МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Факультет разработки нефтяных и газовых месторождений Кафедра (базовая) исследования нефтегазовых пластовых систем (на базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ») Дисциплина: Визуализация процессов фильтрации и вытеснения углеводородов современными экспериментальными методами Реферат По теме: «Применение современных методов визуализации внутреннего строения горных пород для определения фильтрационных характеристик пород-коллекторов нефти и газа». Выполнила: студентка группы РНМ-22-08 Фатеева А.А. Проверил: Мизин А.В. Москва, 20 24 Содержание Введение ................................................................................................................... 3 1. Примеры напряженного состояния. Лабораторное определение модуля Юнга и коэф-та Пуассона. ...................................................................................... 8 2. Подходы к оценке проседания земной поверхности или дна моря. ......... 15 Список литературы ............................................................................................... 18 2 Введение Современная нефтегазовая промышленность ставит перед собой задачу обеспечения эффективной добычи углеводородов из недр, что требует комплексного подхода и использования передовых технологий. Важным аспектом в этом процессе является определение фильтрационных характеристик породколлекторов нефти и газа, которые определяют проходимость и возможность добычи углеводородов. Для решения этой задачи широко применяются современные методы визуализации внутреннего строения горных пород. В данной работе будет рассмотрено применение современных методов визуализации, таких как рентгеновская компьютерная томография, магнитнорезонансная томография, ультразвуковая томография и другие, для определения фильтрационных характеристик пород-коллекторов нефти и газа. Особое внимание будет уделено значимости этих методов для нефтегазовой промышленности, их применимости на практике и перспективам развития в данной области. Целью данного исследования является не только анализ современных методов визуализации и их значимости для определения фильтрационных характеристик пород-коллекторов, но и выявление потенциала этих методов для оптимизации процессов добычи углеводородов и разработки месторождений. Практическое применение результатов исследования может способствовать повышению эффективности нефтегазовой промышленности и улучшению процессов добычи. Актуальность данной темы подтверждается постоянным интересом специалистов к разработке новых методов и технологий, направленных на повышение эффективности процессов добычи углеводородов. Исследование современных методов визуализации внутреннего строения горных пород является важным шагом в направлении совершенствования нефтегазовой промышленности и оптимизации процессов добычи углеводородов. 3 1. Методы визуализации внутреннего строения горных пород A. Рентгеновская компьютерная томография B. Магнитно-резонансная томография C. Ультразвуковая томография D. Прочие методы III. Определение фильтрационных характеристик пород-коллекторов A. Понятие фильтрационных характеристик B. Значимость определения для нефтегазовой промышленности C. Применение результатов в практике IV. Примеры применения современных методов в практике A. Кейс-стади по использованию данных томографии B. Эффективность и точность результатов C. Перспективы развития V. Заключение A. Основные выводы и результаты исследования B. Практическое значение исследования C. Рекомендации для дальнейших исследований Прочностные свойства горных пород определяют в условиях элементарных напряженных состояний – одноосных сжатия и растяжения. Под прочностью породы понимают ее способность сопротивляться силовым воздействиям, не разрушаясь, т.е. испытывать напряжения. Эти напряжения различны для разных пород и разных способов приложения нагрузки. Они называются пределы прочности (временное сопротивление). Различают пределы прочности пород при сжатии σсж, растяжении σраст, сдвиге τсдв, изгибе σизг и т.