CC BY
1УДК 548.562
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ ГАЗОГИДРАТОВ
И Кожевников Е. В., Турбаков М. С., Рябоконь Е. П., Гузев М. А., Иванов З. Г., Щербаков А. А.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
E-mail: [email protected]
В статье раскрыт механизм ухудшения проницаемости пластов при разложении газогидратов и предложена модель, учитывающая упругие и пластические деформации пористых коллекторов. Установлено, что в пластах с большей толщиной вероятность снижения проницаемости повышается, что связано с образованием поперечных деформационных полос. Результаты данной работы могут быть применены для моделирования изменения проницаемости пластов при разложении газогидратов и прогнозирования уровней добычи газа для обоснования проектов разработки.
Ключевые слова: газовые гидраты, проницаемость, деформационные полосы, оттаивание, ползучесть.
EVOLUTION OF ROCK FILTRATION PROPERTIES DURING GAS HYDRATE DECOMPOSITION
И Kozhevnikov E. V., Turbakov M. S., Riabokon E. P., Guzev M. A., Ivanov Z. G., Shcherbakov A. A.
Perm National Research Polytechnic University, PNRPU, Perm, Russia
The article describes the mechanism of deterioration of reservoir permeability during gas hydrate decomposition and proposes a model that takes into account elastic and plastic deformations of porous reservoirs. It is established that in layers with greater thickness, the probability of permeability reduction increases, which is associated with the formation of transverse deformation bands. The results of this work can be used to model changes in reservoir permeability during gas hydrate decomposition and predict gas production levels to justify development projects.
Key words: gas hydrates, permeability, deformation bands, thawing, creep.
Введение. Природные газовые гидраты встречаются в виде скоплений, сформированных в порах крупнозернистых осадочных пород или в виде объемных линз, переслаивающихся малопроницаемыми мелкозернистыми и глинистыми отложениями. Наиболее перспективными с точки зрения охвата залежи разработкой с минимальными вложениями являются песчаные коллекторы с поровым типом газогидратов, в которых при разложении газогидратов высокая проницаемость песчаных породы позволяет дренировать газ на относительно большой части залежи по сравнению с массивными и линзовидными газогидратами [6-8]. В пористых коллекторах наиболее перспективным и наименее затратным способом добычи газа является метод
снижения давления. Однако для обоснования инвестиционных проектов необходима предварительная оценка уровней добычи газа при изменении проницаемости гидратосодержащих песчаных пород.
Диссоциация природных гидратов сопровождается снижением гидратонасыщенности пластов и деградацией механических свойств неконсолидированных песчаников, их уплотнением и снижением проницаемости [3]. Снижению проницаемости также способствует высокая ползучесть гидратных пластов, а полное разложение гидратов приводит к тому, что песок газо-гидратного пласта становится подвижным и перемещается в сторону скважины совместно с потоком газа и воды [7].
Стабилизировать неконсолидированный пласт от разрушения возможно путем препятствия выноса песка в скважину и создания барьера для поддержания песчаных арок, удерживающих пласт от разрушения [5]. Для этого в конструкции скважины обязательно предусматривают наличие фильтров [2, 6]. На интенсивность выноса песка также оказывает влияние водона-сыщенность, в работе [1] экспериментально установлено, что при водонасыщенности 20% образуется прочная песчаная арка, повышение содержания воды более 32% приводит к разжижению и массивному выносу песка. Зона арки нестабильна, но имеет высокую пористость и по мере выноса песка растет вглубь пласта.
Таким образом, при добыче газа из гидратов вокруг скважины формируется зона с неустойчивыми механическими и фильтрационными характеристиками. А обязательное прогнозирование изменения продуктивности газогидратных скважин должно учитывать сложные физико-механические процессы в призабойной зоне пласта и в пласте. С этой целью в данной работе предложена модель изменения проницаемости неконсолидированных песчаников при разложении газогидратов. За аналог модели использовалась модель деградации консолидированных поровых коллекторов нефтяных месторождений.
Моделирование. При добыче газа вокруг скважины образуется несколько зон: консолидированная зона с пониженной гидратонасыщенностью и зона неконсолидированного песка, которая не содержит гидратов, однако ее пропускная способность в большей степени обусловливает продуктивность скважины (рис. 1, а, б). Каждая зона характеризуется своими механическими и фильтрационными характеристиками, что определяет их чувствительность к снижению пластового давления. При небольшом снижении пластового давления возникают упругие деформации, которые вносят незначительный вклад в изменение проницаемости и компенсируются тем, что снижение гидратонасыщенности приводит к линейному увеличению проницаемости за счет увеличения порового пространства при переходе гидрата в лед [4].
Наибольший вклад в снижение продуктивности вносит появление вокруг скважины зоны с подвижным песком. Стабилизированные при помощи фильтров пески гидратного пласта по своим деформационным характеристикам и зависимости проницаемости от давления схожи с консолидированными породами, поэтому для определения влияния давления на проницаемость можно воспользоваться степенным законом [9]:
где к и ко — текущая и начальная проницаемость соответственно; АР — изменение пластового давления; А — эмпирический коэффициент; п — показатель степени, характеризующий интенсивность снижения проницаемости от изменения давления.
Помимо высвобождения песка, разложение гидратов вызывает уплотнение и смятие коллектора. В пористой среде деформация происходит неравномерно, и в первую очередь смятие возникает в наиболее пористых и продуктивных пропластках, а общее смещение деформации локализуется в узких деформационных полосах. Несмотря на то что фильтрационные характеристики основной части пористой среды остаются почти неизменными, общая проницаемость пласта снижается из-за наличия деформационных полос, которые выступают в роли низкопроницаемых барьеров фильтрации (рис. 1, в).
