Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин

При проектировании параметров разработки нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах необходимо иметь представление о влиянии на поведение пород-коллекторов и вмещающих их пород таких факторов, как высокий уровень напряженного состояния пород, температурное поле окружающей среды, гидро- и газодинамические процессы в массиве. Воздействие как одного, так и комбинации данных факторов может привести к изменениям в строении, структуре, составе и свойствах породного массива и, как следствие, несоответствию реальным условиям принятых проектных решений.

Целью исследований является разработка методики лабораторных исследований влияния условий залегания коллекторов нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах при изучении свойств образцов горных пород.

Задачи исследования: теоретический анализ и выявление основных факторов, влияющих на поведение и изменение внутренней структуры пород, разработка методики лабораторных исследований с комплексным моделированием данных факторов и проведение пробных экспериментов по оценке их влияния.

В рамках работы были выполнены испытания образцов песчаников, отобранных с глубин от 3,5 до 4 км месторождения углеводородов. Исследования проводились с моделированием термобарических пластовых условий залегания: температуры, горного и пластового давлений.

Представлены результаты экспериментов по исследованию поведения образцов горных пород с максимальным приближением к естественным условиям залегания пород коллекторов 3,5–4 км.

Установлено, что образцы пород одной литологической разности и отобранные практически с одинаковых глубин могут иметь существенные отличия в характере деформирования как в до-, так и запредельной области нагружения.

Результаты данных исследований служат исходными данными при разработке и уточнении геомеханических моделей поведения материалов, которые учитывают не только прочностные критерии разрушения, но и дилатансионные процессы на различных этапах деформирования пород. Увеличение бокового давления в интервалах от 0 до 55 МПа приводит к относительно незначительному изменению скоростей ультразвуковых колебаний (от 1 до 10 %), что не позволяет судить о необходимости использования данных результатов при косвенной оценке изменения свойств горных пород в массиве. Однако в рамках геофизических исследований учет изменения численных значений скоростей позволит повысить качество интерпретации результатов, что связано с большими геометрическим размерами изучаемых массивов.

Исследования акустической эмиссии пород в сложнонапряженном состоянии позволяют отслеживать процессы пространственного образования и развития микро- и макротрещиноватости на всей стадии нагружения образцов и дают более полное представление об изменении их внутренней структуры.

В статье рассмотрены факторы, влияющие на процессы структурного изменения горных пород нефтяных и газовых месторождений, связанных с увеличением глубины их разработки. Разработаны методические подходы, позволяющие производить исследования физико-механических свойств образцов горных пород с моделированием сложных термобарических условий. Описаны технические характеристики испытательного оборудования, обеспечивающие максимальное воспроизведение реальных условий залегания пород-коллекторов. Выявлены особенности деформирования и разрушения образцов горных пород при их испытаниях в условиях бокового давления 55 МПа, порового 30 МПа с созданием температурного поля до 100 °С.

1. Nguyen V.T., Rogachev M.K., Aleksandrov A.N. A new approach to improving efficiency of gas-lift wells in the conditions of the formation of organic wax deposits in the Dragon field. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2020;(10):3663–3672. https://doi.org/10.1007/s13202-020-00976-4

2. Petrakov D., Kupavykh K., Kupavykh A. The effect of fluid saturation on the elastic-plastic properties of oil reservoir rocks. Curved and Layered Structures. 2020;7(1):29–34. https://doi.org/10.1515/cls-2020-0003

3. Tananykhin D., Korolev M., Stecyuk I., Grigorev M. An investigation into current sand control methodologies taking into account geomechanical, field and laboratory data analysis. Resources. 2021;10(12):125. https://doi.org/10.3390/resources10120125

4. Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Lipenkov V.Y., Dmitriev A.N. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(68):173–178. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A040

5. Павлович А.А., Коршунов В.А., Бажуков А.А., Мельников Н.Я. Оценка прочности массива горных пород при разработке месторождений открытым способом. Записки Горного института. 2019;239:502–509. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.5.502

6. Kochneva O.E., Nefedov U.V., Fedorov N.V. Establishing the correlation between reservoir properties and facies features of the Bashkir sediments of the Gagarinskoye field (Russian). Oil Industry Journal. 2019;(2):24–27. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2019-2-24-27

7. Казанцева Т.Т. О геодинамической концепции генезиса углеводородов. Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2012;17(1):5–13.