д. [1] Однако в связи с тем, что реальные тела обладают множеством дефектов, значения предела прочности в сотни тысяч раз меньше теоретического 4 значения. Дефекты могут быть различные. В кристалле – это точечные (вакансии) и линейные (дислокации) искажение кристаллической решетки. В породе – границы зерен (плоскостные) и поры (объемные искажения) и нарушения строения породы. Разрушение твердых тел – процесс настолько сложный и неоднозначный, что до настоящего времени не существует единой и работоспособной теории прочности. Однако эта проблема так актуальна для самых различных областей деятельности человека, что в данном направлении уже сотни лет ведется целенаправленный научный поиск. Известны тысячи публикаций по данному вопросу. Первый этап развития науки о прочности связан с представлением твердого тела как абсолютно однородной изотропной среды, не имеющей внутренней структуры (бесструктурная модель). Изучение такой модели производится по известному принципу «черного ящика» (Н. Винер) – подается сигнал на вход системы (внешнее воздействие на тело) и фиксируется выходной сигнал (отклик). Задача исследователя – найти количественную зависимость между сигналами. Применительно к процессу разрушения определить некоторую функцию главных компонентов напряжений и соотнести ее с некоторым критерием прочности k, зависящим, как правило, от простейших видов прочности (при растяжении, сжатии или сдвиге): F(σ1, σ2, σ3) ≤ k. Исторически первой реализацией такого подхода можно считать критерий наибольших нормальных напряжений (Галилей). В дальнейшем по мере развития знаний были сформулированы критерии наибольших удлинений (Мариотт), наибольших касательных напряжений (Кулон), энергетический [2]. Для конкретных тел и условий разрушения эти критерии и в настоящее время используются для решения инженерных задач. Такие критерии, определяемые чисто эмпирическим путем, получили название феноменологических. Рассмотрим их более подробно. 5 Критерий наибольших нормальных напряжений (Галилей): «Разрушение наступает тогда, когда наибольшее из нормальных напряжений достигает предельного значения»: σi ≤ σmax. Критерий дает удовлетворительные результаты при разрушении хрупких материалов в условиях одноосного напряженного состояния или при объемном растяжении, когда все три главные напряжения различны по величине. В сущности, все используемые в практике «пределы прочности» при растяжении, сжатии и т. п. основаны на данном критерии. В дальнейшем по мере развития знаний были сформулированы другие критерии. Критерий наибольших удлинений (критерий Мариотта). Согласно данному критерию, разрушение тела наступает тогда, когда его относительная деформация достигнет предельных значений, т. е. εi ≤ εmax Данный критерий справедлив только при хрупком разрушении горных пород путем отрыва. Критерий наибольших касательных напряжений (критерий Кулона-Треска): τi ≤ τmax В условиях сложного напряженного состояния касательной напряжение достигает максимума в площадке под углом 45о к линии действия нормальных напряжений τi =(σ1 - σ3)/2 и составляет σmax/2, тогда σ1 – σ3 ≤ σmax Критерий справедлив для пластичных тел и, в сущности, представляет собой условие возникновения пластического течения. Энергетический критерий. Разрушение наступает тогда, когда накопленная телом потенциальная энергия деформации достигнет предельного значения: Ai ≤ Amax Рассматривая выражение удельной энергии (A = σ2/2E) для трехмерного 6 случая, можно получить: [(σ1 − σ2 )2 + (σ2 − σ3)2 + (σ1 − σ3)2 ] ≤ 2σ2max Учитывая, что (σi - σj)/2 = τij, условие разрушения можно записать в виде: Из полученного выражения видно, что данное условие близко к критерию Кулона и также наиболее соответствует разрушению пластичных материалов. Логическим завершением феноменологического подхода стала теория прочности Мора [3], приложения которой развиваются и в настоящее время. Теория связывает предельные касательные и нормальные напряжения. При этом принимается, что прочность тел практически не зависит от величины промежуточного напряжения σ2. Применительно к горным породам установлено, что такое допущение дает ошибку не более 10–15 %. Это не превышает погрешности экспериментальных