CC BY
58
УДК 622.691.24:622.279.3
Ключевые слова:
физическое
моделирование
подземного
хранилища газа,
керновые модели
пласта,
фазовая
проницаемость,
цикл закачки
и отбора газа,
гистерезис.
Физическое моделирование циклов закачки и отбора газа при разработке и эксплуатации ПХГ. Гистерезис фазовых проницаемостей
В.М. Троицкий1*, Б.А. Григорьев1, С.Г. Рассохин1, А.Ф. Соколов1, А.В. Мизин1, В.П. Ваньков1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: V_Troitskiy@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. Статья посвящена изучению влияния циклов закачки и отбора газа на фазовую проницаемость коллекторов различного типа, а именно: 1) водоносной структуры карбонатного коллектора, 2) терригенного коллектора обводненного газового месторождения и 3) вулканической (обломочной) структуры коллектора действующего месторождения. Исследования проведены методами физического моделирования с использованием керновых моделей пласта и пластовых флюидов (газа и минерализованной воды). Показано, что во всех коллекторах присутствует эффект гистерезиса фазовой проницаемости, демонстрирующий характерные особенности в отношении пород различной литологии, минералогического состава и структуры порового пространства. Цикличность закачки и отбора газа при функционировании подземных хранилищ газа приводит к изменению параметров выявленного гистерезиса.
Обнаруженные закономерности необходимо учитывать при разработке адекватных гидродинамических моделей объектов хранения газа.
Создание и эксплуатация подземных хранилищ газа (ПХГ) является важным стратегическим направлением развития мировой энергетической системы. В настоящее время в мире насчитывается более 600 ПХГ, в совокупности аккумулирующих свыше 340 млрд м3 газа. Существует большое количество классификаций и типов ПХГ [1]. Наиболее распространенными считаются следующие варианты хранения газа при пластовых условиях: в истощенных или частично выработанных газовых, газоконденсатных месторождениях (76 % всех существующих ПХГ); в выработанных нефтяных месторождениях (5 %); в водонасыщенных пластах (13 %); в соляных кавернах (6 %).
Методы физического моделирования могут быть использованы для расчета и прогнозирования технологических параметров практически любых типов ПХГ. Для обоснования и прогноза основных характеристик, а также создания реалистичной гидродинамической модели ПХГ разумно при его проектировании сначала изучить методами физического моделирования возможные изменения физико-механических, фильтрационных свойств горных пород при циклических закачке и отборе газа.
В настоящей статье рассматривается влияние циклов закачки и отбора газа на поведение параметра относительной фазовой проницаемости (ОФП) применительно к коллекторам различного типа. Показано, что практически во всех коллекторах присутствует эффект гистерезиса ОФП, но с характерными особенностями в отношении пород различной литологии, минералогического состава и структуры порового пространства. При этом циклические закачка и отбор газа при функционировании ПХГ приводят к изменению параметров выявленного гистерезиса ОФП, что должно учитываться действующей гидродинамической моделью.
Объект исследования
Из кернового материала пород трех типов - водоносной структуры карбонатного коллектора (1), терригенного коллектора обводненного газового месторождения (2) и вулканической (обломочной) структуры коллектора действующего месторождения (3),
на базе которых в дальнейшем запланировано строительство ПХГ (табл. 1), сформированы четыре модели пласта (МП): по 1 шт. для пород 1-го и 3-го типов и 2 шт. для породы 2-го типа (табл. 2). Для каждой МП определена абсолютная проницаемость по газу (&абс.г) и создана начальная водонасыщенность (Кв.о) с использованием моделей пластовой воды различных минерализации и состава. Эти же модели пластовой воды применялись и в последующих фильтрационных экспериментах.
Алгоритм экспериментальных исследований предполагал выполнение следующих шагов: а) определение фазовых прони-цаемостей сформированных МП в системе «газ - вода» в режиме пропитки и дренирования для термобарических условий залегания породы-коллектора; б) моделирование процесса закачки/отбора газа на сформированных МП (не менее 5 циклов); в) повторное определение фазовых проницаемостей МП в системе «газ -вода» в режиме пропитки и дренирования после циклической закачки/отбора газа.
