую эксплуатацию подземных хранилищ газа. Величина создаваемых установкой напряжений в образце при всестороннем нагружении позволяет моделировать поведение пород на глубинах до 3000 м (это предельная глубина заложения ПХГ). Установка УКС работает по «классической» схеме Кармана и позволяет создавать следующие виды напряжений: осевое напряжение с^; боковое напряжение а2~ о3; поровое давление Р при соблюдении условий а, >с2=аз> Р. В проводимых нами испытаниях был выбран вариант контролируемых дренированных испытаний с возможностью оттока жидкости во время его нагружения.

Схема испытаний заключалась в следующем: образец опускали в рабочую камеру прибора в герметичной оболочке и подвергали равномерному

всестороннему внешнему нагружению, которое создавалось малыми ступенями в условиях небольшого обжатия поровым давлением. Напряжение создавалось с постоянной скоростью нагружения (0,05-0,08 МПа/с) для предотвращения прорыва оболочки образца и равномерного деформирования его порового пространства. Осевая нагрузка примерно равнялась боковой и на 10-15 % превосходила поровое давление. Эксперимент моделировал условия, в которых глубина хранилища составляла около 1000 м, при этой глубине гидростатическое давление принималось равным 25 МПа. Соответственно начальное (максимальное) значение порового давления составляло 22 МПа. Для имитации циклической работы резервуара при постоянном всестороннем давлении в 25 МПа поровое давление многократно уменьшалось и увеличивалось в диапазоне от 22 МПа до 10 МПа и от 22 до 5 МПа. Количество циклов в каждом эксперименте - от 5 до 14.

В процессе испытаний измерялись продольные и поперечные деформации образца, что позволяло в любой момент оценить объемную деформацию в зависимости от воздействующих напряжений на образец. Благодаря использованию современной регистрирующей аппаратуры «АБТез^Рго» за ходом эксперимента можно было наблюдать в режиме реального времени.

На основании полученных значений объемной деформации и начальных данных по объемам образцов рассчитывали изменение пористости в каждом эксперименте. Параллельно изменение пористости определяли через изменение объема фильтрующегося через образец флюида с помощью гидравлического шприца высокого давления. Для получения зависимостей и дальнейшего их анализа использовали значения, полученные на основании показаний высокоточных датчиков, передающих изменение объема через деформации.

Глава 4. Экспериментальные исследования деформационных свойств пористых коллекторов при циклическом изменении порового давления в условиях постоянного гидростатического сжатия

Для подтверждения предположения об изменении структуры порового

пространства и, следовательно, емкостно-фильтрационных параметров

пористых пород-коллекторов была проведена серия экспериментов по

изучению деформационных, прочностных и коллекторских свойств на модельных образцах. Результаты опытов приведены в тексте диссертации и в приложении к работе.

Обобщение результатов экспериментов проводили по значимым для их оценки признакам: количеству циклов нагрузки-разгрузки, амплитуде порового давления, пористости. Результаты испытаний, выполненных на образцах песчаников с 10 % содержанием цемента, представлены в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1

Результаты экспериментов для образцов модельных песчаников _с 10 % содержанием цемента __________

№ Амплитуда Количество Пористость Остаточные Уменьшение Номер

образца испытания, циклов начальная, деформации, пористости амплитудной

МПа % д.ед. за циклы, % группы

13 13-18 6 42,0 0,002 0,2 III

20 4-20 8(3+5) 39,2 0,008 1,2 II

24 5-19,5 16 38,4 0,003 0,3 I

33 10-21 6 39,0 0,008 1,2 I

36 9-22 10 41,4 0,010 1,5 I

38 8-20 3 39,6 0,002 0,3 I

41 10-21 4 39,2 0,003 0,4 I

42 10-21 10 35,5 0,006 0,8 I

74 5-22 14 39,2 0,015 2,0 11

81 5-22 14 37,3 0,023 1,5 II

ебрээ---

^ 1 4 Л 8 10 » 14 16 " 18

' Номер цикла максимального значения порового давления

Рис. 2. Зависимость объемных деформаций от

количества циклов изменения порового давления для

песчаников с 10% цемента в составе

Анализ кривых на рис.2 показал, что в зависимости от амплитуды изменения порового давления испытанные образцы можно объединить в три группы: I - циклы порового давления от 10 до 22 МПа (амплитуда 12 МПа) -образцы 24, 33, 36, 38, 41, 42; II - от 5 до 22 МПа (амплитуда 17 МПа) -образцы 20, 74, 81 и П1 - от 13 до 18 МПа (разность поровых давлений 5 МПа) - образец 13. Дальнейший анализ экспериментов проводился на основании этого разделения.