определений прочности пород. При оценке предельного состояния широко используется линейное соотношение Кулона-Мора, имеющее вид: = n tg φ + C Критерий Кулона-Мора также может быть выражен в основных напряжениях, как: В соответствии с теорией Мора возможно два типа разрушения твердого тела – хрупкое, которое происходит за счет отрыва, и вязкое (пластичное) – от касательных напряжений сдвига. Развивая эту идею, Н. Н. Давиденков и Я. Б. Фридма разработали обобщенную теорию прочности (диаграмма Давиденкова – Фридмана), которая определяет характер разрушения тела в зависимости от 7 соотношения главных нормальных напряжений. В настоящее время установлено, что разрушение только путем сдвига невозможно в принципе. Касательные напряжения, вызывая пластическую деформацию, только ослабляют связи между атомами в определенных сечениях, окончательное же разрушение происходит за счет отрыва. Поэтому для реальных материалов характеристика состояния m становится нелинейной. Феноменологические теории прочности оказываются весьма полезными для инженерных расчетов и широко используются при проектировании. Однако они никак не рассматривают физику процессов разрушения тел. 1. Примеры напряженного состояния. Лабораторное определение модуля Юнга и коэф-та Пуассона. 8 Существование в земной коре областей, в которых оси напряжений максимального сжатия действуют в субгоризонтальном направлении, является одной из ключевых проблем геодинамики, горного дела и тектонофизики. Правильное объяснение механизма генерации этих напряжений является актуальным, поскольку определяет возможность решения ряда фундаментальных проблем в науках о Земле, а также в прикладных инженерно-геологических науках, т.к. позволит обеспечить более безопасную разработку подземных выработок в процессе добычи полезных ископаемых, более качественный прогноз коллекторских свойств горных массивов районов разработки углеводородных залежей и эффективную эксплуатацию подземных хранилищ. Если сейсмологические и геофизические данные говорят о действии в горизонтальном направлении напряжений максимального сжатия для относительно глубоких горизонтов кристаллической земной коры (более первых километров), то данные горняков (методы in situ) определяют подобные напряжения в самых верхних слоях (первые сотни метров) не только кристаллического фундамента коры (Балтийский щит), но и в областях горно-складчатых орогенов, а также в некоторых осадочных бассейнах. Особая актуальность проблемы больших горизонтальных сжимающих напряжений для горного дела и инженерной геологии связана с тем, что достоверный ответ на вопрос о механизме генерации подобных напряжений может сберечь многие человеческие жизни. Было изучено несколько видов напряжённого состояния. Одним из них является гравитационное напряженное состояние. В XIX и начале XX веков в инженерной геологии, геомеханике и горном деле господствовало представление А. Гейма о том, что напряжения в породном массиве отвечают изотропному напряженному состоянию, т.е. направленное давление (нормальное напряжение) действует одинаково во все стороны и равно весу вышележащего столба горных пород. В работах академика А.Н. Динника была высказана гипотеза об иде- 9 ально упругом деформировании пород верхних горизонтов земной коры. Согласно гипотезе А.Н. Динника напряженное состояние, наибольшее сжимающее напряжение которого действует в вертикальном направлении, в рамках терминологии, используемой в геодинамике, соответствует режиму горизонтального растяжения, определяющему максимальные скорости удлинения в субгоризонтальном направлении [4]. Отметим, что представленные выше концепции формирования современного напряженного состояния верхних слоев земной коры опирались на массовые силы как источник генерации напряжений. В горном деле напряженное состояние породного массива, вызываемое только действием массовых сил в случаях упругой, упруго-пластической или упруго-вязкой реакции среды принято именовать гравитационным напряженным состоянием. Глубинные разломы и разрывы земной коры являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения. Вполне очевидно, что если есть движения, то