Методика исследований и используемое экспериментальное оборудование
За основу экспериментального оборудования принята схема установки трехфазной фильтрации [2]. Установка компьютеризирована, оснащена ультразвуковым сепаратором, позволяющим автоматически определять насыщенность МП при различных долях фильтруемых фаз. Конструктивной особенностью трехфазной системы является фильтрация флюидов в режиме рециркуляции, чем обеспечиваются относительно быстрое достижение и строгое поддержание режима стационарной фильтрации.
На рис. 1 представлена блок-схема установки, адаптированной к решению задачи циклических закачки и отбора газа. Блок-схема состоит из четырех основных модулей: рециркуляции для измерения фазовых проницаемо-стей; измерения динамической вязкости; закачки газа; отбора газа.
Основными элементами модуля рециркуляции для измерения фазовых проницаемостей являются блоки 1, 2 и 3. В блоке насосов фильтрации 1 обычно задействовано восемь насосов модели 8С-1010 (США), благодаря
Таблица 1
Основные характеристики проектируемых ПХГ
Тип ПХГ Порода-коллектор Пластовая температура (О, °С Давление, МПа
тип глубина залегания, м литология пластовое (Рпл) горное (Ргор) размах при закачке и отборе газа (АР)
Водоносная структура Карбонатная 2500...2900 Аргилиты, трещиновато-пористая карбонатная 110 25 56 20.35
Обводненное газовое месторождение Терригенная 2700 Полевошпатовые кварцевые песчаники 101 30 62 13.30,5
Действующее газовое месторождение Вулканическая обломочная 2917.2967 Липарит, флюидальный туф, крупнозернистый песчаник, песчаниковый конгломерат 120 31,5 66,7 17.41,5
Таблица 2
Параметры сформированных МП и пластовой воды
МП Керн Пластовая вода
№ Длина (Ь), см Диаметр (Б), см тип коллектора ¿абс.Р мД поровый объем (ГжД см3 пористость, % К,.о, % минерализация, г/дм3
1 42,315 3,014 Карбонатный 2,03 11,05 3,66 82,5 33 (СаС12)
2 24,743 2,515 Терригенный 786,5 27,6169 23,04 22,05 9,8 (ЫаС1)
3 25,702 2,502 293,7 30,1379 23,61 24,57
4 7,960 3,792 Вулканическая (обломочная) структура 4,12 16,2615 18,09 21,98 15 (ЫаС1)
- гидростатическая связь
-<•■>■ электрическая(сигнальная) связь
| зонатермостатирования
Рис. 1. Блок-схема фильтрационной установки для проведения имитационного эксперимента в МП из кернового материала:
1 - блок насосов фильтрации; 2 - кернодержатель с МП; 3 - ультразвуковой двухфазный сепаратор высокого давления; 4 - блок обжимного давления; 5 - блок измерения АР, МПа, и /пл, °С; 6 - блок вискозиметра; 7 - блок измерительных насосов; 8 - аккумулятор с плавающим
поршнем; 9 - регулятор давления БРЯ «до себя»; 10 - сепаратор низкого давления; 11 - блок регулирования опорного давления; 12 - блок задания и регистрации электрических параметров
высокой точности которых обеспечивается заданная истинная стабильная скорость флюидов в пористой среде в диапазоне от 2 мм/сут до 30,6 м/сут. В результате гарантируется возможность полного воспроизведения реальных значений скоростей фильтрации, имеющих место как в самых удаленных от скважин участках пласта, так и в призабойных зонах добывающих и нагнетательных скважин. При этом колебания расхода флюида при установившемся течении не превышают 0,2 % заданного значения. Для создания непрерывной фильтрации двух флюидов (системы «газ - вода») используются две пары измерительных шаговых насосов Минимально фильтруемый объем флюида с помощью этих насосов ~ 0,002 мм3 на один шаг перемещения поршня. Все это позволяет производить фильтрацию флюидов по схеме рециркуляции с точным определением расхода.
