Ключевые слова: подземное хранилище газа, геомеханическое дробление, призабойная зона, депрессия на пласт, прочность породы, критерий Кулона-Мора, фильтрационное сопротивление, керн, газодинамические исследования.
В процессе эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) одной из ключевых задач является поддержание и восстановление продуктивности добывающих скважин. В призабойной зоне (ПЗП) пласта-коллектора в результате длительной циклической эксплуатации происходит ухудшение фильтрационно-емкостных свойств, обусловленное кольматацией, уплотнением породы и развитием пластических деформаций. Традиционные методы интенсификации притока (кислотные обработки, гидроразрыв пласта (ГРП)) имеют ограничения по эффективности и технологической применимости.
Перспективным альтернативным подходом является метод геомеханического дробления (ГМД) породы в призабойной зоне, основанный на создании управляемой депрессии, достаточной для превышения предела прочности породы на сдвиг и формирования сети трещин. Метод был разработан для газовых скважин в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» М.В. Пятахиным с сотрудниками [1–4]. Для нефтяных скважин метод георыхления (он же метод направленной разгрузки пласта), базирующийся на создании депрессии на забое скважин с помощью струйных насосов, разработан академиком С.А. Христиановичем с коллегами [5, 6]. Геомеханическое дробление позволяет увеличить проницаемость ПЗП без закачки химических реагентов, без ГРП и без применения струйных насосов, путем управления устьевым давлением скважин [2, 3]. Однако реализация метода требует тщательного выбора объекта: не для всякого ПХГ и не при любых пластовых условиях возможно достижение необходимых депрессий.
Настоящая работа посвящена разработке и апробации методики обоснованного выбора ПХГ и скважин-кандидатов для проведения ГМД, учитывающей механические свойства породы, фильтрационные характеристики скважин и текущий диапазон пластовых давлений.
Методика выбора скважин для геомеханического дробления
Разработанная методика является многофакторной и включает три обязательных этапа:
- Лабораторное определение механических свойств породы по образцам керна, отобранным из призабойной зоны скважин-представителей. Определяются ключевые параметры прочности: сцепление (С) и угол внутреннего трения (φ). Для учета структурной неоднородности породы [4, 7] вводится поправка на структурную нарушенность, позволяющая получить эффективные значения сцепления, релевантные для условий ПЗП.
- Газодинамические исследования скважин (ГДИ) для определения фильтрационных коэффициентов А и В в уравнении притока. Эти коэффициенты характеризуют линейные и инерционные потери давления в системе «пласт – забой скважины», которые непосредственно влияют на величину депрессии при заданном дебите. В качестве примера в таблице 1 приведены коэффициенты А и В для нескольких скважин Кущевского ПХГ, рассматриваемого далее как кандидат для ГМД, определенные в 2019 году. Данные таблицы 1 дают представление о диапазоне изменения коэффициентов А и В эксплуатационных скважин Кущевского ПХГ. Скважины ПХГ здесь и далее обозначены условно.
- Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния породы в ПЗП с использованием критерия прочности Кулона-Мора. На основе полученных формул рассчитывается критическая депрессия (депрессия ГМД), при превышении которой в породе начинаются необратимые деформации разрушения.
Исходными данными служат также параметры флюида (пластовое давление рпл), тип конструкции скважины (открытый забой или перфорированная колонна) и отношение радиуса контура питания скважины к радиусу забоя (Rк/ R) для скважины с открытым забоем.
Экспериментальное изучение прочностных свойств пород-коллекторов
Лабораторные исследования выполнялись по методике [4, 8], включающей нагружение образцов сферическими инденторами. Такая схема позволяет адекватно определить показатели объемной прочности породы, подверженной локальным напряжениям, возникающим в ПЗП. Испытания проведены для образцов из скважин пяти ПХГ, различающихся по литологии и глубине залегания, оценочно считавшимися кандидатами для применения метода ГМД:
Карашурское ПХГ – песчаники тульского горизонта (скважина Ка);
Кущевское ПХГ – алевролиты и песчаники альбского горизонта (скважины К5, К6, К7, К8);
Песчано-Уметское ПХГ – известняки кизеловского горизонта и песчаники тульского горизонтов (скважины П1 и П2);
Северо-Ставропольское ПХГ – песчаники хадумского горизонта (скважины С1 и С2);
Елшано-Курдюмское ПХГ – известняки кизеловского горизонта и песчаники бобриковского горизонта (скважина Е).
