Исследование влияния искусственного переменного нагружения осадочных горных пород на фильтрацию жидкости

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00447

НазваниеИсследование влияния искусственного переменного нагружения осадочных горных пород на фильтрацию жидкости

Руководитель Гузев Михаил Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Деформация, модуль упругости, фильтрация, проницаемость, частота вибрации, пористость, трещиноватось, мезотрещинные структуры, состояние сильного сжатия

Код ГРНТИ52.13.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время в Пермском национальном исследовательском политехническом университете разработаны модели по изменению геомеханических и фильтрационно-емкостных свойств горных пород при статическом долговременном нагружении, проведены исследования влияния упругих колебаний малой амплитуды на механические свойства горных пород. В Институте прикладной математики Дальневосточного отделения Российской академии наук исследуются модели изменения механических свойств материалов в процессе нагружения, позволившие установить изменение механических параметров материалов при нагружении с различной амплитудой. В Дальневосточном федеральному университете были установлены связи основных этапов деформирования образцов горных пород в ходе нагружения с интенсивным трещинообразованием и развитием мезотрещинного процесса, было проведено описание свойств диссипативных мезотрещинных структур, значительно изменяющих геомеханические свойства горных пород. Общепризнанных моделей описания поведения горных пород при переменном нагружении не существует. В текущем проекте предлагается разработать аналитические модели по описанию процессов изменения геомеханических и фильтрационных параметров горных пород при переменных нагрузках. Модели позволят раскрыть механизм влияния искусственного переменного нагружения при волновом воздействии на геомеханические и фильтрационных параметры пластов. Разработка моделей позволит создать фундаментальную основу для разработки технологий воздействия на горные породы за счет направленных упругих колебаний. При нагружении, в том числе переменном, горных пород существенно изменяются их прочностные и фильтрационные параметры. В настоящее время имеется значительное количество исследований, посвященных продолжительному нагружению горных пород и соответствующему изменению их геомеханических параметров. Построены модели, описывающие изменение геомеханических и фильтрационных параметров. Исследования по кратковременному нагружению горных пород в упругой и пластической областях на текущий момент проведены не системно, качественный математический аппарат для прогнозирования изменения параметров горных пород не сформирован. Для углубленного развития науки в данной области необходимо разработать модели изменения геомеханических и фильтрационных свойств горных пород при переменном нагружении, что позволит повысить точность при численном моделировании движения флюидов и фильтрационных потоков в продуктивных пластах. По итогам сопоставления физического и математического моделирования в проекте будут подобраны оптимальные переменные нагрузки для направленного воздействия на геомеханических и фильтрационно-емкостные свойства горных пород. В проекте будет выполнена серия экспериментов на образцах горных пород по переменному нагружению, в том числе в предразрушающей области нагружения, разработка численных моделей процесса и проработка вопроса по влиянию упругих волн, а так же развития мезотрещинных структур в горных породах на изменения геомеханических и фильтрационно-емкостных свойств пород. Для описания процессов в горных породах планируется получить модель поведения свойств горных пород с изменениями нагрузок от малых величин до пластической области с учетов времени воздействия. По результатам проекта планируется создать: - Математическую модель влияния переменных нагрузок на фильтрацию жидкости; - Концепцию учета фактора времени при воздействии переменных нагрузок; - Методику прогнозирования изменения фильтрационно-емкостных свойств осадочных горных пород под действием искусственного переменного нагружения, учитывающую частоту, амплитуду и продолжительность воздействия, а также характеристики горной породы.; - Рекомендации для новых технологических решений по воздействию на геомеханические свойства горных пород с помощью переменных нагрузок. В рамках проекта предполагается наращивание научного потенциала молодых ученых и, в частности, защита не менее одной кандидатской и докторской диссертации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Рябоконь Е.П., Гладких Е.А., Поплыгин В.В., Гузев М.А., Цзин Х. Permeability Evolution of Porous Sandstone in the Initial Period of Oil Production: Comparison of Well Test and Coreflooding Data Energies, Issue 17, Volume 15, 6137 (год публикации - 2022)
10.3390/en15176137