Главным узлом цепи рециркуляции является кернодержатель 2. В данном случае
использовались кернодержатели гидростатического типа, предназначенные для исследования образцов керна и МП различного диаметра (см. табл. 2). Двухфазный сепаратор 3 высокого давления (0,1...69 МПа) ЛМ8-900 фирмы СогеЬаЪ (США), обеспечивающий измерение насыщенностей МП различными флюидами, состоит из двух сообщающихся сосудов: в одном сосуде осуществляются прием и отбор флюидов, в другом - измерение положения границы между флюидами. Прибор оснащен ультразвуковой системой измерения уровня границы фаз. Рабочий диапазон температур сепарируемых флюидов составляет 15.150 °С (при использовании блока поддержания низкой температуры - начиная от +5 °С). Все рабочие сосуды сепаратора выполнены из сплава На$1е11оу С-276. Общий объем сепаратора, а также используемый рабочий объем составляют 171 и 115 см3 соответственно. Точность измерения объема - 0,02 см3.
Блок обжимного давления 4 обеспечивает создание в кернодержателе 2 Ргор = 0,1.70 МПа путем двухосевого гидростатического обжима МП. Блок 5 предназначен для измерения АР и /пл°С на МП в процессе фильтрации. Измерения АР производятся с помощью дифференциального манометра с точностью 0,001 бар (в зависимости от установленной мембраны), температуры - с помощью датчика температуры точностью 0,1 °С.
Процесс измерения фазовых проницаемо-стей по газу (ФП^) и воде (ФП^) начинается после достижения условий стационарной фильтрации, при этом расчет фазовых проницаемо-
стей производится по формуле: ФП = • ФП = ^^
г АРЕ ' в АРЕ '
где соответственно Ь, Е - длина и площадь сечения МП; цв - вязкости газа и минерализованной воды, измеренные при пластовых условиях; QI, Qв - расходы по газу и воде.
Измерения вязкости в пластовых условиях по каждой фильтруемой фазе производятся модулем динамической сдвиговой вязкости. Для этого цепь рециркуляции разрывается (с помощью пневматических клапанов), а фильтрационный поток по каждой фазе направляется от блока насосов 1 на петлю-капилляр вискозиметра 6. Принцип измерения вязкости заключается в измерении АР на калиброванной петле-капилляре при заданном расходе изучаемого флюида.
Модуль закачки газа состоит из блока измерительных насосов 7 и аккумулятора 8 с плавающим поршнем. В качестве измерительного используется насос типа 18С0100БМ, обеспечивающий плавное передвижение плавающего поршня в аккумуляторе 8 и регулируемую подачу газа на вход кернодержателя 2. Выход кер-нодержателя 2 при этом закрыт. Таким образом имитируется процесс регулируемой закачки газа в ПХГ при абсолютной его герметичности и отсутствии перетоков.
Модуль отбора газа предназначен для имитации процесса отбора газа из ПХГ и состоит из регулятора давления 9 (обычный регулятор давления «до себя»), сепаратора низкого давления 10 и блока регулирования опорного давления 11. Работает модуль следующим образом: регулятор 9 настраивается на максимально возможное пластовое давление ПХГ после процесса закачки газа; блок 11 плавно управляет
работой регулятора 9 так, что реализуется равномерный выпуск газа из МП (блок 2) через сепаратор 10 в атмосферу с регистрацией вышедшего из МП объема газа и воды. Тем самым имитируется процесс регулируемого отбора газа из ПХГ.
В качестве газовой фазы в фильтрационных экспериментах использовался газообразный метан, отвечающий требованиям ТУ 51-841-87; в качестве воды - модель минерализованной воды, алгоритм приготовления которой заключался в следующем: вначале определялись минералогический состав и средняя минерализация пробы оригинальной пластовой воды, затем по результатам этого анализа приготавливалась модель минерализованной воды, включающая все основные компоненты оригинальной пробы воды (см. табл. 2).
Результаты исследований фильтрационных параметров до выполнения циклов закачки и отбора газа
Для всех МП измерения значений ФПг и ФПв проводились при пластовых условиях. Сначала указанные фильтрационные параметры определялись в режиме пропитки, а затем (без демонтирования моделей) - в режиме дренирования. При этом конечная точка водонасыщен-ности при пропитке являлась начальной точкой при дренировании. Для получения значения ОФП значения ФП и ФП нормировались: для МП № 1 на абсолютную проницаемость по газу и воде соответственно; для МП № 2, № 3 и № 4 - на эффективную проницаемость по метану (Кф при соответствующем значении
(см. табл. 2). В табл. 3 приведены нормировочные коэффициенты Кд для ОФП всех исследованных МП.