К первой группе (I) по изменению амплитуды порового давления (12 МПа) относятся образцы, деформационное поведение которых характеризуется тем, что в опытах наступает стабилизация роста объемных деформаций. Вторая группа образцов (II) с максимальной амплитудой изменения порового давления (17 МПа) характеризуется тем, что в ходе эксперимента (до 14 цикла включительно) стабилизация скорости деформирования не наступает. К третьей группе (III) относятся эксперименты с минимальной амплитудой (5 МПа): момент стабилизации скорости увеличения объемных деформаций для данной группы наступает быстрее всего - уже со второго цикла.

Аналогичные зависимости получены и для образцов с 20 % содержанием цемента (табл. 2 и рис. 3).

Таблица 2

Результаты экспериментов для образцов модельных песчаников с 20 % содержанием цемента

№ образца Амплитуда испытания, МПа Количество Циклов Пористость начальная, % Остаточные деформации, д.ед. Уменьшение пористости за циклы, % Номер амплитудной группы

91 12 11,0 38,4 0,0140 2,00 I

93 17 10,0 28,5 0,0080 0,03 II

94 12 13,5 28,0 0,0075 0,10 I

99 12 Н,5 39,3 0,0070 0,50 1

92 17 10,0 28,4 0,0040 0,60 И

97 17 9,5 37,6 0,0110 1,70 II

101 12 11,0 32,1 0,0010 0,20 I

В главе приводятся результаты экспериментов, выполненных на модельных песчаниках с 10 и 20 % цемента в составе.

Рис. 3. Зависимость объемных деформаций от количества циклов изменения порового давления для

песчаников с 20% цемента в составе

Проведенные исследования показали, что при циклическом изменении порового давления с амплитудой от 5 до 17 МПа в условиях гидростатического сжатия (25 МПа), возникают необратимые остаточные деформации, величины которых могут достигать 0,023 д. ед. для образцов с 10 % цемента в составе и 0,014 д. ед. для 20 % цементных разностей.

Рост объемных деформаций зависит от амплитуды изменения порового давления. Для каждой амплитудной группы прослеживается определенная зависимость стабилизации роста объемных деформаций с увеличением количества циклов изменения порового давления. Затухание процесса деформирования наступает быстрее при малых значениях амплитуды изменения давления флюида (до 12 МПа).

Закономерности деформируемости для образцов с 10 и 20% цемента в составе идентичны, вместе с тем, более прочные 20 % образцы имеют меньшие величины остаточных деформаций и уменьшения пористостей.

Глава 5. Экспериментальные исследования изменения микроструктуры порового пространства

Испытания образцов показали, что в ходе их циклического нагружения и разгрузки, то есть изменения интенсивности напряжений и порового давления, возникают значительные остаточные деформации и уменьшается пористость. В

связи с этим можно предположить, что имела место значительная перестройка структуры порового пространства, заключавшаяся в изменении соотношения содержания пор разного диаметра и, соответственно, разной проницаемости. Изучение изменения микроструктуры порового пространства искусственных песчаников было проведено на программно-аппаратном комплексе, состоящем из РЭМ Leo 1450VP (Фирма Карл Цейс) и программного обеспечения (ПО) «STIMAN» по методике, разработанной В.Н. Соколовым с соавторами. В ходе экспериментов для модельных песчаников с 10 и 20 % цемента в составе проводилось исследование микростроения фрагментов одного и того же образца до и после компрессионного сжатия на установке УКС.

На РЭМ-фотографиях образцов до испытания наблюдаются поры различной формы и соединяющие их узкие поровые каналы. Цементирующее вещество встречается в виде корок на песчаных частицах и в виде игольчатых пучков, расположенных непосредственно на поверхности зерен. На фотографиях образцов после проведенных на них испытаний отмечается большое количество новообразованных микротрещин в цементной корке, тонкоигольчатое цементирующее вещество оказалось перемято.

Обработка РЭМ-изображений с помощью ПО «SUMAN» позволила получить количественные характеристики структуры порового пространства: пористость, общую площадь пор, средние значения эквивалентного диаметра, периметра и площади пор, удельную поверхность. Для 10% цементных аналогов общая пористость уменьшилась с 41,8 % до 37,2 %. Были построены гистограммы распределения пор по эквивалентным диаметрам, на основании которых выделено 4 категории пор: первая D1 - ультракапиллярные с эквивалентными диаметрами менее 0,2 мкм, вторая D2 - микропоры с диаметрами от 0,2 до 1,4 мкм, третья D3 - микропоры с диаметрами от 1,4 до 11,6 мкм и четвертая D4 - мезапоры с диаметрами от 11,6 до 128,3 мкм. Вклад отдельных категорий пор в общую пористость для 10 % цементных модельных песчаников до и после испытания показан на рис. 4. Из диаграмм следует, что до и после испытаний наибольший вклад в общую пористость вносят мезапоры (более 68 и 59 % соответственно), которые в основном определяют

проницаемость породы. Ультракапиллярные поры из-за небольшого размера (менее 0,2 мкм) практически не участвуют в фильтрации. Их вклад в общую пористость до испытания составляет 6 %, а после - возрастает до 12 %.