2. Гузев М.А., Рябоконь Е.П., Турбаков М.С., Поплыгин В.В., Кожевников Е.В., Гладких Е.А. Classical and Non-Classical Models of Changes in the Young Modulus of Geomaterials Under Alternating Loads Advanced Structured Materials, Springer Nature Switzerland AG (год публикации - 2023)

3. Рябоконь Е.П., Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Гузев М.А., Цзин Х. Причины снижения проницаемости терригенных пород при фильтрационных исследованиях Сборник материалов конференции Геомодель 2022, 9, 238-241 (год публикации - 2022)

4. Гузев М.А., Рябоконь Е.П., Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Поплыгин В.В., Голосов А.В., Кузнецов К.С. Исследование модуля Юнга горных пород под воздействием переменной нагрузки: эксперимент, классическое моделирование и машинное обучение Сборник тезисов школы-конференции, 2022 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Рябоконь Е.П., Гладких Е.А., Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Гузев М.А., Попов Н.А., Каменев П.А. Effects of ultrasonic oscillations on permeability of rocks during the paraffinic oil flow Géotechnique Letters, 13,3,151-157 (год публикации - 2023)
10.1680/jgele.22.00137

2. Рябоконь Е.П., Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Гузев М.А., Цзин Х. Nonlinear Change of Young’s Modulus of Geomaterials Under Alternating Loads Advanced Structured Materials, 198,385-395 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1_22

3. Голосов А.М., Рябоконь Е.П., Турбаков М.С., Кожевников Е.В., Поплыгин В.В., Гузев М.А., Цзин Х. The Effect of Dynamic Loads on the Creep of Geomaterials Advanced Structured Materials, 194,143-150 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-39070-8_9

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Доказана гипотеза исследований: фильтрационное сопротивление в горной породе, возникающее при фильтрации суспензии нефть-парафиновые частицы, может быть снято в результате разблокирования поровых каналов от парафиновых пробок под действием акустических колебаний. 2. Впервые установлена зависимость проницаемости терригенной горной породы от частоты акустических колебаний в ультразвуковом диапазоне и выявлен резонансный эффект в условиях превышения диаметра поровых каналов размера парафиновых частиц при фильтрации суспензии нефть-парафиновые частицы. Установленные зависимости проницаемости терригенных горных пород при фильтрации суспензии нефть-парафиновые частицы от частоты акустических колебаний позволили выявить резонансную частоту ультразвукового диапазона, при которой восстанавливается проницаемость горной породы, ухудшенная отложениями парафиновых частиц. 3. Установлен механизм восстановления проницаемости горной породы, ухудшенной блокирующими поровые каналы парафиновыми частицами, заключающийся в разбиении парафиновых пробок в сужениях поровых каналов за счет акустических колебаний, учитывающий частоту и амплитуду акустических колебаний, диаметры парафиновых частиц и поровых каналов. Установленный механизм восстановления проницаемости горной породы позволил обосновать уточненную технологию применения акустических колебаний для восстановления проницаемости ОЗП малодебитных скважин, ухудшенной отложениями парафиновых частиц, с необходимостью притока жидкости из пласта при воздействии акустическими колебаниями. 4. Выполнены фильтрационные исследования на лабораторном стенде Проведено 234 фильтрационных эксперимента с акустическими колебаниями по фильтрации нефти, керосина и воды в присутствии остаточной нефти. 5. Определены параметры пористости и проницаемости песчаников. 6. Выполнен анализ осаждения тяжелых компонентов пластовой нефти в горной породе при фильтрации через нее. Выявлено по результатам хроматографического анализа, что при прохождении через образец песчаника суспензии нефть-парафиновые частицы происходит удержание тяжелых компонентов в матрице. 7. Получены зависимости фильтрационных характеристик от параметров переменного нагружения. Выполнены эксперименты по фильтрации парафинистой нефти при температуре 22 °С, 23,5 °С и 25 °С. С увеличением температуры парафинистой нефти проницаемость горной породы восстанавливается более эффективно при воздействии акустических вибраций. 8. Построены диаграммы, доказывающее пластическую деформацию парафиновых пробок до характерного размера порового канала и преодоление предела текучести. 9. Получены поверхности, отражающие два принципиальных эффекта. Первый эффект проявляется в постоянстве k^'⁄k_0 на протяжении всего времени эксперимента. При данном характерном радиусе узких горлышек пор горной породы и радиусе парафиновых частиц в нефти, формируемые парафиновые пробки с легкостью разбиваются и проницаемость восстанавливается. Второй эффект проявляется в снижении k^'⁄k_0 со временем фильтрации. 10. Установлено, что при частоте колебаний 28 кГц проницаемость всех образцов резко увеличивается и выбивается из общего тренда. Учитывая одинаковую мощность излучателей и одинаковые условия проведения экспериментов, можно утверждать, что область данной частоты переводит матрицу в некоторое динамическое состояние, при котором наблюдается интенсификация процесса фильтрации. 11. Разработана математическая модель: k^'=k_0+k_0 ∆x/2l (ω_0^2)/√((ω_0^2-ω^2 )^2+4γ^2 ω^2 ) . Математическая модель описывает влияние переменного нагружения на фильтрационные характеристики горных пород с учетом резонансного эффекта. Имеется зависимость проницаемости горной породы от частоты и амплитуды акустических колебаний. Модель также может содержать эмпирические параметры, отражающие условия эксперимента. Перебор значения частоты акустических колебаний и деформации горной породы, вызванной определенного уровня прикладываемой акустической нагрузкой, дает поверхность, характеризующих проницаемость. 12. Разработана методика лабораторных исследований проницаемости образцов терригенных горных пород при фильтрации суспензии нефть-парафиновые частицы под действием акустических колебаний, позволяющая оценить эффективность воздействия акустическими колебаниями на ОЗП малодебитных скважин (2-3 м3/сут), эксплуатация которых ухудшена выпадением парафинов. 13. Спроектирован и создан лабораторный стенд, позволяющий исследовать фильтрационное сопротивление (проницаемость) образцов горных пород диаметром 30 мм при фильтрации пластовых и модельных жидкостей с парафиновыми (и другими) частицами, при давлении на выходе из образца до 2 МПа и расходом до 2 мл/мин, при мощности излучателей акустических колебаний до 100 Вт (в интервале частот ω = 17-120 кГц). 14. Предложена технология обработки ОЗП акустическими колебаниями.

