Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получены цифровые 3D модели порового пространства образцов горных пород. Выполнен анализ распределения пор по результатам компьютерной томографии и микроструктурных исследований образцов. Установлено, что вытянутая форма пор обусловливает разное поведение проницаемости при сжатии и образование коллоидных частиц при растрескивании. Установлено, что в породах с более выраженной зернистостью при сжатии образуется больше обломков, чем в породах незернистой пористости. В пористой среде с более выраженной зернистостью разрушение пористой среды сопровождается радиальным растрескиванием зерен. В более плотных породах, образование миктротрещин начинается из углов пор. При моделировании учет микроструктуры позволил уйти от монолитной структуры порового пространства и позволил учесть наличие микротрещин и их влияние на деформацию пористой среды при сжатии и изменение проницаемости. В основе модели лежит зависимость проницаемости породы от пористости и критического радиуса порового канала в виде k=8.5*(ф*r^2)^1.3. Верификация результатов численного моделирования выполнена путем сопоставления с экспериментальными результатами исследования керна. Сравнительный анализ результатов численного моделирования показал, что учет микротрещиноватости позволяет прогнозировать изменение проницаемости путем определения показателя степени экспоненциального уравнения аппроксимации. Раскрыт механизм увеличения проницаемости при сжатии образцов за счет скольжения частиц и открытия новых каналов фильтрации. На основании сопоставления с репликами пород, установлено, что увеличение проводимости образца происходит за счет перераспределения напряжения внутри образца при сжатии и раскрытия высокопроводимых каналов фильтрации. Разработана технология создания реплик горных пород при помощи 3D LCD печати, позволяющая оценить влияние миграции коллоидов и эффективного давления на проницаемость. Для реплик установлены граничные значения расхода, соответствующие ламинарному течению азота. Установлено, что в репликах ламинарный режим течения поддерживается при достаточно высоких скоростях потока при числах Рейнольдса до 100, тогда как в пористой среде из-за извилистости переходный поток начинается при числах Рейнольдса от 10, а по некоторым данным от 1. Коэффициент трения при ламинарном потоке для реплик с прямым каналом описывается классическим уравнением Blake–Kozeny: λ=150/Re, которое соответствует коэффициенту трения насыпных моделей. Оценка сходимости реальной и модельной поровых сред выполнена путем сравнительных фильтрационных исследований образцов пористого песчаника, низкопроницаемых крепких пород, искусственно расколотых пополам и реплик. Установлено, что динамика проводимости реплик идентична динамике реальных пористых и трещиноватых образцов. На основе сравнительного анализа установлено, что применение технологии 3D LCD печати может быть использовано при исследовании влияния циклических деформаций на проводимость тонких капилляров, которые могут служить аналогами пористой среды. Установлено, что значения проводимости реплик и закономерности их изменения при циклическом нагружении соответствуют реальным пористым горным породам. Использование реплик при исследовании режимов течения и деформации позволит учитывать различные факторы, влияющие на гистерезис проницаемости, такие как, остаточная деформация и миграция коллоидов по отдельности. Также с помощью 3D LCD печати возможно создание каналов с различной конфигурацией, что позволит более точно устанавливать законы течения в пористых и трещиноватых средах. Выполнены фильтрационные исследования горных пород и реплик. Получены зависимости проницаемости реплик образцов пористых сред от изменения давления и миграции коллоидов. Установлено, что снижение проницаемости в пористых известняках и песчаниках может быть вызвано механическим уплотнением и миграцией коллоидов и мелких частиц. Установлено, что в первом цикле нагружения/разгрузки при малых скоростях потока миграция коллоидов в пористых породах проявляется в меньшей степени. Установлено, что снижение проницаемости пористых пород после первого цикла является следствием остаточных напряжений внутри образца и неполным раскрытием микротрещин, обусловленных внутренним трением. Установлено, что в образцах с наименьшим влиянием коллоидов, проницаемость в первом цикле имеет наименьшее значение среди всех циклов. Получены зависимости проводимости