Рис. 1. Схема формирования зон с ухудшенной проницаемостью вокруг скважины (а) в однородных пластах (б) и слоистых пластах (в)
Уточнение модели. Вследствие усадки пласта деформация неконсолидированного песка и образование деформационных полос происходят за счет сдвига. Согласно механизму двойного разрушения, при сдвиге с низким напряжением деформация песчаного пласта происходит за счет перекатывания и скольжения зерен вверх и по своим соседям. При более высоких напряжениях часть зерен дробится, а при достаточно высоком напряжении сдвиг происходит почти полностью за счет разрушения зерна [5]. Образовавшийся мелкий обломочный материал,
который мигрирует совместно с потоком пластового флюида, блокирует поры [10]. Установлено, что при миграции песка и мелких частиц проницаемость снижается по степенной зависимости от объема прокаченного агента [11]. Этот процесс является статичным при постоянном давлении. Однако по мере продвижения фронта разложения газогидратов увеличивается размер разрушенной зоны, это приводит к смятию пород пласта и увеличению зоны ухудшенной проницаемости вокруг скважины, которая растет по мере охвата пласта процессом разложения гидратов.
Таким образом, вокруг скважины образуется сеть деформационных полос, значительно снижающих продуктивность скважины (см. рис. 1, в). Неоднородность пласта и образование воронки депрессии еще больше способствуют этому процессу. Учет влияния уплотнения породы и миграции коллоидных частиц на проницаемость — сложная задача применительно к условиям скважины, так как наличие деформационных полос и их геометрические размеры неизвестны, а судить о их наличии возможно, только зная механизм деформации пористых сред. Однако, по аналогии с консолидированными пластами, проницаемость пластов при разложении газогидратов можно представить в виде степенного закона:
— = (ДР)"(п+т)5 ко
(2)
где к и к0 — текущая и начальная проницаемость соответственно; АР — изменение пластового давления; п и т — показатели степени, характеризующие интенсивность снижения проницаемости от изменения давления: п характеризует упругие деформации, т показывает влияние пластических деформаций на общую проницаемость пласта.
В консолидированных пластах на показатель т, характеризующий вероятность возникновения деформационных полос в пласте, оказывает влияние его толщина. При большей толщине деформация пласта вызывает большие смещения пород, в результате которых в пластах возникают значительные тангенциальные напряжения, которые приводят к образованию поперечных полос деформации (рис. 2), оказывающих максимальное влияние на продуктивность пласта.
Рис. 2. Сравнение механизмов формирования поперечных сдвигов в пластах различной толщины (а) и зависимость показателя степени снижения проницаемости порового коллектора от толщины пласта (б)
Влияние высоты на степень снижения проницаемости неконсолидированных пластов также подтверждается результатами экспериментальных исследований. В работе [1] установлено, что при выносе песка каверна в пласте под действием гравитации растет вверх, это обусловливает ограничение ее размеров и величину усадки толщиной пласта.
Выводы. Деформация газогидратных пластов является необратимым процессом, в результате которого фильтрационные характеристики пласта снижаются. В работе раскрыт механизм ухудшения проницаемости пластов при разложении газогидратов и предложена модель, учитывающая упругие и пластические деформации пористых коллекторов. Установлено, что в пластах с большей толщиной вероятность снижения проницаемости повышается, что связано с образованием поперечных деформационных полос. Результаты данной работы могут быть применены для моделирования изменения проницаемости пластов при разложении газогидратов и прогнозирования уровней добычи газа для обоснования проектов разработки.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2024-0008).
Список литературы / References
1. Bianco L. C. B., Halleck P. M. Mechanisms of Arch Instability and Sand Production in Two-Phase Saturated Poorly Consolidated Sandstones // All Days. SPE, 2001.
2. Boswell R. et al. The Ignik Sikumi Field Experiment, Alaska North Slope: Design, Operations, and Implications for CO2-CH4 Exchange in Gas Hydrate Reservoirs // Energy & Fuels. 2017. Vol. 31, N 1. P. 40-153.
3. Dong L. et al. Mechanical Properties of Methane Hydrate-Bearing Interlayered Sediments // Journal of Ocean University of China. 2019. Vol. 18, N 6. P. 1344-1350.
4. Chuvilin E. M., Grebenkin S. I. Dissociation of gas hydrates in frozen sands: effect on gas permeability // Kriosfera Zemli (Earth's Cryosphere). 2018. Vol. 12, N 1. P. 44-50.
5. Hall C. D., Harrisberger W. H. Stability of Sand Arches: A Key to Sand Control // Journal of Petroleum Technology. 1970. Vol. 22, N 7. P. 821-829.
6. Hancock S. H. et al. Overview of thermal-stimulation production-test results for the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well. 2005.
7. Jung J. W. et al. Gas Production from Hydrate-Bearing Sediments: The Role of Fine Particles // Energy & Fuels. 2012. Vol. 26, N 1. P. 480-487.
8. Kida M. et al. Mechanical properties of polycrystalline tetrahydrofuran hydrates as analogs for massive natural gas hydrates // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2021. Vol. 96. P. 104284.
9. Kozhevnikov E. V. et al. Effect of Effective Pressure on the Permeability of Rocks Based on Well Testing Results // Energies (Basel). 2021. Vol. 14, N 8. P. 2306.
10. Kozhevnikov E. V. et al. Colloidal-induced permeability degradation assessment of porous media // Géotechnique Letters. 2022. Vol. 12, N 3. P. 217-224.
11. Kozhevnikov E. V. et al. Apparent Permeability Evolution Due to Colloid Migration Under Cyclic Confining Pressure: On the Example of Porous Limestone // Transp. Porous Media. 2023.