Рис. 4. Диаграмма вклада в общую пористость различных категорий пор для песчаников с 10 % цемента в составе до испытаний - слева и после -справа

Для 20 % цементных аналогов общая пористость уменьшилась от 32,2 до 31,5%. Это произошло, прежде всего, за счет уменьшения содержания пор наибольшего размера (04=18,82-1101,45 мкм) с 45,3 до 29%. Вклад самых тонких пор и поровых каналов (эквивалентный диаметр менее 0,35 мкм) в общую пористость возрос от 16,2 до 19,2 %. Это позволяет предположить, что проницаемость материала должна уменьшиться, так как фильтрация флюида через более тонкие каналы осуществляется с большими затруднениями.

Помимо количественных характеристик порового пространства с помощью ПО «БИМАИ» была оценена проницаемость образцов. Расчет проводился на основании сеточной модели с включенными объемами, наиболее близко подходящей для описания структуры порового пространства исследуемых образцов. Проницаемость рассчитывалась по формуле

Ф.И. Котяхова: Кпр = 0,061 Д2и,2,1, где Кпр - коэффициент проницаемости, Г), и

¿=1

- эквивалентный диаметр /-го порового канала и его пористость, /„.-интервал размеров, соответствующий границе между каналами и порами. Результаты расчетов показывают, что при учете критического диаметра поровых каналов, значение коэффициента проницаемости уменьшается в несколько раз: от 2,31*10"3Д до 2,57*10"6 Д (для образца с 10% цемента) и от 3,20*10"*Д до 1,58*10"6 Д (для образца с 20 % цемента в составе).

Сравнение результатов изучения порового пространства образцов с 10 и 20 % цемента показало, что для них характерны аналогичные закономерности перестройки структуры вне зависимости от начальной прочности и пористости. Вместе с тем, у более прочных образцов с меньшей начальной пористостью (20 % цемента в составе) после испытаний со знакопеременным изменением порового давления наблюдаются значительно меньшие изменения микроструктуры порового пространства.

Глава 6. Факторы, определяющие деформируемость и изменение структуры порового пространства при циклическом изменении

напряженного состояния Анализ проведенных экспериментов позволил выделить основные факторы, влияющие на деформационное поведение и изменение емкости песчаников.

Исследовались зависимости изменения пористости от её начального значения, от амплитуды порового давления (в том числе и при одинаковой начальной пористости), от количества циклов, требуемых для стабилизации процесса деформирования, от прочности (для образцов с 10 и 20 % цемента в составе).

В главе приведены гистограммы распределения, иллюстрирующие полученные зависимости. Проведенные эксперименты показали, что главными факторами, определяющими степень деформируемости и пористости образцов, являются амплитуда порового давления и их начальная пористость. Лабораторные исследования в целом подтвердили, что изменения пористости тем больше, чем больше амплитуда изменения порового давления, и максимальны по величине для образцов с большей начальной пористостью. С практической точки зрения этот вывод имеет важное значение: при наименьшей разнице между максимальным и минимальным давлением в подземных хранилищах емкость пласта-коллектора за время его работы практически не уменьшится, но подобный вариант эксплуатации пласта является наиболее экономически не выгодным.

Установлено так же, что чем больше начальная пористость образца, тем большее количество циклов изменения порового давления требуется для стабилизации процесса деформирования.

Изменение пористости зависит от начальной прочности образцов. При 20 % содержании цемента в образцах их пористость уменьшается на 0,028 д. ед. для амплитуды изменения порового давления 12МПа и на 0,058 д. ед. - для 17 МПа. При 10 % содержании цемента пористость уменьшается на 0,011 д.ед. и 0,015 д.ед. для амплитуды 12 и 17 МПа соответственно.

Глава 7. Испытания модельных песчаников с изменением девиатора

напряжений

Для более полной характеристики процессов, протекающих в породе-коллекторе, были проведены исследования изменения емкостно-фильтрационных свойств модельных песчаников в условиях изменения девиаторной составляющей напряженного состояния. Проведены следующие серии экспериментов:

- определение прочности водонасыщенных образцов искусственных песчаников с фиксированным поровым давлением и без него;

- определение прочностных и деформационных свойств образцов искусственных песчаников при первоначальном гидростатическом (oí = 02= о3) и поровом давлении Р, с последующим одновременным снижением бокового напряжения 02 = Стз и порового давления Р при поддержании эффективного давления постоянным аЭфф = const;

- изучение деформируемости и изменения пористости искусственных песчаников при циклическом изменении разности напряжений агст3 при соблюдении условий <5\ = const и аЭфф = const после первоначального гидростатического обжатия (oí = о2= о3) с поровым давлением Р.

В главе детально описаны методики проведения указанных видов испытаний, а так же приведены полученные результаты.