На рис. 2-5 представлены графики зависимостей ОФП по воде (ОФПв) и газу (ОФПг) для исследованных МП в режиме пропитки и дренирования.
Таблица 3 Нормировочные коэффициенты Кд, для определения ОФП
Тип коллектора МП (см. табл. 2) К№ мД
Карбонатный № 1 («2,03 мД») 2,03 (для газа); 1,26 (для воды)
Терригенный № 2 («800 мД») 447,14
№ 3 («300 мД») 193,5
Вулканическая (обломочная) структура № 4 («4,12 мД») 0,26
£ 8 С
© 7 О
6 5 4 3 2 1
0
0,82 0
0,90 0,92 0,94 0,96 К. д.ед.
Рис. 2. Зависимости ОФП по газу
и минерализованной воде от водонасыщенности (Кв) МП № 1 (см. табл. 2) в режимах пропитки и дренирования: Рпл = 25 МПа; Ргор = 56 МПа, /пл = 110 °С; точка инверсии Кв.и = 0,912
100
§ 90 О
80 70 60 50 40 30 20 10
0,2
А ОФП: г - - пропитка ---дренирование - ОФП: В - -пропитка ---дренирование -
\
\
\
\
\
Д
/1 / / / /
/ / X / /
-о- о__ ^=8
0,3
0,4
0,5
0,6 0,7 К, д.ед.
Рис. 3. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 2 (см. табл. 2) в режимах пропитки и дренирования: Рпл = 30,32 МПа; Ргор = 62,3 МПа; /пл = 101 °С
0
§ О
^100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 0,2
\ 1 1 ОФП: г - пропитк --- дрениро ОФП: в - пропитк 1 а вание а вание -
\
\ у
\
\ ---Д1 )ениро
\
—о-
Рис. 4. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 3 (см. табл. 2) в режимах пропитки и дренирования (см. экспликацию к рис. 3)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
К, д.ед.
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
0,5 0,6
К. д.ед.
Рис. 5. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 4 (см. табл. 2) в режимах пропитки и дренирования:
Рпл = 31,5 МПа, Ргор = 66,7 МПа, С = 120 °С
На рис. 2-5 видно, что для всех МП на зависимостях ОФП от водонасыщенности обнаруживается гистерезис проницаемостей. Вместе с тем проявление гистерезиса различается для различных типов пород-коллекторов. Так, если применительно к коллекторам 1-го и 2-го
типов для ОФП кривые дренирования расположены ниже соответствующих кривых пропитки (см. рис. 2-4), то для коллектора 3-го типа, наоборот, соответствующая кривая дренирования находится выше, чем кривая пропитки (см. рис. 5).
Также можно заметить, что кривые ОФПв для коллекторов 1-го и 2-го типов при пропитке лежат ниже, чем при дренировании и имеют характерную точку инверсии (см. рис. 2-4). Коллектору 3-го типа свойственна иная закономерность: кривая ОФП при пропитке расположена выше кривой при дренировании (см. рис. 5).
Сравнивая поведение ОФП для МП № 2 и № 3, имитирующих коллекторы одного типа, но разной проницаемости (см. рис. 3, 4), можно заключить, что эффект гистерезиса проявляется сильнее для более проницаемого коллектора.
Моделирование циклов закачки и отбора газа
При циклическом процессе закачки и отбора газа на ПХГ происходит изменение фильтрационно-емкостных свойств коллектора [3], обусловленное периодическими деформациями, вызванными подъемом давления при заполнении ПХГ и сбросом давления при отборе газа потребителям. По результатам физического моделирования оценим влияние циклического процесса на фильтрационно-емкостные свойства коллекторов различных типов, а также на активный объем ПХГ.
