Разработка средств и методов исследования прочностных параметров пластовых пород при нагрузках, моделирующих технологию нефтедобычи

В настоящее время в России, в частности, в Западной Сибири, крупные нефтяные месторождения характеризуются значительным падением наиболее продуктивных пластов. Доля таких месторождений (по оценкам ИХН СО РАН г. Томск) превышает 40%. Поэтому одним из основных направлений прогресса в нефтедобывающей отрасти является разработка новых методов интенсификации нефтедобычи.

В ряде научных организации в России ведутся интенсивные работы по созданию новых технологий воздействия на призабойные зоны нефтяных пластов.

Перспективным представляется сочетание широко применяемых методов гидроразрыва пласта с физико-химическим и термогазохимическим воздействиями. Механизм такого комплексного воздействия на характеристики нефтесодержащих пород (трещинообразование, предел прочности и т. д.) практически не исследованы, что затрудняет целенаправленное конструирование соответствующей техники воздействия.

В связи с этим, остро стоит проблема разработки методики и средств исследований эффективности различных методов воздействия на призабойные породы в условиях имитационных моделей. Такие методы позволят существенно повысить экспрессность проведения испытаний, снизить их стоимость, и, в конечном счете, радикально ускорить внедрение перспективных способов повышения нефтеотдачи обедненных пластов.

В связи с этим, тема диссертации, посвященная разработке лабораторного имитационно-измерительного комплекса для исследования основных характеристик образцов нефтяных пород при широком спектре воздействий на них (импульсного, статического или депрессионного давлений, введение химически активных композиций, термического воздействия) является, несомненно, актуальной.

Целью работы является разработка экспериментального комплекса, позволяющего имитировать различные виды воздействия достаточной интенсивности на образцы пород: импульсное или статическое давление, ва-куумирование, воздействие температурой и химическими композициями, как в отдельности, так и при их сочетании. Исследование воздействия на образцы всего комплекса применяемых технологических нагружений позволяет выбрать наиболее эффективный метод интенсификации нефтедобычи.

1 Разработать и изготовить экспериментальный имитационный комплекс, позволяющий проводить экспресс-анализ влияния различных видов воздействий на механические свойства образцов пород из нефтяных скважин, по своим уровням аналогичным применяемым на скважинах в промышленных условиях. При этом:

— разработать внутренний источник импульсного давления в виде порохового заряда, что сделает его малогабаритным и автономным;

— разработать модули, обеспечивающие статическое или депрессионное давления и термическое нагружение образцов пород;

— обеспечить возможность использование сред, имитирующих условия залегания пород в сочетании с нефтевытесняющими композициями.

2 Разработать методику определения минимального и максимального давления нагружения, при которых происходит начало внутреннего трещи-нообразования и разрушение образцов при различных внешних условиях: температуре, химических композициях (ИХН-100, термообратимый гель, вода и т. д.) и времени воздействия.

Объектом исследования являются образцы сцементированных песчаников Юрского и Мелового отложений нефтяных скважин ЗападноСибирского региона при различных видах воздействий (импульсно-взрывном, статическом, термическом, депрессионном, химическом).

Методы исследования Для решения задач исследования при выполнении работ использовались физико-математическое моделирование процессов нагрузки образцов, оценка работоспособности установки высокого давления, теоретические литературные сведения о прочности горных пород, теории трещинообразования и роста трещин (теории хрупкого разрушения Гриф-фитса, Баренблатта) с учетом внешних условий, включая влияния поверхностно активных веществ (теория Ребиндера П.А.), литературные данные о влиянии разного рода нагружений на породы нефтяных скважин и сравнение этих данных с результатами испытаний на разработанном экспериментальном комплексе.

Научная новизна.

1 Разработан автономный экспериментальный комплекс на базе установки высокого давления для исследования прочностных характеристик образцов пород из нефтяных скважин, позволяющий реализовать большое количество видов воздействия на образцы пород нефтяных скважин: импульсное, статическое, депрессионное, термическое и химическое воздействие на образцы. Установка имеет малые габариты, внутренний источник нагруже-ния, систему измерения и обработки информации.