реплик от давления обжима при циклическом нагружении. Установлено, что проводимость реплик от давления обжима описывается степенным уравнением: k=k_o*P^-n_conf, где k_o – проводимость; P^conf – давление обжима; n – показатель степени, характеризующий чувствительность проводимости к давлению обжима. Установлен механизм деформации реплики и разработана методика оценки изменения геометрических размеров площади фильтрации реплики от давления обжима. Установлено, что трение обусловливает неравномерность распределения напряжения внутри образца. Установлено, что конфигурация примыкающих поверхностей реплик определяет динамику проводимости при циклическом нагружении. Разработана методика оценки величин нагрузок, характерных пластовым условиям с учетом свойств печатных материалов путем учета влияния деформации реплик на их проводимость. Установлено, что размеры канавки реплик при обжиме в кернодержателе отличаются от их исходных размеров. Выполнена корректировка геометрических размеров – ширины (Δw) и глубины (Δh) канавок в зависимости от их расположения (центральное и боковое) и конфигурации (извилистая) с учетом циклического нагружения. Корректировка размеров канавок осуществлялась по потери давления на трение. В качестве корректирующих функций выбрана степенная зависимость ширины (w) и глубины (h) канавки от давления обжима. На основе корректирующих функций геометрических размеров канавок математически подтверждено, что при обжиме канавка деформируется преимущественно вдоль плоскости соприкосновения за счет скольжения половинок реплик между собой. Ширина канавки более чувствительна к давлению обжима. Разработана методика проведения фильтрационных исследований, учитывающая наличие коллоидных частиц в пористой среде и деформацию реплики. Методика заключается в оценке изменения проводимости каналов фильтрации, определенной по предварительным фильтрационным исследованиям без коллоидов. Учет деформации позволит достоверно оценить вклад миграции коллоидов в общее изменение перепада давления при закачке взвешенных частиц.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнена оценка влияния концентрации, размеров и форм коллоидных частиц, а также свойств фильтруемой среды на характер образования коллоидных пробок в горлышках пор. Выявлены закономерности изменения проницаемости в зависимости от размера частиц и типа горной породы. В результате исследований установлено, что снижение проницаемости моделей за счет образования внутренней фильтрационной корки на входе модели происходит при определенной накопленной массе закачиваемых частиц вне зависимости от концентрации суспензий. Установлено, что по мере роста внутренней фильтрационной корки значительно снижается концентрация частиц в стоках вплоть до полного прекращения выноса частиц. В результате экспериментальных исследований установлено, что частицы во много раз меньше размера перешейков пор обладают низкой мобильностью и способностью к миграции и более склонны к осаждению на стенках пор. Агломерация частиц приводит к образованию внутренней фильтрационной корки. Изучено влияние формы перешейков пор, скорости потока, на формирования пробок, а также характер изменения коллоидных пробок под воздействием циклического нагружения. Установлено, что частицы с соотношением диаметров более 1/10 диаметров перешейков пор плохо проникают внутрь пористой среды при однофазном потоке. Частицы с соотношением диаметров менее 1/30 диаметров перешейков пор проникают внутрь пористой среды, но при этом склонны к оседанию и накоплению на стенках пор, что приводит к блокированию пор. Установлено, что частицы с размерами менее 1/30 к диаметру перешейков пор способны к миграции при циклическом воздействии давления обжима. На основании данных о пластических деформациях пористых пород разработана теоретическая модель образования коллоидных частиц. Деформация пористых горных пород происходит в результате смятия с локализацией деформаций и образованием деформационных полос. Деформационные полосы в пористом пласте являются главным источником обломочных частиц, в том числе коллоидного размера. На основании экспоненциальной модели количества деформационных полос от расстояния от эпицентра сдвига получена модель изменения общей проницаемости пласта на расстоянии от скважины при изменении давления, учитывающая пластические деформации пласта в виде деформационных полос. Полученная модель учитывает величину снижения порового давления, модуль Юнга