В случае циклической работы ПХГ его активный объем будет меняться и определяться не только размером газонасыщенной части коллектора, но также способностью поровой структуры высвобождать пространство при закачке газа в пласт, оптимизировать структуру порового пространства, в том числе за счет вытеснения и оттеснения воды (например, на границе аквайфера). Оценить активный объем газа и динамику его изменения можно на основании эксперимента по физическому моделированию процессов закачки и отбора метана на керно-вых моделях ПХГ.
Суть лабораторного определения изменений порового объема продемонстрируем на МП № 1 (см. рис. 1). После эксперимента по определению ОФП выход МП № 1 закрывается. Модель находится при пластовых условиях и Кв.о = 89,15 % (после измерений ОФП в режиме дренирования). Производится отбор газа из МП (со стороны входа) с помощью блоков 9 (ВРЯ), 10 (сепаратора низкого давления) и 11 (регулятор опорного давления), составляющих модуль отбора газа. При этом значение Рпл уменьшается до минимального Рмин. Темп сбрасывания давления газа (отбора) задается исходя
из соразмерности натурных и модельных периодов закачки и отбора газа. После сепаратора 10 объем газа (V), вышедшего в процессе сбрасывания давления, измеряется с помощью счетчика газа, а небольшое количество воды (Кв), вышедшей из МП в процессе сбрасывания давления, определяется на самом сепараторе 10 с помощью ловушек и взвешивания.
Далее начинается процесс закачки газа (см. красный контур на рис. 1). Блок измерительных насосов 7 нагнетает метан на вход МП. При этом значение Рпл плавно увеличивается до максимального Рмакс. Как важные технологические параметры ПХГ значения Рмин и Рмакс выбираются в результате тщательного анализа геологической информации, особенностей строения пласта-коллектора и соблюдения принципов герметичности и безопасной работы ПХГ. По достижении Рмакс сразу же начинается процесс разгрузки модели до давления Рмин.
Всего в ходе экспериментов проведены по 5 циклов нагружения/разгрузки МП № 1.4. Характерный профиль изменения Рпл в процессе закачки/отбора газа показан на рис. 6. Подъем Рпл осуществляется закачкой метана с помощью прецизионного насоса, а отбор газа - подачей управляющего давления на регулятор давления «до себя».
Активным объемом газа МП (1/ак) считается тот объем, который может быть заполнен метаном в процессе его закачки на вход МП
Й 40
S 135
30 25 20 15 10
100 120
Время, ч
Рис. 6. Характерный временной профиль пластового давления для МП при циклическом процессе закачки и отбора метана
5
0
и оттеснения воды. К сожалению, ¥ак не может быть определен по объему закачиваемого газа, подаваемого с прецизионного насоса на вход МП, так как при закачивании газа не ясны положение фронта закачки и его профиль. Кроме того, при закачке и отборе газа давление постоянно изменяется (см. рис. 6), а это значит, что в расчетах Уак необходимо учитывать коэффициент сжимаемости газа для каждого значения Рпл из диапазона Рмин.Рмакс. В этой связи значение Уак оценивалось авторами по значению Уг при разгрузке МП до давления Рмин [4]. Значение Уг может быть измерено после сепаратора низкого давления 10 (см. рис. 1) при атмосферном давлении, а затем приведено к пластовым условиям. При выпуске газа в сепаратор 10 обнаруживается также незначительное количество паров воды. Значение Ув можно измерить на сепараторе 10 и привести к пластовым условиям.
На рис. 7, 8 показаны зависимости объема газа, вышедшего из МП № 1 и № 2 после каждого цикла закачки/отбора газа. Видно, что с каждым циклом закачки/отбора происходит монотонное увеличение Уг. Аналогичная картина увеличения газонасыщенного объема после циклов закачки/отбора газа наблюдается для всех типов моделей коллекторов. Различия в поведении газонасыщенности заключаются
в разных темпах ее выхода на предельное значение и в самом этом значении.
Можно предположить, что многократное повторение циклов закачки и отбора газа приводит к оптимизации порового пространства так, что суммарная газонасыщенность коллектора ПХГ постоянно увеличивается и стремится к своему продельному значению через четыре-пять циклов.
