Научная статья на тему 'Физическое моделирование изменения фильтрационных свойств угольных пластов'

Физическое моделирование изменения фильтрационных свойств угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Горное дело»

CC BY
145
40
Поделиться
Ключевые слова
УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ / ПРИСКВАЖИННАЯ ЗОНА / ФИЛЬТРАЦИЯ / СКИН-ФАКТОР / ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ФЛЮИД / ДЕГАЗАЦИЯ

Аннотация научной статьи по горному делу, автор научной работы — Тайлаков Олег Владимирович, Уткаев Евгений Александрович, Смыслов Алексей Игоревич, Кормин Алексей Николаевич

Представлен анализ современных методов, применяемых для определения фильтрационных свойств горных пород и оценивания геометрических размеров прискважинной зоны с измененной проницаемостью. Рассмотрена физическая модель, отображающая подачу через модельную скважину флюида и его последующую фильтрацию в эквивалентных материалах. Обсуждаются результаты моделирования изменения проницаемости угольных пластов, выполненные в лабораторных условиях.

Похожие темы научных работ по горному делу , автор научной работы — Тайлаков Олег Владимирович, Уткаев Евгений Александрович, Смыслов Алексей Игоревич, Кормин Алексей Николаевич,

Physical modelling of coal seams filtration properties fluctuation

The analysis of the modern methods applying for the determination of the filtration properties of rocks and estimation of the geometric dimensions of the wellbore zone with changed permeability are given. The physical model showing the supply the fluid through the borehole model and its subsequent filtering in equivalent materials is described. The results of the laboratory modeling of the permeability variation of coal seams are discussed.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Физическое моделирование изменения фильтрационных свойств угольных пластов»

Г еомеханика

13

УДК 622.278

О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, А.И. Смыслов, А.Н. Кормин

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

По мере увеличения темпов разработки угольных месторождений возникает необходимость в повышении эффективности дегазации угольных пластов [1]. При этом основной проблемой в процессе сооружения и эксплуатации дегазационных скважин является снижение их продуктивности, связанное с изменением фильтрационных характеристик углепородного массива. Наиболее существенные преобразования проницаемости, оказывающие влияние на гидродинамику пласта в результате возникновения дополнительного гидравлического сопротивления (скин-эффекта), происходят в непосредственной близости от скважины -в ее призабойной зоне.

Для определения степени нарушения проницаемости в призабойной зоне скважины принято использовать скин-фактор, который характеризует состояние этой зоны с нарушенными фильтрационными свойствами вследствие кольматации пласта промывочными растворами, разбуренными частицами породы и другими веществами во время первичного вскрытия, цементирования колонны, вторичного вскрытия перфорацией и при различных ремонтах скважины. Оценка фильтрационных свойств ее призабойной зоны в полевых и лабораторных геофизических исследованиях имеет определяющее значение для последующего выбора способа стимуляции угольного пласта. При полевых исследованиях фильтрационных свойств угольных пластов в прискважинной зоне можно получить общую информацию о состоянии призабойной и удаленной зон пласта (проницаемость, скин-фактор, емкостной коэффициент и др.). Однако процессы проникновения твердых частиц в прискважинную зону пласта и образование областей с измененной проницаемостью при фильтрации промывочной жидкости остаются малоизученными. Поэтому актуальным является использование физического моделирования на основе эквивалентных материалов для уточнения фильтрационных свойств призабойной зоны скважины.

Термин скин-эффекта введен в 1953 году Ван Эвердингеном и Хер-стом, позже Хоукинс расширил его понятием отрицательного скин-фактора [2-4]. Скин-эффект заключается в возникновении дополнительного фильтрационного сопротивления, вызванного изменением проницаемости породы в призабойной и удаленной зонах скважины, и определяется как

Таким образом, в массиве горных пород, вмещающем трещину с сомкнутыми берегами в виде математической щели, ещё до ведения горных

г

In-»-,

г

работ помимо исходного гравитационного поля напряжений существуют и дополнительные касательные напряжения, возникающие в результате взаимного

(к л

5= —-1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

кs ' 'с (1)

где rs - радиус призабойной зоны скважины с измененной проницаемостью; гс - радиус ствола скважины в продуктивном интервале; к, ks - коэффициент проницаемости удаленной и призабойной зоны.

При положительных значениях скин-фактора проницаемость призабойной зоны скважины в результате ее кольматации хуже в сравнении с удаленной зоной, а при отрицательных значениях - выше, вследствие, например, стимуляции гидроразрывом. Скин-фактор изменяется в пределах -12 + оо в зависимости от степени нарушения призабойной зоны скважины [5-7].

