Добыча газа в Арктике станет безопаснее
Российская академия наук
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.
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.
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.
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.
«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.