Публикации

1. Гузев М.А. Удаление сингулярности поля напряжений для задачи Вилльямса (1952) на основе неевклидовой модели сплошной среды Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, Том 517, № 1 (2024), с 12-17 (год публикации - 2024)
10.31857/S2686740024040037

2. Е.П. Рябоконь, Е.А. Гладких, М.С. Турбаков, Е.В. Кожевников, М.А. Гузев, Ц. Йинь, Ч. Ву, Д.А. Старцев Acoustic vibration restoration of rock permeability while crude oil filtration containing paraffins Geoenergy Science and Engineering, Volume 238, July 2024, 212865 (год публикации - 2024)
10.1016/j.geoen.2024.212865

3. Е.П. Рябоконь, М.С. Турбаков, Е.В. Кожевников, Е.А. Гладких, Ц. Иинь The Ultrasonic Vibration Recovery of Rock Permeability Damaged by Filtration of Crude Oil Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Springer, Singapore., Proceedings of the International Field Exploration and Development Conference 2023. IFEDC 2023. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Springer, Singapore. (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-0264-0_159

4. А.В. Юрин, Е.П. Рябоконь Method for determining reagentoptimum volume for acid treatments of carbonate reservoirsbased on a pressure build-up curve method Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 2024. Vol. 335. No. 8. P. 215–226 (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/8/4427

5. Е. П. Рябоконь, М. С. Турбаков, Е. А. Гладких, Е. В. Кожевников, М. А. Гузев Restoration of Rock Permeability Degraded by Well Killing Fluid Using Ultrasonic Vibrations: Experimental Studies Georesursy (Georesources), 2024. V. 26. No. 1. Pp. 118–126 (год публикации - 2024)
10.18599/grs.2024.1.10

Возможность практического использования результатов
Предложена усовершенствованная технология обработки околоскважинной зоны пласта акустическими колебаниями (вибрациями) для снижения фильтрационного сопротивления горной породы при фильтрации пластовой суспензии нефть-парафиновые частицы и для восстановления проницаемости горной породы, ухудшенной блокирующими поровые каналы парафиновыми пробками. Технология может быть реализована при добыче углеводородов для повышения эффективности доизвлечения запасов углеводородов.