Для каждого ПХГ и типа пород получены зависимости сцепления С и угла внутреннего трения φ от предела прочности на растяжение, а также определены значения этих параметров с учетом структурной нарушенности. На рисунках 1 и 2 в качестве примера приведены результаты экспериментов по определению сцепления и угла внутреннего трения для песчаника тульского горизонта Карашурского ПХГ.
РИСУНОК 1. Сцепление образцов песчаника тульского горизонта Карашурского ПХГ из скважины Ка с учетом структурной нарушенности
Коэффициент структурного ослабления прочности породы тульского горизонта Карашурского ПХГ составил 0,155 [4, 8]. В результате структурная нарушенность породы существенно снижает эффективное сцепление по сравнению со сцеплением цельных образцов керна, что повышает предрасположенность породы к ГМД.
РИСУНОК 2. Угол внутреннего трения образов песчаника тульского горизонта Карашурского ПХГ из скважины Ка
Значения угла внутреннего трения φ образов песчаника тульского горизонта Карашурского ПХГ отклоняются не более чем на 80 от φ = 300, характерного для большинства пород.
Формулы для расчета дебита и депрессии ГМД
На основе разработанной М.В. Пятахиным математической модели дебит геомехдробления скважины с перфорированной колонной определяется по формулам [4]:
, (1)
, (2)
Т = 2(tg2α-1), (3)
где A и B – коэффициенты фильтрационного сопротивления, С – сцепление, φ – угол внутреннего трения, pпл – пластовое давление флюида.
Депрессия геомехдробления скважины с перфорированной колонной определяется по формуле [4]:
(4).
Дебит геомехдробления для скважины с открытым забоем определяется по формулам [4]:
, (5)
t = tg2α – 1, (6)
где Rк – радиус контура питания скважины, R – радиус скважины.
Депрессия геомехдробления скважины с открытым забоем определяется формулой (4), где дебит геомехдробления qк по формуле (1) надо заменить на дебит геомехдробления Qк по формуле (5).
Результаты расчетов для пяти ПХГ
На основе полученных экспериментальных данных и модели выполнена оценка реализуемости ГМД для каждого из пяти ПХГ в рабочем диапазоне пластовых давлений. Основные результаты сведены в таблицу 2.
ТАБЛИЦА 2. Нижние границы депрессий ГМД для исследованных ПХГ
Анализ и обсуждение
Полученные результаты позволяют сделать следующие обобщения:
Зависимость от типа породы
Наиболее предрасположены к ГМД песчаники тульского и бобриковского горизонтов (Карашурское, Елшано-Курдюмское и Песчано-Уметское ПХГ), характеризующиеся относительно низкими значениями основного показателя объемной прочности – сцепления. Алевролиты и песчаники альбского горизонта (Кущевское ПХГ) обладают более высокой прочностью, что требует значительно больших депрессий, часто технологически недостижимых в штатных режимах эксплуатации. Для известняков (Песчано-Уметское и Елшано-Курдюмское ПХГ) метод ГМД не реализуется.
Влияние пластового давления
Для всех объектов наблюдается четкая тенденция: депрессия ГМД возрастает по мере падения пластового давления. При этом дебит скважин, соответствующий ГМД, снижается. Таким образом, начальный период отбора газа (максимальное пластовое давление) является наиболее благоприятным временем для применения метода.
Конструкция забоя
Скважины с перфорированной колонной требуют меньшей депрессии для инициирования ГМД по сравнению с открытым забоем (на 25–30 % в зависимости от объекта). Это связано с локальной концентрацией напряжений у перфорационных отверстий. Для прочных алевролитов альбского горизонта Кущевского ПХГ и скважин с перфорированной колонной практическая реализация метода ГМД с депрессиями свыше 5,5 МПа потребует специальных технологических решений, включая проведение работ с выпуском газа в атмосферу.
Ранжирование объектов
С точки зрения минимальных энергетических затрат и технологической простоты наиболее перспективными для внедрения метода ГМД из рассмотренных ПХГ являются (таблица 2):
Елшано-Курдюмское ПХГ – депрессия ГМД 0,6 и 0,8 МПа для песчаников бобриковского горизонта (здесь и далее указаны нижние границы депрессии ГМД для скважин с перфорацией и открытым забоем соответственно при максимальном пластовом давлении);
Карашурское ПХГ – депрессия ГМД 1,2 и 1,6 МПа для песчаников тульского горизонта;
Песчано-Уметское ПХГ – депрессия ГМД 1,8 и 2,5 МПа для песчаников тульского горизонта;
Кущевское ПХГ – депрессия ГМД 5,5 и 8 МПа для алевролитов альбского горизонта.
