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

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 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 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 ABAQUS, 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. Н.А. 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. Ю.Л. Филимонову за рекомендации и помощь при выполнении экспериментальной части работы, и всем сотрудникам отдела геомеханики ООО <Подземгазпром> за всестороннюю поддержку.