Необходимо заметить, что при периодических циклах закачки и отбора газа и снижении давления вместе с газом выходило и небольшое количество воды. Это количество регистрировалось на сепараторе низкого давления 10 и учитывалось при окончательной оценке изменения активного объема газа.
Результаты исследований фильтрационных параметров после циклического процесса закачки и отбора газа
После 5 циклов закачки и отбора газа для всех МП значения К о изменились мало из-за незначительного выноса воды из МП во время дренирования газа. С учетом динамики выноса воды из МП при циклическом процессе закачки и отбора газа рассчитаны новые значения Кв.о МП последовательно для всех этапов технологического процесса (табл. 4). МП в процессе исследований не разбирались.
ft 0,40 о с
а
§ 0,35 tfl ю о
к -
о
^ 0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
•••
••••
— эксперимент ••• прогноз (y = a + Ып(х)) ........
7 9 11 13 15
Порядковый номер цикла
Рис. 7. Динамика изменения Как для МП № 1 (см. табл. 2) при циклическом процессе закачки и отбора метана:
Рпл изменяется в цикле от 20 до 35 МПа; Ргор = 56 МПа; 4л = 110 °C
2700
2600
2500
2400
2300
2200
2100
' С >
/ < )
1 2 3 4 5
Номер цикла
Рис. 8. Зависимость объема метана, вышедшего из МП № 2, от порядкового номера цикла отбора/закачки:
объем подсчитан при стандартных условиях; интервал изменения давления при сбросе/закачке составляет от 13 до 30,5 МПа
Таблица 4
Динамика изменения остаточной водонасыщенности МП в процессе технологических операций
Значения Кв о, %
МП исходное после первичной процедуры пропитки/дренирования после циклов закачки/отбора газа после циклов закачки/отбора газа и вторичной процедуры пропитки/дренирования
1 82,5 89,15 66,81 82,96
2 22,05 32,71 27,57 22,66
3 24,57 53,96 53,89 52,03
4 21,98 47,76 46,59 42,06
С' ©
О 5
4 3 2 1
0
0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95
Кв, д.ед.
Рис. 9. Зависимость ОФПв от водонасыщенности в режимах пропитки и дренирования для МП № 1 (см. табл. 2) после циклической обработки:
новое значение Кво = КВ.о = 66,81; здесь и далее на рис. 10 см. экспликацию к рис. 2
1 1 1
- пропитка ---дренирование
1
1 1 1 1
1 1 1 1 / 1
1 / ф ? 1 /
1 / 1 У
£ 0,30 ©
0 0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,80
1
- пропитка --- дренирование
а \ \ \
ъ V Ъ
Ч \ \ \ ч \ \ \
\ 1 \ \ ч
0,85
0,90
0,95 К. д.ед.
Рис. 10. Зависимость ОФП по метану от водонасыщенности в режимах пропитки и дренирования для МП № 1 (см. табл. 2) после циклической обработки: КВо = 66,81
0
После циклов закачки и отбора газа при новых значениях Кв о (см. табл. 4) выполнены измерения ОФЦ, и ОФЦ, в режимах пропитки и дренирования (рис. 9-13).
Анализ экспериментальных результатов
Результаты эксперимента показывают, что циклический процесс закачки и отбора газа приводит к изменению параметров обнаруженного гистерезиса ОФЦ, при этом породы-коллекторы каждого типа имеют свои особенности.
На рис. 14 приведены кривые гистерезиса ОФП для МП № 1 как до, так и по завершении циклов закачки и отбора газа. Видно, что циклический процесс приводит: 1) к расширению области фильтрации (интервала водонасыщенностей при совместной
фильтрации газа и воды) с 0,135 до 0,237 д.ед.; 2) повышению гидрофильности МП; 3) увеличению газонасыщенности МП (начальная во-донасыщенность МП № 1 уменьшилась почти на 20 %).