должны быть и силы, их вызывающие. Силы, обусловливающие тектонические движения, называют тектоническими. Исходя из этих положений рассмотрим детальнее напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, непосредственно являющейся объектом рассмотрения геомеханики. При этом, в качестве исходного положения примем, что напряженное состояние земной коры в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры, т. е. наличием градиента тектонических движений. В результате воздействия на породу комплекса упомянутых сил элемент породы, выделенный из массива, может находиться в общем случае в условиях 10 сложного напряженного состояния, характеризующегося тем, что на него действуют как нормальные, так и касательные напряжения. Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. Нормальные составляющие напряжений вызывают деформации сжатия элемента или растяжения, а касательные напряжения - деформации сдвига граней. Мерами деформируемого состояния являются следующие параметры: Е - модуль Юнга, μ- коэффициент Пуассона [5].; Модуль упругости E по закону Р. Гука связывает напряжение σ и деформацию ε зависимостью σ = ε × Е. Коэффициент Пуассона μ отражает продольную εпр и поперечную εпоп деформации зависимостью εпоп = - μ × εпр . Для большинства горных пород модуль Юнга изменяется в пределах от 109 до 1011 Па, а коэффициент Пуассона от 0 до 0,5. Но для того, чтобы их измерить необходимы определённые методы, о которых поговорим далее. Измерить упругие свойства горных пород можно двумя путями: прямым и косвенным. Косвенные методы заключаются в интерпретации данных ГИС (геофизическое исследование скважин) и ГТИ (геолого-технологическое исследование). Но при помощи такого подхода возможно получить только динамические модули. Единственный способ напрямую измерить упругие модули пород – это анализ образцов выбуренных из пласта при помощи специального оборудования. Прямые методы подразделяются на 2 направления: метод испытаний с разрушением образца, и метод неразрушающих испытаний. [6] Статические испытания (метод с разрушением образца). Из керна вырезается стандартный образец в виде цилиндра длинной 200 мм и диаметром 100 мм. Затем его помещают в гидравлический пресс. С торцов образец зажат 11 между поршнями, создающими осевое давление. На его боковую поверхность оказывается равномерное по всей площади давление (обжимное давление), создаваемое манжетой, заполненной маслом. После этого проводятся трехосные одностадийные либо многостадийные 7 испытания и строится график зависимости осевой деформации от осевого напряжения. По наклону линейной части графика определяют модуль Юнга. Отношение радиальной деформации к осевой определяет коэффициент Пуассона. Динамические испытания (неразрушающий метод). Динамический подход к измерению упругих модулей основан на измерении скорости распространении акустических волн внутри образца. Измерив плотность образца и скорость прохождения поперечных волн через него, можно оценить значение коэффициента Пуассона: 𝜇 = 𝑉𝑠 2 ∗ 𝜌, где 𝑉𝑠 – скорость поперечных волн внутри образца; 𝜌 – плотность образца. Измерив скорость распространения продольных волн внутри образца, можно оценить модуль всестороннего сжатия: 𝐾 = 𝑉𝑝 2 ∗ 𝜌 – 4/3*μ , где 𝑉𝑝 – скорость продольных волн внутри образца. Зная значения модуля всестороннего сжатия, можно вычислить значение модуля Юнга: E=3K*(1+2µ) Есть еще одна методика по определению упругих характеристик горных пород. Данная методика предназначена для определения модуля упругости и коэффициента поперечной деформации (коэффициента Пуассона) горных пород в лабораторных условиях [7]. Для испытаний использовать цилиндрические образцы диаметром 30 мм и высотой 60 мм. Измерение продольных деформаций производить на базе, равной 50 мм. Перед деформационными испытаниями определить предел прочности на сжатие любым методом. Порядок испытания следующий. На образце разметить его центр и базу 50 мм (по 25 мм от центра образца). Образец установить между плитами прибора и вращением рабочей рукоятки нагружать до 60÷70% разрушающей 12 нагрузки 3-4 раза. На уровне нижней и верхней отметки базы поперечными винтами закрепить к образцу верхнее и нижнее кольцо с индикаторами (см. рис. 1). На уровне центральной отметки к стойкам прибора крепится кольцо с индикаторами, измеряющими поперечные деформации. Рисунок 1 – Схема деформационных испытаний После установки индикаторов к образцу приложить нагрузку 10÷15% от разрушающей и произвести первые (нулевые) отсчеты по шкалам индикаторов. 