Добыча газа в Арктике станет безопаснее
Сотрудники Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН (Москва) предложили комплексный подход к исследованию пластов сложных газовых месторождений в Арктике: они объединили геомеханические методы с цифровой рентгеновской томографией и 3D-моделированием, чтобы точно определить условия разрушения пород вокруг скважин и подобрать оптимальные параметры борьбы с выносом в них песка.
Результаты помогут российским нефтегазовым компаниям снизить аварийность и повысить эффективность добычи на месторождениях Арктики. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.
Арктические месторождения газа часто сложены слабыми песчаниками, которые легко разрушаются при добыче. Когда из скважины отбирают газ, давление в продуктивном пласте месторождения оказывается выше, чем внутри скважины. За счёт этой разницы газ поступает в скважину, но одновременно возрастают напряжения, действующие на её стенках. В результате при определённых условиях происходит разрушение породы и вынос образовавшегося песка и обломков в скважину. Это приводит к авариям, износу подземного и наземного оборудования, систем сбора и подготовки газа, а также необходимости очистки газа от примесей и вынесенных твёрдых частиц.
До сих пор точно предсказать, при каких нагрузках начинается разрушение, было сложно: стандартные испытания не позволяли воспроизвести реальные неравномерные напряжения, которые возникают на стенках скважины.
Исследователи воспроизвели в лаборатории точную геометрию напряжений, которые возникают на стенках газовых скважин. Для этого специалисты исследовали образцы пород-песчаников из месторождения в российской Арктике с помощью нескольких методов.
Кубические образцы горных пород-коллекторов после испытаний
Авторы изучили образцы на уникальной установке истинно трёхосного нагружения, позволяющей создавать в кубических образцах породы реальные напряжения, которые возникают на стенке скважины при изменении давления в ней.
Дополнительно исследователи провели эксперименты с образцами, в центре которых просверлили сквозное отверстие: таким образом изучали, как происходит вынос песка из породы в скважину, а также измеряли объем и размеры его частиц. Оказалось, что из пласта выносятся не только отдельные зерна (средний размер около 0,08 миллиметров), но и фрагменты породы размером до 0,35 миллиметров. На основе этих данных ученые подобрали оптимальный размер набивки фильтров, которые устанавливаются внутри скважины, чтобы надёжно удерживать как отдельные зёрна, так и более крупные обломки.
Нагружающий узел уникальной установки истинно трёхосного нагружения ИПМех РАН
До и после испытаний образцы сканировали на высокоразрешающем микротомографе. Полученные с его помощью 3D-двойники реальных образцов позволили увидеть внутреннюю структуру породы, проследить, как зарождаются и в каких направлениях растут трещины, и сопоставить геометрию разрушения с приложенными нагрузками. Цифровой анализ изображений дал возможность изучить, из каких частиц сложена порода и вынесенный из неё песок.
Эксперименты показали, что порода неоднородна по прочности. Для скважины это означает, что разрушение начинается в найденных «уязвимых» точках — именно здесь раньше всего начинается разрушение. Физическое моделирование также позволило определить величину безопасного перепада давлений, при котором стенки скважины ещё сохраняют устойчивость.
Изучение процессов разрушения на микротомографе
Таким образом, благодаря комплексному подходу, объединившему геомеханические эксперименты и цифровые методы, ученые описали, как ведёт себя порода вокруг скважин. Предложенный подход позволяет ещё на этапе проектирования предсказывать поведение пород в местах добычи газа, выбирать безопасные режимы их разработки и подбирать эффективные средства борьбы с выносом песка в скважины.
Геомеханические исследования авторы провели на отечественном оборудовании с использованием оригинальных методик, что особенно важно для импортозамещения в области освоения газовых запасов арктического шельфа.
Создание цифровых двойников коллектора
«Наше исследование вносит вклад в одну из ключевых проблем разработки арктических месторождений — обеспечение устойчивости скважин и контроль выноса песка в „слабых“ породах. Полученные результаты помогут снизить риски аварий, связанных с обрушением стенок скважин и выходом из строя оборудования, что особенно важно для удалённых и труднодоступных объектов, где ремонт требует колоссальных затрат и времени. Полученные результаты — не финальная точка, а основа для следующего этапа. В рамках нового проекта РНФ мы уже приступили к развитию предложенного подхода, чтобы в дальнейшем обеспечить ещё более точные научно обоснованные рекомендации для широкого спектра горно-геологических условий и режимов работы скважин», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий Химуля, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории геомеханики ИПМех РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.