Результаты испытания водонасыщенных образцов при отсутствии порового давления показали, что зависимость среднего напряжения аср, характеризующего степень обжатия песчаника и являющегося по сути

характеристикой глубины, от величины девиаторной составляющей напряженного состояния (с1Р-аз) в диапазоне величин среднего напряжения от 1,5 до 16,6 МПа хорошо аппроксимируется прямой линией.

Эксперименты с изменением девиатора напряжений при постоянном поровом давлении показали, что с ростом величины эффективного напряжения а3фф увеличивается предельная величина девиаторной составляющей напряженного состояния о/-а3. Установлено, что в диапазоне величин Сфр от 1,5 до 19,4 МПа эта зависимость хорошо описывается линейной функцией

Сопоставление значений объемных деформаций уплотнения еуупл и разности напряжений (ого/п), соответствующих максимальному уплотнению образца, показывает, что только при постоянном эффективном напряжении, равном 12 МПа, наблюдается значительное превышение значения г^™ по сравнению с образцами, испытанными при меньших значениях эффективного напряжения. С ростом девиатора напряжений увеличиваются объемные деформации, наибольшие величины объемных деформаций достигаются при эффективном напряжении 12 МПа и составляют 0,048 д. ед. При величинах эффективного напряжения менее 8 МПа объемные деформации не превышают 0,029 д.ед., то есть почти в два раза меньше. С увеличением постоянного эффективного напряжения наблюдается практически линейный рост объемных деформаций £уупл и разности главных напряжений арОз5™, соответствующих максимальному уплотнению образца. Установлена практически линейная зависимость между средним напряжением ссрупл и разностью главных напряжений арОзупл, соответствующих максимальному уплотнению образца.

Исследование влияния циклического изменения девиатора напряжений на деформирование образцов в условиях постоянного эффективного напряжения показало, что с каждым последующим циклом величина объемных деформаций растет. При этом наблюдается картина, аналогичная рассмотренной выше для испытаний образцов в условиях постоянного гидростатического обжатия и циклически изменяющегося порового давления (глава 4). Увеличение деформаций прекращается после 8-9 циклов изменения эффективного давления (рис. 5). Объем порового пространства песчаника перестает уменьшаться.

8 9 10

Номер цикла изменения порового давления

Рис. 5. Деформирование образцов песчаников при циклическом изменении девиатора напряжений и постоянном эффективном напряжении

Глава 8. Численное моделирование процесса эксплуатации подземного хранилища газа в пористых средах

Для подтверждения установленных экспериментальным путем качественных и количественных зависимостей было выполнено численное моделирование циклической работы пласга-коллектора на примере Кубанских ПХГ с использованием программного комплекса АВАС^Ш. В программе реализован метод конечных элементов, широко применяющийся для решения проблем, связанных с моделированием напряженно-деформированного состояния неоднородных массивов горных пород и его изменением в результате воздействия разнообразных внешних факторов.

Основой инженерно-геологической модели коллектора, типичного для Северо-Кавказской группы подземных хранилищ газа являлась сводная геологической колонка, построенная для этого региона. В ней было выделено 11 стратиграфо-литологических комплексов. В качестве пласта-коллектора рассматривались отложения эоценового возраста, представленные песчаниками. В связи с тем, что залегающие над коллектором и ниже его породы обладали близким составом и степенью литификации, для упрощения расчетов, была проведена схематизация массива и выделено три инженерно-геологических элемента с одинаковыми свойствами: 1) вышележащие породы (кровля пласта), 2) пласт-коллектор, 3) подстилающие породы (подошва пласта).

При моделировании рассматривалась геомеханическая модель пласта-коллектора и области его влияния, в которой помимо литологии учитывались физико-механические свойства и физические уравнения состояния. Массив, вмещающий пласт-коллектор, принимался горизонтально-слоистым. При моделировании задавались следующие граничные условия: верхняя граница фрагмента свободна от нагрузок и имитирует земную поверхность; по нижней и левой боковой границам расчетный фрагмент закреплен в направлении осей, нормальных к ним; в узлах конечных элементов пласта-коллектора задавалось циклически изменяющееся поровое давление.

Анализ данных лабораторных экспериментов показал, что основными параметрами, влияющими на изменение емкостных свойств, являются изменение порового давления, начальная пористость пород пласта-коллектора и количество циклов эксплуатации ПХГ. В связи с этим в ходе численного моделирования рассматривались различные варианты изменения этих параметров. Изменение коэффициента пористости в связи с изменением напряженно-деформированного состояния массива при циклическом приложении порового давления в ПХГ рассчитывалось по отношению к его начальному значению.