13 Далее образец нагрузить до 60÷70% разрушающей нагрузки 4-5 одинаковыми ступенями ΔР с фиксацией показаний индикаторов в конце каждой ступени. Величину модуля упругости определить по формуле где h - расчетная база, равная расстоянию между плоскостями колец; hcp - средняя измеренная деформация всех ступеней нагружения. Величину коэффициента Пуассона вычислить по формуле μ= где Δd - средняя измеренная поперечная деформация. Определение упругих характеристик производить по испытаниям 3-4 образцов. По результатам испытаний определить средние арифметические E и μ. 14 2. Подходы к оценке проседания земной поверхности или дна моря. Наиболее известной формой негативных геодинамический последствий длительной разработки месторождений являются обширные просадки территории всего месторождения. Широко известно, что эти оседания поверхности могут приводить к формированию существенных градиентов смещений в процессе длительной разработки месторождений. Для того, чтобы определить оптимальную конфигурацию системы наблюдений и ее метрологических характеристик необходимо оценивать уровень возможных деформаций (амплитуду смещений и их пространственное распределение). Важно исследовать вопрос о том на сколько снижают итоговую, расчетную амплитуду оседания земной поверхности такие снижения пороупругих параметров, особенно коэффициента сжимаемости порового пространства. Крайне актуально это проиллюстрировать на примере шельфовых месторождений, поскольку постановка полномасштабного мониторинга деформаций, по естественным причинам, на таких объектах невозможна. В этой ситуации проведение модельных оценок является и элементом проектирования наблюдательных систем, и базовым звеном интерпретации результатов мониторинга, одновременно [8]. Существует несколько подходов к оценке обширных оседаний земной поверхности территории нефтегазовых месторождений. Одна из них - генетическая модель деформируемого пласта, моделелирование с использованием генетической модели деформируемого пласта Кузьмина Ю.О., которая была 15 успешно апробирована на ряде месторождений УВ, включая шельфовые, подземных газохранилищах и разломных зонах, контролирующих эти объекты. Как известно формула для расчета, например, вертикальных смещений земной поверхности (Uz) состоит из произведения двух сомножителей: Uz = Ф * Г Физический сомножитель Ф в формуле включает в себя такие параметры как пористость m, сжимаемость порового пространства Впор, а также изменение пластового давления ∆Рпор. Принципиально важно исследовать вопрос о том, на сколько снижают итоговую, расчетную амплитуду оседания земной поверхности в процессе разработки месторождения изменения пороупругих параметров, особенно коэффициента сжимаемости порового пространства. Для правильного прогноза оседания земной поверхности (ОЗП) и принятия соответствующих мер по предупреждению вредных влияний от добычи нефти и газа необходимо знание именно техногенной составляющей общей величины вертикальных ОЗП, иначе меры по предупреждению этих оседаний приведут к неоправданным материальным затратам и будут неэффективны. В связи с этим особую важность приобретает достоверный и оперативный прогноз ОЗП, под которым понимается научно-обоснованные суждения о возможных состояниях объекта в пространстве и времени [9]. На сегодняшний день предложены различные методы для расчета ОЗП: - основанные на теории предельного равновесия сыпучей среды; - статистический метод расчета деформаций земной поверхности; - расчет на основе теории потенциала; - расчет на основе теории упругости; - расчет с использованием дифференциальных уравнений. При определении ОЗП разрабатываемых месторождений, вызванных добычей флюидов, исследователи решают две задачи: 1. Расчет оседания кровли разрабатываемого пласта (ОКП); 2. Расчет ОЗП по известному значению ОКП. 16 Методы решения второй задачи исследованы достаточно основательно, что нельзя сказать о первой. Точность расчетной величины ОЗП во многом зависит от точности расчета вертикального сжатия скелета пласта (или оседания кровли пласта). На практике при описании процесса вертикального сжатия скелета, пласта исследователи пользуются в качестве исходной - модель В.