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

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 (D₂st), 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 σ₁; боковое напряжение σ₂ = σ₃; поровое давление P при соблюдении условий σ₁ ≥ σ₂ = σ₃ > P. 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 "ASTest Pro" 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.