Сравнительный анализ результатов лабораторных экспериментов и численного моделирования показал, что максимальное уменьшение пористости наблюдается с ростом амплитуды порового давления, и порядок их величин совпадает. С каждым последующим циклом коэффициент пористости уменьшается. Качественная картина влияния количества циклов на изменение порового пространства пласта-коллектора (для различной начальной пористости - 28 и 38 %) представлена на рис. 6. Анализ полученных данных показывает, что независимо от величины начальной пустотности, значительное уменьшение пористости наблюдается до 7-8 цикла, при дальнейшей эксплуатации емкостные параметры пласта-коллектора практически не меняются.

Номер цикла изменения порового давления Номер цикла изменения порового давления Рис. 6. Зависимость уменьшения пористости от количества полуциклов эксплуатации при пнан=29% (слева) и п„я,=38%(справа)

Заключение

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ данных по эксплуатации параметров Краснодарского и 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 деформации. 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.

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*10'5Д до 2,57*1045 Д (для песчаников с 10 % цемента) и от 3,20*10"6 Д до 1,58* 10'6 Д (для песчаников с 20 % цемента).

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.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Голодковская Г.А., Калиничгнко И.В. Изменение пористости песчаных пород-коллекторов в связи с циклической эксплуатацией подземных хранилищ газа (ПХГ) // Материалы VIII Международной конференции «Новые идеи в

науках о земле» (10-13 апреля 2007, РГГРУ). Том 8. М.: РГГРУ, 2007. С. 115118.

2. Калиниченко И.В. Исследование проницаемости в песчаниках в результате эксплуатации Краснодарского ПХГ (подземного хранилища газа) // «Ломоносов-2006». Материалы XIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Секция Геология. Подсекция Инженерная геология (7-11 апреля 2006, МГУ). Том II. М.: Изд-во МГУ, 2006. С. 62 - 63.

3. Калиниченко И.В. Исследование структуры порового пространства песчаных коллекторов при многолетней эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) // «Новые технологии в газовой промышленности». Материалы VII Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. Секция 4. Проектирование, сооружение и эксплуатация систем транспорта и хранения газа. Подсекция 4.1. Подземное хранение газа (25-28 сентября 2007 г., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина). М.: ООО «Интерконтакт Наука», 2007. С. 24-25.

4. Калиниченко И.В. Изменение емкостных параметров песчаников в связи с циклической эксплуатацией подземных хранилищ газа (ПХГ) // «Ломоносов 2007». Материалы XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Секция Геология. Подсекция Инженерная геология (11-14 апреля 2007, МГУ). Том 2. М.: СП «Мысль», 2007. С. 51-52.

5. Голодковская Г.А., Калиниченко И.В., Филимонов Ю.Л., Хлопцов В.Г. Инженерно-геологические аспекты изучения подземных хранилищ газа в песчано-алевритовых породах И Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2008. №3. М.: Изд-во Московского университета, 2008. С. 32-40.

6. Калиниченко И.В., Тавостин М.Н. О деформируемости песчано-алевритовых пород-коллекторов при циклической эксплуатации подземных хранилищ газа // X Сергеевские чтения «Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии». Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Секция 1. Грунтоведение, механика и техническая мелиорация грунтов (20-21 марта 2008, РАН) М.: ГЕОС, 2008. С. 41-45.

7. Калиниченко И.В. Экспериментальное изучение деформационного поведения модельных образцов песчаников при их циклическом нагружении И «Ломоносов 2008». Материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Секция Геология. Подсекция Инженерная геология (7-11 апреля 2008, МГУ). М.: Изд-во МГУ, СП МЫСЛЬ, 2008.

8. Калиниченко И.В. Изменение деформационных характеристик пористых пород при циклической эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) И Материалы российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых посвященной «Году Планеты Земля» (6-7 апреля 2009 г., МГУ). Том 2. Актуальные проблемы геохимии. Инженерная геология. Геокриология. Гидрогеология. М.: Изд-во МГУ, 2009. С. 164-169. >

Подписано в печать: 09.11.2009

Заказ № 2962 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ro

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Калиниченко, Ирина Владиславовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1 ПХГ, история их создания и мировая практика.

1.2 Коллектора газа и их свойства.

1.3 Условия создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых породах.

1.4 Теоретические исследования деформирования и разрушения пород-коллекторов.

1.5 Экспериментальные исследования поведения коллекторов.

2. ИЗМЕНЕНИЯ В ПОРОДАХ-КОЛЛЕКТОРАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДАННЫХ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОХРАНИЛИЩ.

2.1 Геологическое строение и технологические характеристики Краснодарского и Кущевского ПХГ.

2.2 Режимы эксплуатации пллстов-коллекторов.

2.3 Расчет изменения режимов эксплуатации.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ПОРИСТОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ПЕСЧАНИКОВ.

3.1 Изготовление модельных образцов и их характеристика.

3.2 Описание установки УКС.

3.3 Схема проведе! мя экспериментов.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОРИСТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ.

4.1 Принятая методика обобщения и анализа результатов.

