НИИ Механики МГУ, Москва
В вулканически активных зонах часто наблюдаются потоки горячего водяного пара и углекислого газа через поверхность Земли в атмосферу, а также присутствуют озера с кипящей водой и горячие источники. Источником горячего газа является магматический расплав, залегающий на глубине десятков километров. При остывании от магматического расплава отделяются большие объемы вулканического газа, который устремляется к поверхности по проницаемым вмещающим породам. Выход газа на поверхность обычно локализован в трещинах и кратерах, имеющих небольшой размер по сравнению с характерными масштабами магматических очагов.
Магматический расплав прогревает окружающие породы, что приводит к изменению реологических свойств пород и их вязкопластической компакции, то есть к сжатию порового пространства. При этом проницаемость пород существенно уменьшается, что осложняет фильтрацию вулканического газа. Определение механизма переноса газа к поверхности и локализации течения в пористой среде является актуальной задачей, поскольку вулканический газ может содержать в растворенном виде примеси ценных металлов, и гидротермальная активность часто сопряжена с процессами рудообразования.
Работа посвящена исследованию течений вулканического газа в вязкоупругих вмещающих породах. Представлена математическая модель течения жидкости в деформируемой пористой среде, основанная на уравнениях механики многофазных сред. С помощью численной реализации предложенной модели проведено моделирование переноса магматического газа в верхней коре Земли. Учитывается зависимость вязкоупругих свойств горных пород от температуры, пластические деформации твердой матрицы при высоком поровом давлении. Используются реалистичные свойства флюидов в широком диапазоне глубин.
Исследовано влияние учета пластических деформаций на формирование высокопроницаемых каналов в пластической зоне и взаимодействие этих каналов с конвекцией в хрупкой зоне. Показано, что компакция вызывает локализацию фильтрационного течения и накопление вулканического газа в областях с высокой пористостью – линзах. Показано, что перенос газа происходит в основном через верхнюю часть линз, что приводит к восходящему потоку гидротермальной конвекции, всегда находящемуся наверху каждой линзы. Другие потоки газа между линзами связаны с конвекцией грунтовых вод. Моделирование показывает, что линзы можно отслеживать, измеряя определенные параметры на поверхности.
Иван Сергеевич Уткин
Сибирский федеральный университет
Рисунок 1.Фото вискозиметра (слева), и фото образца горной породы, помещенного в буровой раствор(справа)
Сооружение геологоразведочных скважин в сложных горно-геологических условиях невозможно без применения современных буровых технологических жидкостей.
Использование комплексов ССК и КССК при бурении скважин, пересекающих зоны тектонических нарушений с глинками трения, в частности хлоритами с полиакриламидными (ПАА) растворами осложняется тем, что происходит гидратация минералов и вымывание цемента и как следствие обрушение стенок скважины. Растворы ПАА не обладают пространственной структурой и поэтому не удерживают шлам (особенно крупный), а укрупняют частицы горных пород (флокуляция) и осаждают последний[1].
В связи с озвученными проблемами была сформирована следующая цель: разработка буровых растворов для сооружения геологоразведочных скважин. Для выполнения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1) разработка рецептур буровых растворов; 2) исследование реологических и физических характеристик буровых растворов; 3) расчёт значения перепада давления при прокачивании созданных буровых растворов.
Параметры приготовленных буровых растворов оценивались по методике, изложенной в международном стандарте ISO 10414-1. Реологические параметры измеряли на ротационном вискозиметре OFITE 900 (см.рис.1). Буровые растворы готовили на дистиллированной воде с добавлением химических реагентов: биополимеры ксантанового типа (гаммаксан и флоксан), низковязкая и высоковязкая полианионная целлюлоза (Оснопак). Кроме этого в работе использовали модифицированный крахмал и жидкое стекло .