8. Камалетдинов М.А., Исмагилов Р.А. О некоторых результатах научных исследований по нефтяной геологии. Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2011;(4):16–22.

9. Кучеров В.Г. Генезис углеводородов и образование залежей нефти и природного газа. Вести газовой науки. 2013;1(12): 86–91.

10. Захарова С.С. Основные концепции происхождения нефти и газа. Наука и техника в Якутии. 2003;(1):16–22.

11. Egorov A.S., Prischepa O.M., Nefedov Y.V. et al. Deep structure, tectonics and petroleum potential of the western sector of the Russian arctic. Journal of Marine Science and Engineering. 2021;9(3):258. https://doi.org/10.3390/jmse9030258

12. Прищепа О.М., Боровиков И.С., Грохотов Е.И. Нефтегазоносность малоизученной части северо-запада Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции по результатам бассейнового моделирования. Записки Горного института. 2021;247:66–81. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.1.8

13. Кучеров В.Г., Герасимова И.А. Генезис нефти и природного газа: конкуренция парадигм. Вопросы философии. 2019;(12):106–117. https://doi.org/10.31857/S004287440007530-8

14. Герасимова И.А. Генезис нефти и газа как проблема трансдисциплинарных исследований. Эпистемология и философия науки. 2020;57(3):125–141. https://doi.org/10.5840/eps202057346

15. Дмитриевский А.Н. Полигенез нефти и газа. Доклады Академии наук. 2008;419(3):373–377. (Перев. вер.: Dmitrievskii A.N. Polygenesis of oil and gas. Doklady Earth Sciences. 2008;419(2):373–377. https://doi.org/10.1134/S1028334X08030033)

16. Огаджанов В.А., Керимов А.А., Мамедова В.А. Термобарические критерии прогнозирования перспектив нефтегазоносности на месторождении б. Жданова. Известия вузов. Нефть и газ. 1988;(8):62–66.

17. Рыжов А.Е., Жуков В.С., Иселидзе О.В., Григорьев Е.Б. Влияние пластовых термобарических условий на петрофизические характеристики образцов горных пород ачимовской толщи. Вести газовой науки. 2010;(1):145–156.

18. Середин В.В., Хрулев А.С. Изменения температуры образцов горных пород и геоматериалов при их разрушении. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016;(4):63–69. (Перев. вер.: Seredin V.V., Khrulev A.S. Variations of temperature in specimens of rocks and geomaterials under failure. Journal of Mining Science. 2016;54(4):683–688. https://doi.org/10.1134/S1062739116041081)

19. Aleksandrova T., Nikolaeva N., Kuznetsov V. Thermodynamic and experimental substantiation of the possibility of formation and extraction of organometallic compounds as indicators of deep naphthogenesis. Energies. 2023;16(9):3862. https://doi.org/10.3390/en16093862

20. Карасев М.А., Тай Н.Т. Метод прогноза напряженного состояния обделки подземных сооружений квазипрямоугольной и арочной форм. Записки Горного института. 2022;257:807–821. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.17

21. Kochneva O.E., Nefedov U.V., Fedorov N.V. Establishing the correlation between reservoir properties and facies features of the Bashkir sediments of the Gagarinskoye field (Russian). Oil Industry Journal. 2019;(2):24–27. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2019-2-24-27

22. Котлов С.Н., Шамшев А.А. Численное геофильтрационное моделирование горизонтальных дренажных скважин. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(6):45–55. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-06-0-45-55

23. Zhang P., Mishra B., Heasley K.A. Experimental investigation on the influence of high pressure and high temperature on the mechanical properties of deep reservoir rocks. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015;(48):2197–2211. https://doi.org/10.1007/s00603-015-0718-x

24. Гладков Е.А., Ерофеев Л.Я., Карпова Е.Г. и др. Геомеханическое изменение залежей углеводородов при их деформационно-метасоматическом преобразовании. Территория Нефтегаз. 2016;(3):132–138.