Наиболее полная информация о состоянии призабойной зоны может быть получена на основе применения полевых методов, которые включают в себя геофизические, гидродинамические, отбор и исследование кернов, глубинное фотографирование и другие. Расширяющееся применение среди таких методов имеют гидродинамические исследования, основанные на наблюдениях за снижением или подъемом уровня жидкости до статического после ее долива или отбора из скважины и кратковременных установившихся отборах или нагнетаниях флюида в поглощающий пласт при его герметизации [8-10]. Для оценки радиуса скин-эффекта необходимо учитывать воздействие отдельных горно-геологических (водопроницаемость, пористость, суммарная мощность пласта) и технологических (вязкость рабочей жидкости, скорость и объем закачки жидкости) факторов на изменения фильтрационных характеристик призабойной зоны скважины, что весьма сложно обеспечить в натурных условиях. В связи с этим поставлена задача разработки физической модели, основанной на использовании эквивалентного материала, для изучения фильтрационных процессов в прискважинной зоне угольного пласта в лабораторных условиях. Для исследования процессов изменения фильтрационных свойств в призабойной зоне скважины разработана и изготовлена оригинальная лабораторная установка, применение которой заключается в нагнетании жидкости в образец, размещенный в механизме для его за-

14

О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, А.И. Смыслов, А.Н. Кормин

крепления, и ожидании спада давления после прекращения подачи флюида. Расход подаваемой жидкости, время ее нагнетания и время ожидания падения давления рассчитываются предварительно в зависимости от характеристик образца. По окончании ожидания спада давления образец извлекается из установки для дальнейших исследований. Изменение давления при проведении теста регистрируется с использованием электронного автономного манометра. Для подачи жидкости под давлением применяется масляный пресс с обратным клапаном, технические параметры которого определены в калибровочных измерениях по нагнетанию жидкости с заданными параметрами. Установлено, что расход флюида 0,91 мл/с достаточен для лабораторных исследований

Для выбора эквивалентного материала определен режим фильтрации жидкости в натурных условиях с использованием критерия Рейнольдса

[П]

Re =

W4kp

m['5ju

(2)

где W - скорость фильтрации; к - коэффициент проницаемости пласта; р- плотность жидкости; т - коэффициент пористости; р - коэффициент динамической вязкости жидкости.

Критические значения числа Re лежат в интервале 0,022 < ReKp < 0,29. В соответствии с принятыми условиями Re = 0,0028 < ReKp = 0,022. Поэтому для оценки скин-эффекта в призабойной зоне скважины с радиусом rs применент закон Дюпюи, который может быть представлен в виде

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Дp42nhk ex р(—*——*-),

Qv

(3)

где г с - радиус скважины; Q - расход жид-

кости при нагнетании; ks - коэффициент проницаемости пласта в зоне влияния скин-эффекта; h -мощность пласта; Дps - спад давления в течение рабочего периода.

Моделирование проводилось на образцах из эквивалентного материала (обожженной глины и газонаполненных пластмасс), выбор типа и параметров которых основывался на условиях гидродинамического подобия при физическом моделировании будет с соблюдением равенства чисел Рейнольдса для модели ReM и натуры Re„

Re„=Re„. (4)

Или после подстановки формулы (2) в (4)

С использованием выбранных материалов и геометрических параметров проведены лабораторные эксперименты для оценки фильтрационных свойств искусственных материалов, модели-

рующих угольные пласты. При этом коэффициент проницаемости угольного массива, известный по результатам измерений в натурных условиях на Таллинском месторождении Кузбасса, составил 3,6 мДа, а полученный в лабораторных условиях для образцах из обожженной глины и газонаполненных пластмасс - 28,8 и 3,8 мДа.

Лабораторные исследования изменений фильтрационных свойств в призабойной зоне скважины на образцах из эквивалентных материалов включали тестирование чистого образца, кольма-тацию призабойной зоны скважины, тестирования образца с измененной проницаемостью, оценку нарушения методом прямых измерений и на основе вычислений с учетом полученных экспериментальных данных. Затем проводилось тестирование исходного, незагрязненного образца. Для этого он закреплялся в лабораторную установку, подключался электронный манометр и нагнетатель, заполненный подкрашенной водой, после чего флюид нагнетался в образец с расходом Цщ, рассчитанным по формуле

Чщ =

к /7 Р Surf

I^Wnr max

70,65 р i?w ln(2,25tDe2s)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(6)

где kw - коэффициент водопроницаемости; h -

TjSurf

суммарная мощность пласта; rmax - максималь-

ное давление, подаваемое на устье скважины; р -коэффициент динамической вязкости воды; Bw -фактор сжимаемости; to - безразмерное время нагнетания.