Щелкочева. Однако, не умаляя достоинства этого метода, отметим, что В.Щелкочев предложил свою модель для расчета способности пласта вытеснять нефть за счет собственной упругой энергии. И, поэтому, она характеризует в большей степени внутренние упругие свойства пласта, чем внешнее сжатие скелета. Для расчета техногенных ОЗП по известному значению ОКП предложено много методов, приводящих практически к идентичным результатам. Таким образом, с учетом неоднозначного прояснения генетической связи между вертикальными движениями земной поверхности разрабатываемых месторождений и объемом добычи флюидов, разделение общей величины вертикальных движений, на техногенную и сейсмотектоническую составляющие, не представляется возможным. В результате изучения возможностей теоретических методов расчета техногенных ОЗП установлено, что для получения желаемого результата необходимо учитывать типы разрабатываемых коллекторов, изменение их упругих свойств в процессе длительной эксплуатации месторождений, а также возможные деформации как пор, так и твердой фазы коллекторов. В этом случае теоретический расчет может быть использован как приближенный метод разделения общих величин ВДЗП на отдельные составляющие. Для моделирования геодинамических процессов на территории углеводородов можно использовать разные геомеханические модели, но, во всех моделях необходимо разбивать объем резервуара на дискретные элементы или слои, так как, это сложно структурированная динамическая система, которую сложно рассмотреть в виде цельного объемной модели. 17 Список литературы 1. Конспект лекций по дисциплине «Физика горных пород» [Элек- тронный ресурс]: для студентов уровня профессионального образования «специалист» по направлению подготовки 21.05.04 «Горное дело» всех форм обучения / ГОУВПО «ДОННТУ», каф. Строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики: сост. И.Ф. Марийчук, В.Л. Самойлов, В.Е. Нефедов. 2-е изд. перераб. и дополн. - Электрон. Дан. (1 файл: 2,6 Мб). - Донецк: ДОННТУ, 2021. 2. Латышев О. Г., Корнилков М. В. Направленное изменение фрак- тальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства: научная монография / О. Г. Латышев, М. В. Корнил- ков; Урал. гос. горный ун-т. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2016. – 407 с.ISBN 978-5-8019-0367-5 3. Мор О. Чем обусловлен предел прочности и временное сопро- тивле- ние материала // Новые идеи в технике. – Петроград: Образование. 1915. - №1. - С. 1-50. 4. Ребецкий, Ю. Л. Механизм генерации остаточных напряжений и больших горизонтальных сжимающих напряжений в земной коре внутриплитовых областей [Текст] / Ю. Л. Ребецкий // Проблемы тектонофизики. К сорокалетию создания М. В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. М. : ИФЗ РАН, 2008. - С. 431-466 : 25 ил. – 79 5. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении гео- логоразведочных работ: учеб. пособие / В.В. Нескоромных. – Красноярск : СФУ, 2012. – 298 с. 6. Гассени Мохаммадфарид. Диссертация на соискание научной сте- пени кандидата физико-математических наук “Влияние микроструктуры карбонатных пород на их физико-механические свойства”. - Москва ИФЗ РАН. 2018 г 7. Ягодкин Г.И. и др. Прочность и деформируемость горных пород в процессе их нагружения. -М.: изд. Наука, 1971. 8. Оценка оседания земной поверхности месторождений УВ в про- цессе разработки с учетом изменения петрофизических параметров пласта Жуков В.С., Кузьмин Д.К. в сборнике НОВЫЕ ИДЕИ В ГЕОЛОГИИ НЕФТИ И ГАЗА. НОВАЯ РЕАЛЬНОСТЬ 2021 Сборник научных трудов (по материалам Международной научно-практической конференции). Отв. редактор А.В. Ступакова, издательство Общество с ограниченной ответственностью Издательство Перо (Москва), с. 256-260 19