Анализируя поведение кривых ОФП до и после циклической закачки/отбора газа в МП № 2 и № 3, сформированных из пород-коллекторов терригенного типа, можно заметить, что эффект гистерезиса не так сильно выражен и применительно к МП № 3 он имеет особенность (см. рис. 12): если до циклов закачки/отбора для МП № 2 и № 3 ОФПг при пропитке всегда больше, чем при дренировании, то по их завершении для МП № 3 наблюдается обратная картина. Выдвинуто предположение, что многократные циклические закачка
£ 25
§ О
20 -
15 -
ОФП:
г
- пропитка
---дренирование
ОФП :
в
- пропитка
---дренирование
10
0,2
0,3
0,4
0,5 0,6
К. д.ед.
Рис. 11. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 2 (см. в табл. 2) в режимах пропитки и дренирования после циклической обработки: КВ.о = 27,57 %; см. экспликацию к рис. 3
£ 14 £
О 12
10 8 6 4 2
0 0,50
1 1 ОФП: г - -пропитка ---дренирование _ ОФП: в - пропитка ---дренирование /7
// // / / / /
/ / / / / / 9
г /
/ / /
р ч N \ / . / / / / р / О
\ Ч ч ч / / / р / / / /
с
0,55
0,60
0,65 0,70 К. д.ед.
Рис. 12. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 3 (см. табл. 2) в режиме пропитки и дренирования после циклической обработки: = 53,89 %; см. экспликацию к рис. 3
£ 140 С § 120
100 80 60 40 20
0 0,40
ОФП: г - пропитка '---дренирование ОФП : В
// //
/ / / / г / / /
---дре нирование / / /
Я / * /
\ / \ Г) / / / /
д / \ / \ Г! \
✓ ✓
0,45
0,50
0,55 0,60 К. д.ед.
Рис. 13. Зависимости ОФП по газу и минерализованной воде от водонасыщенности МП № 4 (см. табл. 2) в режиме пропитки и дренирования:
КВ.о = 46,59 %; см. экспликацию к рис. 5
До обработки:
-ОФП
-ОФП
в
После обработки (5 циклов):
---ОФП,
---ОФП
-р 16 О4
С
© 14 О
12 10 8 6
4 2 0
0,66 0,70 0,74 0,78 0,82 0,86 0,90 0,94 0,98
К д.ед.
Рис. 14. Зависимости ОФП по газу и воде от водонасыщенности для МП № 1 до и после 5 циклов закачки и отбора. Режим пропитки
и отбор метана в терригенном коллекторе при- на газонасыщенность плохо проницаемых водят к оптимизации газонасыщенности в по- структур (например, МП № 3).
ровом объеме хорошо проницаемых структур
В отношении МП № 4, сформированной
(например, МП № 2) и практически не влияют из кернового материала вулканической породы
(коллектор 3-го типа), эффект гистерезиса ОФП после многократных циклов закачки и отбора газа проявляет себя совершенно по-другому:
1) если до циклических закачки/отбора при дренировании зона фильтрации получается много меньше, чем при пропитке, то после них, наоборот, по завершении дренирования зона фильтрации существенно возрастает;
2) если до циклических закачки/отбора кривая ОФПв при дренировании ложится ниже кривой ОФП при пропитке, то после них она, наоборот, ложится выше кривой ОФП при пропитке;
3) если до циклических закачки/отбора кривая ОФП при дренировании ложится выше кривой ОФП при пропитке, то после них она, наоборот, ложится ниже кривой ОФП при пропитке;
4) если до циклических закачки/отбора точка пересечения кривых ОФП и ОФПг (точка гидродинамического равновесия) смещается в сторону увеличения водонасыщенности при переходе от пропитки к дренированию, то после них смещается в обратную сторону.
По результатам экспериментальных исследований можно заключить, что как до, так и после циклов закачки и отбора газа кривые ОФП демонстрируют явление гистерезиса для всех пород-коллекторов, однако параметры обнаруженного гистерезиса значительно различаются для пород различного типа.
Несомненно, обнаруженные закономерности необходимо учитывать при проектировании ПХГ и разработке постоянно действующей гидродинамической модели объекта хранения газа.
***
Таким образом, методами физического моделирования исследовано влияние циклического процесса закачки и отбора газа на фильтрационные свойства моделей пласта, сформированных из кернового материла пород-коллекторов ПХГ различного типа. В коллекторах всех типов обнаружен гистерезис фазовых проницаемостей, характеристики которого зависят от типа породы, а также от механического воздействия на породу при циклических закачке и отборе газа.