25. Abdelazim R. An integrated approach for relative permeability estimation of fractured porous media: laboratory and numerical simulation studies. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2020;10:1–18. https://doi.org/10.1007/s13202-016-0250-x

26. Adenutsi C.D., Li Z., Lai F., Hama A.E., Aggrey W.N. Pore pressure variation at constant confining stress on water–oil and silica nanofluid–oil relative permeability. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2019;9:2065–2079. https://doi.org/10.1007/s13202-018-0605-6

27. Brace W.F., Walsh J.B., Frangos W.T. Permeability of granite under high pressure.Journal of Geophysical research. 1968;73(6):2225–2236. https://doi.org/10.1029/JB073I006P02225

28. Pollard D.D. Theoretical displacements and stresses near fractures in rock: with applications to faults, joints, veins, dikes, and solution surfaces. Fracture Mechanics of Rock. 1987:277–349. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-066266-1.50013-2

29. Zhang X.P., Wong L.N.Y. Cracking processes in rock-like material containing a single flaw under uniaxial compression: a numerical study based on parallel bonded-particle model approach. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2012;(45):711–737. https://doi.org/10.1007/s00603-011-0176-z

30. Тиаб Дж. Петрофизика. Теория и практика изучения коллекторских свойств горных пород и движения пластовых флюидов. Пер. с англ. 2-е изд. М.: Премиум инжиниринг; 2011. (Orig. ver.: Tiab Dj. Petrophysics: theory and practice of measuring reservoir rock and fluid transport properties. 2nd ed. Boston: Gulf Professional Pub.; 2004)

31. Хашпер А.Л., Аминев Т.Р., Федоров А.И., Жонин А.В. Исследование зависимости проницаемости горной породы от ее напряженно-деформированного состояния. Геологический вестник. 2019;(1):133–140. https://doi.org/10.31084/2619-0087/2019-1-10

32. Цай Б.Н., Бондаренко Т.Т., Бахтыбаев Н.Б. О дилатансии горных пород при их разрушении. Вестник КазНТУ. 2008;(5):21–36.

33. Белоконь А.В. Моделирование тектонической и температурной истории района бурения Тимано-Печорской глубокой опорной скважины. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология, нефтегазовое и горное дело. 2000;(3):71–76.

34. Томкина А.В. Термобарические условия в сверхглубоких депрессиях Северного Кавказа. В: Маркевич В.П. (отв. ред.) Термобарические условия и геологоразведочные работы в сверхглубоких депрессиях. М.: Наука; 1981. С. 13–26.

35. Тимурзиев А.И., Ластовецкий В.П. Количественная оценка параметров напряженно-деформированного состояния горных пород для выделения участков относительного растяжения (разуплотнения) и повышенной трещиноватости по результатам математического моделирования (на примере Еты-Пуровского полигона). Часть 1. Глубинная нефть. 2014;2(9):1499–1543.

36. Ельцов И.Н., Назаров Л.А., Назарова Л.А. и др. Интерпретация геофизических измерений в скважинах с учетом гидродинамических и геомеханических процессов в зоне проникновения. Доклады академии наук. 2012;445(6):677–677.

37. Lockner D. The role of acoustic emission in the study of rock fracture. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1993;30(7):883–899. https://doi.org/10.1016/0148-9062(93)90041-B

38. Armstrong B.H. Acoustic emission prior to rockbursts and earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America. 1969;59(3):1259–1279.

39. Rozanov A., Petrov D., Gladyr A., Korchak P. Acoustic emission analysis of brittle and ductile behavior of rocks at critical stresses. In: 82nd EAGE Annual Conference & Exhibition. European Association of Geoscientists & Engineers. 2021;2021(1):1–5. https://doi.org/10.3997/2214-4609.202011927

40. Vermeer P.A., de Borst R. Non associated plasticity for soils, concrete and rock. Heron. 1984;29(3):51–64.