Время нагнетание флюида определялось по формуле

tinj = 5,2 tDwx, (7)

17 ■\0*Cews

где tDws =-------j--r-------безразмерное время

f kh)

конечного периода ожидания падения давления в скважине; С - коэффициент накопления; S - скин-фактор; к - коэффициент проницаемости.

После прекращения подачи жидкости модельная скважина герметизировалась для регистрации падения давления в течение расчетного времени texp, которое определялось по формуле

texp ~ 2 tin/. (8)

По окончании периода ожидания падения давления манометр отключался от установки и проводился анализ зарегистрированного изменения давления (рис. 1). На основании обработки результатов измерений оценивались фильтрационные свойства образца с ненарушенной проницаемостью.

Г еомеханика

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

15

Рис. 1 - Изменения давления флюида Р во времени Т в образцах с естественной (?\) и искусственно измененной проницаемостью (Р2):

а) - образец № 1; б)- образец № 2

При кольматации призабойной зоны модельной скважины в образец из эквивалентных материалов при помощи нагнетателя закачивался глинистый раствор, после чего проводилось тестирование образца с измененной проницаемостью. Для этого удалялись излишки глины, осевшей в забое модельной скважины, и образовавшейся на ее стенках глинистой массы, чтобы исключить их влияние. Затем присоединялись электронный манометр и нагнетатель для повторного тестирования, в результате которого регистрировалось изменение давления во времени.

Для оценки радиуса влияния скин-эффекта методом прямых измерений по окончании исследований образец извлекался из установки и проводилась его декомпозиция. Измерения геометрических размеров зоны проникновения флюида и дисперсной фазы кольматанта в призабойную зону скважины образца проводились с применением оптических систем.

На основе полученных данных рассчитывался радиус зоны с измененной проницаемостью в призабойной зоне скважины с использованием формулы (3). Выполненный анализ полученных экспериментальных данных показал, что радиус зоны

с измененными значениями проницаемости в эквивалентных материалах более точно описывается выражением

rs = rc- ехр(

(Pc~Ps)

У

Inhk

-----)

Qh

(9)

Здесь рс, ps - забойное давление и давление на границе влияния скин-эффекта, i - безразмерный коэффициент, который определяется с учетом скорости изменения давления в начальный момент времени после прекращения подачи жидкости при проведении гидродинамических исследований. Расхождение между результатами измерений и вычислений, выполненных по формуле (9), радиуса скин-эффекта на образце из эквивалентного материала составило 4%.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Полученные результаты будут использованы в дальнейшем для оценки фильтрационных свойств и определения геометрических размеров прискважинной зоны углепородного массива при проведении инжекционных тестов с целью повышения эффективности мероприятий по стимулированию газоотдачи скважин, применяемых для заблаговременной дегазации угольных пластов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полевщиков, Г.Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал.- Кемерово, 2012. - № 2. - С.20-27.

2. Hurst W. Esteblishment of the skin effect and its impediment to fluid flow into a well bore. «The petroleum Engineer». Vol. XXV. №11. Okt. 1953. P. B6- В16.

3. Van Everdingen A. F. The Skin Effect and its Influence on the Productive Capacity of a Well. // Petroleum Transactions AIME. 1953. Vol. 198. P. 171-176.

4. Coalbed Methane Reservoir Engineering: Published by Gas Research Institute, Chicago, Illinois, U.S.A., 1996-520 pp.

5. Михайлов H.H. Изменение физических свойств горных пород в околоскважинных зонах. - М.: Недра, 1987.- 152 с.

16

О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, А.И. Смыслов, А.Н. Кормин

6. Шагиев Р.Г. Исследование скважин по КВД. - М: Наука, 1998. - 304 с.

7. Гольф-Рахт Т.Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов. -М.: Недра, 1986.-608 с.

8. Овнатанов Г.Т. Вскрытие и обработка пласта. - М.: Недра, 1964. - 266 с.

9. Баренблатт Г.И. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа / Г.И. Баренблатт, В.М. Ентов, В.М. Рыжик. - М.: Недра, 1972. - 288 с.

10. Булатов А.И. Освоение скважин: Справочное пособие / А.И. Булатов, Ю.Д. Качмар, П.П. Макаренко, Р.С. Яремчук. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 472 с.

11. Басниев К. С. Нефтегазовая гидромеханика / К.С. Басниев, Н.М. Дмитриев, Г.Д. Розенберг. -М.: 2003.-479 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Авторы статьи

Тайлаков Олег Владимирович докт. техн. наук, профессор, зав. совместной лабораторией ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: tailakov@uglemetan.ru

Кормин Алексей Николаевич младший научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: kormin@uglemetan.ru

Уткаев

Евгений Александрович канд. техн. наук, научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: utkaev@uglemetan.ru

Смыслов Алексей Игоревич младший научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: smvslov@uglemetan.ru