породы, общую деформацию пласта, толщину пласта, плотность энергии, затраченную на размельчение зерен в деформационных полосах и влияние гранулометрического состава на проницаемость деформационных полос. Установлено, что деформационные полосы обладают уплотненной структурой, при этом структура основного массива пористой породы остается неизменной. Установлено, что при сдвиге в пористых породах энергия затрачивается на измельчение зерен по следующему механизму: возникновение мезотрещин – откалывание крупных зерен – перемалывание крупных зерен в зерна среднего размера <62.5 мкм – измельчение зерен до микроразмера <4 мкм. При сдвиге, массовое содержание частиц разных фракций постоянно меняется, больше всего энергии затрачивается на перемалывание частиц до размера <4 мкм, массовое содержание этих частиц увеличивается, а массовые содержания крупных и средних частиц уменьшаются. При помощи машинного обучения получены зависимости массового содержания частиц различных фракций в полосах сдвига. Разработана математическая модель массового содержания частиц фракций <4мкм (M1), 4-62.5 мкм (M2) и более 62.5 мкм (M3): M_1=a-〖b∙exp〗^(c∙E_s ) M_2=1-M_1-M_3 M_3=d〖∙exp〗^(f∙E_s )+g где, a,b,c,d,e,f,g – эмпирические коэффициенты, определяющие исходный фракционный состав горных пород. Es – энергия разрушения зерен породы при сдвиге. На основе прогнозного фракционного состава деформационных полос обосновано количество закачиваемых частиц в экспериментальных исследования. В результате экспериментальных исследований установлено, что частицы минерального происхождения различных размеров имеют ограниченную подвижность при фильтрации в пористых средах. Проникновение единичных частиц вглубь пористого пространства с потоком незначительно влияет на проницаемость пористых сред. Установлено, что основная часть частиц задерживается на входе в пористую среду снижая общую проницаемость, при этом остальная часть пористой среды остается неповрежденной. Установлено, что толщина внутренних фильтрационных корок составляет от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров, однако, несмотря на их небольшую толщину, общая проницаемость модели может снижаться на несколько порядков. Установлено, что частицы меньшего размера более склонны к оседанию в верхних слоях модели, что обусловлено их большей удельной поверхностью. Относительно малые размеры частиц способствуют слипанию частиц друг с другом, а также к стенкам пор. Установлено, что несмотря на значительное снижение проницаемости, частицы занимают лишь незначительную часть пористого пространства. На основании расчетов установлено, что максимальное снижение пористости в зоне фильтрационной корки в экспериментах не превышает 1% от порового объема. Получена зависимость градиента давления от толщины внутренней фильтрационной корки. Разработана модель изменения проницаемости пористых сред при миграции коллоидов учитывающая величину снижения порового давления, модуль Юнга породы, общую деформацию пласта, толщину пласта, плотность энергии, затраченную на размельчение зерен в деформационных полосах и влияние гранулометрического состава на проницаемость деформационных полос: k=∑_0^DBsk_d^i =∑_0^DBs〖k_0-a∙M_1^i 〗 DBs=exp⁡(-a∙R+b) E_s=σ∙ε_s σ= P_г-P_p ε_s=h∙(P_г-P_p)/E M_1=a-〖b∙exp〗^(c∙E_s ) M_2=1-M_1-M_3 M_3=d〖∙exp〗^(f∙E_s )+g Разработана методика оценки ухудшения проницаемости пористых сред под воздействием изменения давления и миграции коллоидов для прогнозирования продуктивности скважин заключающаяся в определении коэффициентов экспоненциального уравнения, определяющего количество деформационных полос в пористом пласте от расстояния от эпицентра сдвига. Созданы модели изменения проницаемости пористых сред при миграции коллоидов, вызванной изменением напряженно-деформированного состояния горного массива. На основе эмпирических данных раскрыт механизм снижения проницаемости призабойной зоны пласта добывающих скважин вследствие формирования сети деформационных полос. На основании раскрытого механизма деформации призабойной зоны пласта вследствие снижения порового давления разработана эмпирическая модель изменения проницаемости от эффективного давления: k/k_o =A∙(dP)^(-n)∙B∙(dP)^(-m)-C∙dP, где А, B и C – эмпирические коэффициенты; n и m – показатели степени, характеризующие интенсивность снижения проницаемости от изменения давления. А и n характеризуют упругие деформации, их значения могут быть определены по результатам лабораторных исследований керна.