4.2 Результаты экспериментов на песчаниках с 10 % содержанием цемента в составе.

4.3 Результаты экспериментов на песчаниках с 20% содержанием цемента в составе.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА.

5.1 Исследование микроструктуры образцов с 10% содержанием цемента.

5.2 Исследование микроструктуры образцов с 20% содержанием цемента.

6. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ.

7. ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ПЕСЧАНИКОВ С ИЗМЕНЕНИЕМ ДЕВИАТОРА НАПРЯЖЕНИЙ.

7.1 Методика проведения экспериментов.

7.2 результаты испытаний образцов и их анализ.

8. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

8.1 Теоретические модели поведения массива, используемые при создании геомеханической модели

8.2 Инженерно-геологическая модель.

8.3 Расчетная схема и постановка задачи.

8.4 Изменения емкостных свойств пласта-коллектора по результатам численного моделирования.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 хранилищ; лабораторные исследования на природных породах-коллекторах и их аналогах в условиях, максимально близких к реальным в ПХГ; численное 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:

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.

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 работе; получен 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.

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.

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).

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Калиниченко, Ирина Владиславовна

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- 10mm 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 %).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Калиниченко, Ирина Владиславовна, Москва

1. Опубликованная литература:

2. Авчян Г. М., Матвеенко А.А., Стефанович З.Б. Влияние пластового давления на физические свойства песчаников // Разведочная геофизика. Вып. 26. М.: Недра, 1969. С.82-92.

3. Авчян Г. М. Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах. М.: Недра, 1972. 144 с.

4. Азбергенов М.И. Закономерности упруго-пластического деформирования песчаных грунтов в режиме циклического нагружения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, москва, 1986. Печать- Гидропроект. 217 с.

5. Акулинин А.И., Торяник М.Е. Давления газа при гидравлическом разрыве пласта на месторождении Ключевое // Новости нефтяной техники №4. М.: Нефтепромысловое дело, 1958. 27 с.

6. Антонов Д. А. Экспериментальное исследование коэффициента сжимаемости песчаников // Труды УфНИИ, вып. 1. М.: Гостоптехиздат, 1957

7. Байдюк Б.В., Шрейнер JI.A. Влияние напряженного состояния и влажности на устойчивость глинистых пород в скважинах // «Труды Института нефти», вып. 2. М.: Изд-во АН СССР, 1958. с. 240-263.

8. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Каневская Р.Д., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 488 с.

9. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. М.: Недра, 1993. 416 с.

10. Бурлаков И.А., Фурсова Н.П. некоторые данные зависимости проницаемости грунулярных и трещиноватых пород от горного давления и температуры // Труды ГрозНИИ, 1964, вып. XVII. С. 277-281.

11. Бурлин Ю. К. Природные резервуары нефти и газа. М.: МГУ, 1976. 135 с.

12. Ван-Бюрен. Дефекты в кристаллах. М.: Недра, 1962. 584 с.

13. ВНИИГАЗ на рубеже веков — наука о газе и газовые технологии // Сборник научных трудов. М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2003. 595 с.

14. Воларович М.П., Баюк Е.И., Левыкин А.И., Томашевская И.С., Павлоградский В.А. Физико-механические свойства горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. М., Наука, 1974. 220 с.

15. Газовая промышленность №2. М.: Газоил-пресс, 2006.

16. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта / Учебник для вузов. Изд.З-е перераб. и доп. М.: Недра, 1982.311 с

17. Голодковская Г.А., Калиниченко И.В., Филимонов Ю.Л., Хлопцов В.Г. Изменение деформационных и емкостно-фильтрационных свойств песчано-алевритовых пород при эксплуатации подземных хранилищ газа // Вестн. Моск. ун-та, Сер. 4.Геология. 2008.№3. С.32-40

18. ГОСТ 25100-82 Грунты. Классификация. М.: Госстрой СССР, 1982.

19. Григорьев А.А., Кийко М:Ю., Казарян В.А. и др. Подземные хранилища в системе государственного резервирования нефтепродуктов! М.: ОПК, 2006. 384 с.

20. Григорян С.С. Об основных представлениях динамики грунтов // «Прикладная математика и механика», т.24. №6, 1960.

21. Грунтоведение / Под ред. Трофимова В.Т. 6-е изд. М.: МГУ, 2005. 1024 с

22. Гудок Н. С. Изучение физических свойств пористых сред. М.: Недра, 1970.

23. Дмитриев Н.М., Кадет В.В. Введение в подземную гидромеханику. М.: ООО "ЦентрЛитНефтеГаз", 2009. 269 с.

24. Добрынин В.М. Деформация и изменение физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра, 1970. 240 с.

25. Добрынин В.М. Изменение максимальной первичной пористости песчаников на больших глубинах // Геология нефти. 1968. № 9. С. 44.