В ходе исследования были получены следующие результаты: для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях рекомендуется применять буровые растворы на основе биополимеров. В качестве основных компонентов для приготовления растворов рекомендуется использовать следующие реагенты Гаммаксан ,крахмал и жидкое стекло.
Численные исследования потерь давления при бурении комплексами КССК и ССК показали, что для применения разработанных рецептур буровых растворов, обеспечивающих устойчивость стенок скважин, необходим нестандартный алмазный породоразрушающий инструмент, использование такого инструмента позволит снизить гидродинамические потери давления при прокачивании вязких полимерных растворов с расчетными реологическими параметрами, что в итоге сможет повысить эффективность сооружения глубоких геологоразведочных скважин комплексами КССК.
Список литературы
1.Неверов А.Л., Минаков А.В., Жигарев В.А., Каратаев Д.Д. Повышение эффективности сооружения глубоких скважин комплексами со съемными керноприемниками // ФТПРПИ. 2016. № 6. С. 75—85.
Владимир Алексеевич Жигарев
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Рис. 1. Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН)
В России функционирует не имеющая аналогов в мире Единая система газоснабжения, неотъемлемой частью которой является система подземных хранилищ газа. Исключительная важность подземных хранилищ газа (ПХГ) в России обусловлена преимущественно климатическими особенностями и большой протяженностью территорий страны, которая усложняет транспортировку газа до конечного потребителя. На сегодняшний день наибольшее количество ПХГ создается в истощенных газовых, газонефтяных или газоконденсатных месторождениях, либо в водоносных пластах. Однако при любой конструкции ПХГ его безопасное и эффективное функционирование требует постоянного контроля, а также поддержания правильного режима эксплуатации.
Изменение напряженного состояния в породах-коллекторах при циклических операциях на скважине ПХГ может напрямую влиять на их проницаемость [1]. Снижение проницаемости даже в небольшой окрестности скважины значительно уменьшает ее производительность. Это снижение может также быть связано с эксплуатацией скважины – периодической закачкой больших объемов газа, в котором содержатся твердые частицы и капли масла.
Для существенного увеличения проницаемости пород призабойной зоны скважины одним из наиболее перспективных способов является созданный в ИПМех РАН метод направленной разгрузки пласта. В его основе лежит использование огромной упругой энергии, запасенной в массиве горных пород за счет веса вышележащих пород и пластового давления [2]. Использование метода на месторождениях ПХГ имеет ряд отличительных особенностей по сравнению с его применением на обычных нефтегазовых месторождениях. Это связано с циклическим изменением пластового давления месторождения в ходе его эксплуатации.
В работе проведено физическое моделирование процессов деформирования и фильтрации в породах пластов ПХГ в условиях реально возникающих на стенках скважины напряженных состояний при реализации метода направленной разгрузки пласта. Исследование было проведено на установке истинно трехосного независимого нагружения в Институте проблем механики РАН (рис.1). Данный испытательный стенд позволяет нагружать кубические образцы горных пород независимо по каждой из трех осей и регистрировать изменение проницаемости в ходе эксперимента [2].
Для каждого исследованного образца пород-коллекторов были составлены и реализованы программы нагружения на основе методов теории упругости. В рамках работы получены кривые деформирования, исследованы зависимости от времени деформаций пород в условиях сложного трехосного нагружения, установлены реологические и фильтрационные характеристики пород и их зависимости от напряжений. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что имеется реальная возможность повышения проницаемости пород-коллекторов ПХГ методом направленной разгрузки пласта за счет создания в окрестности скважин напряжений необходимого уровня.
1. Голодковская Г.А., Калиниченко И.В., Филимонов Ю.Л., Хлопцов В.Г. Изменение деформационных и емкостно-фильтрационных свойств песчано-алевритовых пород при эксплуатации подземных хранилищ газа // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2008. №3.
2. Karev V., Kovalenko Y., Ustinov K. Advances in Oil and Gas Exploration and Production. Switzerland: Springer International Publishing, 2020.
Валерий Владимирович Химуля
