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

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 пласта-коллектора на примере Кубанских ПХГ с использованием программного комплекса ABAQUS. 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.

Рис. 6. Зависимость уменьшения пористости от количества полуциклов эксплуатации при nнач = 29% (слева) и nнач = 38%(справа)