2 Показана возможность экспериментальной оценки комплекса параметров пластовых пород, определяющих технологию нефтедобычи. Комплекс позволяет проводить имитационные нагружения образцов в соответствии с планируемой технологией воздействия на нефтесодержащие пласты пород.

3 Получены новые экспериментальные данные при использовании разработанного имитационного комплекса.

3.1 Вода снижает предел начала трещинообразования на 20%.

3.2 Использование нефтевытесняющей композиции ИХН-100 еще дополнительно снижает давление начала трещинообразования на 5.8%.

Практическая ценность.

Разработанный комплекс рекомендован к использованию для проведения исследований изменения свойств образцов пород нефтяных скважин при различных видах воздействий (импульсно-взрывном, статическом, термическом, депрессионном, химическом).

Реализация и внедрение.

Разработанная и изготовленная установка высокого давления для исследования физико-механических свойств материалов внедрена в Институте химии нефти СО РАН. Институтом проблем химико-энергетических технологий СО РАН разослана информация возможным пользователям.

Данные работы проводились в рамках следующих проектов: по программе 7 Президиума РАН «Новые подходы к химии топлив и химическая электроэнергетика», раздел 7.3 «Физико-химические основы создания новых методов повышения производительности нефтяных скважин» — по междисциплинарному интеграционному проекту № 109 «Импульс-но-депрессионные методы повышения продуктивности нефтедобывающих скважин" — по интеграционному проекту РАН — СО РАН № 32 «Физико-химические основы новых комплексных методов увеличения нефтеотдачи путем импульсно-взрывного воздействия на пласт в сочетании с нефтевытес-няющими и гелеобразующими композициями» — по проекту «Физико-математические основы эффективного преобразования энергии высокоэнергетических конденсированных сред для разработки нового оборудования, материалов и технологий» приоритетного направления 15 программы 15.2 фундаментальных исследований СО РАН.

Работа выполнена при поддержке гранта НОЦ (Томского государственного университета), выигранного автором в 2006 году.

К защите представлены.

1 Теоретическое обоснование и практическая реализация экспериментального имитационного комплекса для анализа физико-механических свойств материалов при различных видах воздействий: импульсном, статическом, депрессионном, термическом, химическом в сочетании с естественными пластовыми условиями — давлением, температурой, жидкой средой.

2 Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств образцов пород нефтяных скважин Западно-Сибирского региона при различных видах, позволяющие оценить перспективность разработанного комплекса для выбора методов воздействия при разработке технологий интенсификации нефтедобычи для каждой скважины.

Публикации.

Содержание диссертационной работы отражено в 9 научно-технических отчетах и было представлено в виде докладов на 16 Международных и Всероссийских научных конференциях, 15 докладов опубликованы в соответствующих сборниках конференции и в 2-х статьях в рецензируемых журналах.

Апробация работы.

Материалы результатов работы обсуждались на 2-й Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (26 — 27 сентября, 2002 г., г. Бийск) — 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (25−26 сентября, 2003 г., г. Бийск) — 3-й Всероссийской научно-практической конференции (25 — 27 сентября 2003 г.) «Проблемы и методология утилизации смесевых твердых топлив, отходов спецпроизводств и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники. Проектирование, отработка и испытания твердотопливных энергетических установок» (г. Бийск) — Международной конференции HEMs — 2004 «Высокоэнергетические материалы, демилитаризация и гражданское применение» (20 — 25 августа 2004 г., г. Белокуриха) — III Всероссийской научно-практической конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа» (20 — 24 сентября 2004 г., г. Томск) — Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии» (22 — 24 декабря 2004 г, г. Казань) — семинаре «Химические аспекты нефтедобычи», проводимого компанией «Шлюмберже» совместно с Центром трансфера технологий СО РАН и НП «Центр химических технологий и материалов Ж СО РАН» (6−7 декабря 2004 г., г. Новосибирск) — IV Всероссийской юбилейной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (23 — 24 сентября 2004 г., г. Бийск) — V Всероссийской юбилейной научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (7−8 октября 2004 г., г. Бийск) — 2-й Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (4−6 мая 2006 г., г. Томск), II Международной конференции НЕМз-2006 «Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (11−14 сентября 2006 г., г. Белокуриха) — I Всероссийской конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (27−29 сентября 2006 г., г. Бийск) — V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (2−5 октября 2006 г., г. Томск).