26. Добрынин В.М. Физические свойства нефтегазовых коллекторов в глубоких скважинах. М.: Недра, 1965. 163 с.

27. Ершов С.Е., Иванов Д.И., Хайдина М.П. Влияние микроструктуры и водонасыщенности пористых сред на их фильтрационные характеристики. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. 300 с.

28. Жданов Г.С. Физика твердого тела. М.: Изд. МГУ, 1961. 502 с.

29. Желтов Ю.П. Деформации горных пород. М.: Недра, 1966. 1968 с.

30. Зиновьев В.В., Басниев К.С., Будзуляк Б.В. и др. Повышение надежности и безопасности эксплуатации подземных хранилищ газа. М.: Недра-Бизнесцентр, 2005. 391 с.

31. Изучение коллекторов нефти и газа, залегающих на больших глубинах // Труды МИНХ и ГТТ. Вып. 123. 1977. 312 с.

32. Казарян В. А. Подземное хранение углеводородов в солевых отложениях. М.: Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 464 с.

33. Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей. М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная, и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований , 2006. 432 с.

34. Калиниченко И.В. Изменение деформационных характеристик пористых пород при циклической эксплуатации подземных хранили газа (ПХГ).

35. Российская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Пла^^у Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов

36. Калиниченко И.В. Исследование проницаемости в песчаника^ в результате эксплуатации Краснодарского ПХГ (подземного хранилища газ^^ ц Международная молодежная научная Олимпиада «Ломоносов-2006». 7-11 апр»^^2006. М., 2006

37. Калиниченко И.В. Исследование структуры порового пространству песчаных коллекторов при многолетней эксплуатации подземных хранилищ (ПХГ) // «Новые технологии в газовой промышленности». Сентябрь 2007. М.,2007.

38. Калинко М.К. Методика исследования коллекторских свойств кериов М.: Гостоптехиздат, 1963. 224 с.

39. Коротаев Ю.П. Панфилов М.Б. Разработка методов определения параметров пористой среды по данным о её миктоструктуре. М.:ИРЦ Газпром, 1993. 44с.

40. Коротаев Ю.П. Эксплуатация газовых месторождений. М.: Недра 1975. 250 с.

41. Котяхов Ф. И. Основы физики нефтяного пласта. М.: Гостоптехиздат 1956.

42. Котяхов Ф.И. Физика нефтяных пластов и газовых коллекторов, jyj. Недра, 1977, 288 с.

43. Лапук Б.Б. Теоретические основы теории разработки месторождений природных газов. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1948.

44. Левыкин Е.В. Технологическое проектирование хранения газа в водоносных пластах. М.: Недра, 1973. 208 с.

45. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в порцСТо-среде. М: Гостоптехиздат, 1947.

46. Лобанова А.Н. Геолого-технологические условия повыщения эффективности создания и эксплуатации подземных хранилищ газа / Диссертац^на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. ВНИИГАЗ, 2007. 143 с.

47. Лурье М.В., Дидковская А.С., Варчев Д.В., Яковлева Н.В. Подземное хранение газа. Учебное пособие для вузов. М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. 172 с.

48. Манилык Т., Ильин К., Практическое применение программного комплекса Abaqus в инженерных задачах Версия 6.5. М.: МФТИ, Тесис, 2006.380 с.

49. Маскет М. Течение однородных жидкостей в пористой среде. М.Ижевск.: Институт компьютерных исследований, 2004. 640 с.

50. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород //Лабораторные методы. Т2 / Под ред. Е.М. Сергеева. М.: Недра, 1984. 438 с.

51. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти / Под ред. В. Мори и Д.Фурментро. М.: Мир. 130 с.

52. Моделирование полей напряжений в инженерно-геологических массивах / Под общей редакцией профессора Э. В. Калинина. М.: Изд-во МГУ, 2003. 262 с.

53. НиколаевскийВ.Н., Басниев К. С. Горбунов А.Т., Зотов Г.А, Механика насыщенных пористых сред. М.: Недра, 1970. 336 с.

54. Оркин К. Г., Кучунский П. К. Физика нефтяного пласта. Гостоптехиздат, 1956.

55. Павлова Н.Н. Деформационные и коллекторские свойства горных пород. М.: Недра, 1975. 240 с.

56. Подземное хранение газа. Проблемы и перспективы. Сборник научных трудов. Под ред. Бузинов, С.Н. М.: Наука, 2003. 477 с.

57. Поляков Е.А. Методика изучения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра, 1981. 182 с.

58. Пономарев О.П. Оптимизация управления технологическими процессами подземных хранилищ газа. Калининград: Изд-во Ин-та "КВШУ", 2005. 96 с.

59. Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83). М.: Стройиздат, 1986. 115 с.

60. Прикладная газовая динамика: В 2-х т. Т.2 / Христианович С.А., Гальперин В.Г., Миллионщиков М.Д., Симонов JI.A. М.: ЦАГИ, 1948. 201 с.