Северо-Ставропольское ПХГ, песчаники Кущевского ПХГ и карбонатные объекты Песчано-Уметского и Елшано-Курдюмского ПХГ признаны непригодными для реализации метода ГМД в рабочих условиях.
Практическая рекомендация
Для скважин-кандидатов, предварительно отобранных по результатам ГДИ, проведенных ранее, обязательным этапом является уточнение расчетов по индивидуальным актуальным данным ГДИ (коэффициенты А и В) на момент реализации метода ГМД, поскольку фактические фильтрационные свойства породы в ПЗП могут существенно изменяться со временем.
Пример практической реализации
Специалисты ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в декабре 2021 года, объявленного в России Годом науки и технологий, провели испытания метода геомеханического дробления породы для повышения производительности скважин. Апробация нового технического решения проведена на одной из скважин Карашурского ПХГ с помощью специалистов ООО «Газпром ПХГ». Для нее расчетная депрессия ГМД составила величину, лежащую в диапазоне, достигаемом при стандартных режимах отбора, что подтвердило возможность применения метода без дополнительного оборудования. Это скважина была рекомендована для опытных работ, далее в промысловых условиях проверены и подтверждены результаты наших теоретических и экспериментальных исследований. В результате применения метода ГМД зафиксировано увеличение производительности скважины на 15–17 %. Технология ГМД впервые в мировой практике разработана и апробирована для газовых скважин [1].
Заключение
Разработана и апробирована комплексная методика выбора ПХГ и скважин для геомеханического дробления породы в призабойной зоне, объединяющая лабораторные исследования керна, газодинамические данные и математическое моделирование.
Установлено, что метод ГМД наиболее эффективен для песчаных коллекторов при максимальных пластовых давлениях (начало цикла отбора). Среди пяти рассмотренных ПХГ наибольшие перспективы имеют Елшано-Курдюмское, Песчано-Уметское и Карашурское хранилища (на последнем реализован метод для одной из скважин). Для прочных алевролитов применение метода требует чрезмерных депрессий, а для известняков реализация невозможна в штатном диапазоне.
Результаты работы позволяют целенаправленно планировать геолого-технические мероприятия по интенсификации отбора газа из ПХГ с минимальными затратами, без специального оборудования и с высоким прогнозным успехом. Методика выбора объектов и технология ГМД может быть использована для скважин месторождений.
Литература
1. Пятахин М.В. Новый метод повышения продуктивности газовых скважин на базе геомеханического дробления породы в призабойной зоне пласта / М.В. Пятахин, С.О. Оводов, С.А. Шулепин и др. // Вести газовой науки: науч.-техн. сб. – 2022. – № 3. – С. 142–147.
2. Пятахин М.В., Шулепин С.А., Оводов С.О. Способ интенсификации притока газовых скважин. Патент на изобретение RU 2788934 C1, 25.01.2023. Заявка № 2022119822 от 18.07.2022.
3. Пятахин М.В., Шулепин С.А., Оводов С.О. Способ повышения производительности газовых скважин. Патент на изобретение RU 2798147 C1, 16.06.2023. Заявка № 2022119820 от 18.07.2022.
4. Пятахин М.В. Геомеханика подземного хранения газа. / М.В. Пятахин. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2024. – 392 с.
5. Христианович С.А. Увеличение продуктивности нефтяных скважин с помощью метода георыхления / С.А. Христианович, Ю.Ф. Коваленко, Ю.В. Кулинич, В.И. Карев // Нефть и газ Евразия. – 2000. – № 2. – С. 90–94.
6. Карев В.И. Физическое моделирование метода направленной разгрузки пласта / В.И. Карев, Ю.Ф. Коваленко, В.В. Химуля, Н.И. Шевцов // Газовая промышленность. – 2021. – № 7. – С. 66–73.
7. Карташов Ю.М. Рекомендации по определению полного паспорта прочности и деформируемости горных пород / Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, М.Д. Ильинов и др. – Л., 1988. – 260 с.
8. Коршунов В.А. Определение показателей объемной прочности образцов горных пород при их нагружении сферическими инденторами / В.А. Коршунов, Ю.М. Карташов // Тр. Межд. конф. «Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений». – СПб, 2001. – Т. 1. – С. 36–41.