Личный вклад.

Автору принадлежат основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке установки высокого давления и ее применению для оценки физико-механических свойств образцов. Определение диапазона давлений, обеспечивающих испытания любых пластовых пород разной прочности, и учет этих данных в конструкции установки. Разработка физико-математической модели внутрибаллистических параметров энергоносителя установки (порохового заряда) и методики исследований.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и двух приложений, изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 10 таблиц.

В первой главе приведены обзор существующих методов интенсификации добычи нефти, анализ их основных достоинств и недостатков, который позволил сделать вывод о перспективности комплексного воздействия на призабойные породы, в котором реализуются одновременно воздействие давлением, термическое и химическое. Приведены схемы применяемой аппаратуры и методики исследований физико-механических свойств горных пород при высоких давлениях. Анализ существующих установок и методик исследований позволил сделать вывод о недостатках данных технологий и методах их устранения. Также проведен анализ влияния на прочность горных пород отдельных факторов: температуры, скорости деформации, влияние жидкой фазы, который подтвердил необходимость проведения исследований влияния комплексов воздействий на структуры и свойства пород.

Во второй главе описана принципиальная схема экспериментального комплекса на базе установки высокого давления для исследования физико-механических свойств горных пород, приведены его технические характеристики и возможности. Подробно описаны основные составные элементы экспериментального комплекса, такие, как установка высокого давления, система измерения давления и система задания температуры. Рассмотрен метод задания максимального давления в установке с использованием порохового заряда (для более точного определения внутрибаллистических параметров предложена физико-математическая модель, описывающая изменение газодинамических параметров в полостях установки, которая представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений для усредненных по внутреннему свободному объему внутрибаллистических характеристик).

В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований трещинообразования пород нефтяных скважин. Представлены результаты применимости комплекса для экспериментальных исследований свойств пород нефтяных скважин Западно-Сибирского региона. Определены давления трещинообразования и разрушения образцов пород. Результаты проиллюстрированы фотографиями образцов и их шлифов. Приведены результаты исследования влияния различных воздействий (давления, температуры и при насыщении образцов жидкими средами) на предел прочности пород ЗападноСибирского региона.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю г. н.с., д.т.н. Ворожцову Борису Ивановичу, с.н.с., к.ф.-м.н. Хруста-леву Юрию Владимировичу как постоянному соруководителю работы и зав. лабораторией «Физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов», к.ф.-м.н. Павленко Анатолию Александровичу.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1 Впервые разработан экспериментальный имитационный комплекс на основе пороховой установки высокого давления, позволяющий исследовать физико-механические характеристики твердых материалов, включая горные породы, в широком диапазоне давлений (до 200 МПа, безопасность установки гарантирована коэффициентом запаса более 2) при различных вариантах нагружения (импульсном, статическом, депрессионном, химическом и термическом).

2 Разработана методика проведения исследований, обеспечивающих определение условий трещинообразования в образцах. При этом назначение импульсного давления определяется с учетом теоретических основ трещино-стойкости материалов и ожидаемого снижения этого параметра, связанного с условиями эксперимента (температурой, влиянием ПАВ, воды, скоростью нагружения). Определение массы навески порохового заряда производится по разработанной методике с погрешностью до 10%.

3 Показана эффективность использования установки на примерах исследования комплексного воздействия импульсного давления на образцы, находящиеся в различных средах и условиях, например водная среда насыщающей поры и трещины снижает предел прочности на 15%, применение в этих условиях композиции ИХН-100, разработки Института химии нефти СО РАН дополнительно снижает предел трещинообразования еще на 7.8%. Этот факт подтверждает успешное применение ИХН-100 при добыче нефти на скважинах Западно-Сибирского региона;

4 Исследование трещиностойкости образцов, подвергавшихся различным воздействиям в модельном комплексе, в условиях одноосного сжатия качественно совпадает с известными данными, что подтверждает эффективность использования установки.