Предлагается учитывать обнаруженные закономерности при проектировании и эксплуатации ПХГ, а также разработке адекватных гидродинамических моделей объектов хранения газа.
Список литературы
1. Арсан Ш.А. Подземные хранилища газа, общая классификация / Ш.А. Арсан, А.К. Ягафаров, Ю.В. Ваганов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2018. - № 1. -
С. 48-52.
2. Тер-Саркисов Р.М. Компьютеризированные установки многофазной фильтрации
и их применение при разработке методов повышения конденсатоотдачи / Р.М. Тер-Саркисов, В.А. Николаев, С.Г. Рассохин и др. // Повышение углеводородоотдачи пласта газоконденсатных месторождений: сб. -М.: Газпром ВНИИГАЗ, 1998. - С. 27-38.
3. Шрейнер Л. А. Вопросы механики горных пород / Л. А. Шрейнер. - М.: Гостоптехиздат, 1945. - 195 с.
4. Патент РФ на изобретение № 2558838. Способ моделирования и оценки активного объема подземного хранилища газа в водоносных трещиновато-поровых структурах /
В.М. Троицкий, С.Г Рассохин, А.Ф. Соколов и др. / заявлен 02.07.2014; номер заявки 2014126678; опубл. 10.08.2015, бюллетень № 22.
Physical modelling of gas cycling during development and operation of an underground gas storage. Hysteresis of phase permeability
V.M Troitskiy1*, B.A. Grigoryev1, S.G. Rassokhin1, A.F. Sokolov1, A.V. Mizin1, V.P. Vankov1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: V_Troitskiy@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. This article studies influence of cyclic flooding and topping of gas on phase permeability of various reservoirs, namely: 1) an aqueous structure of a carbonate reservoir, 2) a terrigenous reservoir of a watered gas field, and 3) a volcanogenic (fragmental) reservoir structure of a legacy field. Testing was carried out by means of physical
simulation using core models of reservoirs and models of fluids (gas and mineralized water). It was shown that all the reservoirs had demonstrated hysteresis of phase permeability. However, this effect proceeds specifically in respect to the rocks with different lithological and mineral composition and pore volume. For an underground gas storage cyclic recurrence of gas flooding and topping changes parameters of found hysteresis.
The discovered dependencies must be taken into consideration to design valid hydrodynamic patterns of gas storages.
Keywords: physical modelling of an underground gas storage, core reservoir model, phase permeability, cyclic flooding and topping of gas, hysteresis.
References
1. ARSAN, Sh.A., A.K. YAGAFAROV, Yu.V. VAGANOV. Underground gas storages, general classification [Podzemnyye khranilishcha gaza, obshchaya klassifikatsiya]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Neft i Gaz. 2018, no. 1, pp. 48-52. ISSN 0445-0108. (Russ.).
2. TER-SARKISOV, R.M., V.A. NIKOLAYEV, S.G. RASSOKHIN et al. Computerized multiphase-filtration plants and their application for development of condensate recovery improvement methods [Kompyuterizirovannyye ustanovki mnogofaznoy filtratsii i ikh primeneniye pri razrabotke metodov povysheniya kondensatootdachi]. In: Improvement of hydrocarbon performance of gas-condensate fields' reservoirs [Povysheniye uglevodorodootdachi plasta gazokondensatnykh mestorozhdeniy]: collected papers. Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 1998, pp. 27-38. (Russ.).
3. SHREYNER, L.A. Questions of rocks' mechanics [Voprosy mekhaniki gornykh porod]. Moscow: Gostoptekhizdat, 1945. (Russ.).
4. GAZPROM VNIIGAZ LLC. Modelling and estimating active storage capacity of an underground gas storage in water-bearing fractured porous structures [Sposob modelirovaniya i otsenki aktivnogo obyema podzemnogo khranilishcha gaza v vodonosnykh treshchinovato-porovykh strukturakh]. Inventors: V.M. TROITSKIY, S.G. RASSOKHIN, A.F. SOKOLOV et al. 10 August 2015. Appl.: 02 July 2014. RU 2558838.