61. Руководство по эксплуатации гидравлической установки объемного сжатия УКС. Санкт-Петербург: ООО «ЛИМИКОР»,2005г. 35с.

62. Рыжов А.Е., Жуков B.C., Иселидзе О.В., Семёнов Е.О. Изменения газовой проницаемости пород-коллекторов при циклических изменениях эффективного давления // Конф. ПХГ:«Надежность и эффективность». М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2008.

63. Смиров В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ / Учебн. Пособие для вузов. М.: Газоил-пресс, 2000. 250 с.

64. СНиП 34-02-99 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки». М.: 1999. 32 с.

65. СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений. М.: Госстрой СССР, 1983.

66. Соколов В.Н. Кузьмин В.А. // Известия Академии наук. Серия философская, т.57. №8, 1993.

67. Соколов В.Н., Юрковец Д.И., Разгулина О.В., Мельник В.Н. // Журнал Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования №1, 1998.

68. Справочник по физическим свойствам минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах / Под ред. Доктора физ.-мат. Наук М.П. Воларовича. М.:Недра, 1978. 237 с.

69. Ставрогин А.Н. Исследование горных пород в сложных напряженных состояниях. // Горный журнал, 1961. №3.

70. Тхостов Б.А. Начальные пластовые давления и гидродинамические системы. М.: Недра, 1966. 268 с.

71. Хан С.А. Программа работ на 2005-2010 гг. по подземному хранению газа в РФ. Подземное хранение газа — надежность и эффективность // Межд. конференция (Москва, 11-13 окт 2006 г.).Т1. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. С.57-65.

72. Ханин А.А. Коллекторы нефти и газа месторождений СССР. М.: Гостоптехиздат, 1961. 102 с.

73. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. М.: Гос. Научно техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1963. 397 с.

74. Щелкачев В.П. Критический анализ новейших экспериментальных исследований особенностей деформации пористых горных пород // Труды МИНХиГП. Разработка нефтяных и газовых месторождений и подземная гидродинамика, 1965,С. 3-8.

75. Щелкачев В.П. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме. М.: Гостоптехиздат, 1959. 467 с.

76. Энциклопедия газовой промышленности 4-е изд. Пер. с франц. Ред. Пер. К.С. Басниев. М.: Акционерное общество «Твант», 1994: 884 с.

77. Bernie L. Alkmaar peak gas installation project // Reports International conference on underground gas storage, Poland, 11-15 September 1995. P. 27-55.

78. Biot M.A. General'Theory of three- dimentional consolidation // Y. Appl. Physics, vol. 26, 1955. p: 155-165.

79. Brace W.F. Some new measurements of linear compressibility of rocks // Y. Geoph. Research, vol. 70, 1965. P. 394 398.

80. Brace W.F., Paulding В. W., Scholz C. D. Dilatancy in the fracture of crystalline rocks // Y. Geoph. Research. Vol. 71, N 16, 1966.

81. Brandt H.A. Study of speed of sound in porous granular media // J. of Appl. Mechanics, vol. 22, N 1, 1955.

82. Documentation for Abaqus Version 6.7. Wiley, 2007. 1058 p.

83. Harrison E., Kieschnick W.F., Mc Guire W.J. The mechanics of fracture induction and extension// J. ofPetr. Technology, vol. 6, N 10, 1954.

84. Helwany S. Applied soil Mechanics with Abaqus Applications. Wiley, 2007.-400p.

85. Kehle R.O. The determination of tectonic stresses through analysis of hydraulic well fracturing // J. Geoph. Res. vol. 69, 1964. P. 259-273.

86. Mujadin M.J. Blue lake Gas Storage the definitive state of the art storage project // Reports International conference on underground gas storage, Poland, 11-15 September 1995. P.l 11-142.

87. UGS: Achievements and trends in the field of ecological stability //Сообщение группы 2.1 Международного Газового союза на 23м Всемирном Газовом Конгрессе, Амстердам. 2006.

88. Young A.T.Underground Diurnal Storage in the UK // Reports International conference on underground gas storage, Poland, 11-15 September 1995. P. 78-91

89. Фондовые материалы и ведомственные инструкции:

90. Горно-геологическое обоснование застройки территории Краснодарского ПХГ. М.: ООО «Подземгазпром», ОАО «Газпром», 2003. 73с.

91. Горно-геологическое обоснование застройки территории Кущевского ПХГ. М::000 «Подземгазпром», ОАО «Газпром», 2002. 55с.

92. Летопись ООО «Подзмегазпром», М., 2004.

93. Методические указания по составлению горно-геологических обоснований застройки территорий горных отводов газовых и нефтяных месторождений и подземных газонефтепродуктов. М.:ОАО «Газпром», 2003г. 29с.

Информация о работе

Калиниченко, Ирина Владиславовна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.08

Диссертация

Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы