Эффект дилатансии

Дилатансионные технологии: дилатансионное воздействие на скважины при добыче нефти и газа.

Не секрет, что добыча природных энергоресурсов в последнее время привлекает все большее внимание со стороны не только деловых кругов, но и политиков, поскольку является одним из важнейших факторов стабилизации внутренних и внешних экономических взаимоотношений, независимости и суверенитета стран-потребителей от стран-поставщиков.

Однако следует заметить, что несмотря на постоянно возрастающие масштабы добычи нефти, природного газа и других ископаемых, связанные с ней технические проблемы непрерывно усложняются. Это объясняется не только субъективными причинами (например, конъюнктурой на рынке), но и рядом объективных факторов – освоением малопродуктивных труднодоступных месторождений на больших глубинах, малым коэффициентом извлечения, проблемами климатического и экологического характера, технологическими проблемами добычи трудноизвлекаемых флюидов, ухудшением состояния призабойной зоны скважин и т.п. Поэтому при прочих равных условиях продуктивность скважин в процессе эксплуатации непрерывно снижается (примерно на 10 % ежегодно), а процессу интенсификации добычи подземных флюидов уделяется большое внимание.

К настоящему времени наметилось несколько направлений решения этой проблемы:

  • управление пластовым давлением (преимущественно за счет нагнетания в пласт буферных флюидов),
  • снижение вязкости флюида (парогазовая обработка, внутрипластовое горение),
  • увеличение проницаемости околоскважинного пространства в результате механического, физического, химического воздействия или их комбинации.

Последнее направление получило наибольшее распространение в практике нефтегазодобычи.
Причин, снижающих качество призабойных зон скважин, много, и здесь мы не станем заниматься анализом, полагая, что присутствующие специалисты обладают всей необходимой информацией. Отметим лишь, что проблема восстановления (или увеличения) дебита скважин, снизивших свою продуктивность в процессе эксплуатации, неразрывно связана с восстановлением проводимости существующих или образованием новых каналов фильтрации.
Большинство предложений направлено на создание в призабойной зоне системы макротрещин, обладающих высокой проводимостью. Однако, как показывает опыт практического применения этих технологий, лишь стационарный гидро- и пороховой разрывы пород да внутрипластовое взрывание позволяют осуществить достаточно глубокую проработку призабойной зоны, обеспечивающую существенное увеличение дебита скважин.

доклад мухина

Поэтому проблема разработки принципиально новых, оперативных и высокоэффективных методов интенсификации извлечения подземных флюидов в настоящее время сохраняет актуальность, как с научной, так и с практической точек зрения.
Вашему вниманию предлагается технология интенсификации процесса добычи нефти и газа путем направленного изменения свойств пород-коллекторов, в основу которой положен эффект дилатансионного разуплотнения горных пород при импульсном неравномерном нагружении.
Изучение механики сплошных сред, в объеме институтских или университетских курсов теории упругости и пластичности оставило в нашем сознании твердое убеждение в том, что растяжение-сжатие твердых тел сопровождается изменением их размера и объема, а сдвиг – изменением формы. Сейчас же вряд ли для кого-то является секретом тот факт, что сдвиговое нагружение сопровождается (особенно в средах зернистого строения) изменением не только формы, но и объема. Это физическое явление получило название дилатансии.

Влияние дилатансии на изменение физического состояния и свойств горных пород изучалось только при статических нагрузках. Такие исследования проводились в США, России, Украине и некоторых других странах. В результате исследований было установлено, что в статике аномалия деформационного поведения горных пород, связанная с дилатансионными процессами становится заметной, когда интенсивность одноосного нагружения превышает ⅓…⅔ предела прочности: она проявляется в опережающем росте поперечных деформаций, вызывающих эффект разуплотнения деформируемой среды. Это разуплотнение, имеющее характер межзернового или внутризернового микроразрушения в значительной степени является необратимым и сопровождается изменением свойств пород – плотности, прочности, пористости, фильтрационной проницаемости, скорости распространения упругих волн и деформационных характеристик.
До последнего времени, несмотря на существенную зависимость свойств горных пород от степени их дилатансионного разуплотнения, сама дилатансия считалась скорее экзотическим явлением, не имеющим практического применения.
Последнее, в частности, связано с тем, что, как считалось, заметное изменение свойств пород под влиянием дилатансии наблюдается непосредственно перед разрушением и с технологической точки зрения разрушенная порода предпочтительней неразрушенной.

Иная картина имеет место при динамических (импульсных) воздействиях. В этом случае при достаточно высокой неравномерности напряженного состояния дилатансионные процессы протекают уже при напряжениях, составляющих всего 3…5 % предела прочности, вызывая необратимое изменение плотности, пористости, прочности, проницаемости породы. Величина порогового давления дилатансионного разуплотнения зависит от генетических особенностей породы и в чистых, малопористых песчаниках, кварцитах, гранитах, известняках, доломитах, солях, сильнометаморфизованом каменном угле и др., заметное разуплотнение происходит уже практически с момента прихода импульса давления, т.е. при очень малых (по сравнению с прочностью пород) напряжениях.
В силу отмеченного, при динамических нагрузках область, в которой наблюдается изменение свойств пород под влиянием дилатансии, в пространственном отношении во много раз больше, чем при статических.
Как показывают расчеты, при динамических нагрузках взрывного происхождения область эффективного изменения свойств пород, вызванная дилатансионными процессами, распространяется на расстояние в 8…12 раз большее, чем при статических нагрузках той же интенсивности и охватывает в 1000…2000 раз больший объем. Степень дилатансионного разуплотнения пород зависит от величины горного и порового давления, которые тормозят развитие дилатансии. Горное давление увеличивает шаровую составляющую тензора напряжений и уменьшает интенсивность его девиаторной части, которая непосредственно отвечает за развитие дилатансионных процессов. Поровое давление увеличивает сопротивление развороту зерен в структуре породы и снижает степень разуплотнения. Однако эти зависимости достаточно слабые: по предварительным расчетам влияние дилатансии на геотехнологические свойства пород может исчезнуть на глубинах 12…15 км, которые еще не скоро окажутся в пределах инженерной деятельности.
Дилатансионное разуплотнение пород носит характер подрастания микро- и макродефектов их структуры за счет увеличения площадок скольжения и разрыва с ненулевым раскрытием, которое может рассматриваться как искусственная пористость породы. Важно, что в отличие от процессов разрушения увеличение пористости дилатансионного происхождения происходит достаточно равномерно по всему деформирующемуся объему, что обуславливает равномерное изменение геотехнологических свойств породы.
В настоящее время известно много моделей дилатансии горных пород. Отметим лишь некоторые, позволяющие дать количественный анализ изменения физического состояния породы (рис.1). Модели а и б предложены А.Михалюком (НПВФ «Геотехнология»). Первая из них иллюстрирует изменение породы в процессе сдвигового разворота зерен ее структуры, вторая – то же, вызванное сдвиговым внедрением зерна в межзерновое пространство.

На этом же рисунке приведены кривые, иллюстрирующие графическую интерпретацию внедрения частицы единичного радиуса.
Модель в предложена В.В.Ржевским и позволяет прогнозировать изменение пористости в чистых, сортированных средах. Модели г (А.Н.Ставрогина) и д (А.Н.Васильева) иллюстрируют изменение пустотности деформируемых сред в процессе формирования линий скольжения при разрушении.
Как видим, во всех моделях приложение неравномерной сжимающей нагрузки приводит к увеличению объема деформируемого образца за счет подрастания его пористости, однако в качественном отношении этот процесс в динамике и статике развивается по-разному.
Несмотря на то, что абсолютная величина дилатансии (при определенном уровне нагружения) уменьшается с ростом прочности и акустической жесткости породы, относительное изменение величины разуплотнения в крепких породах больше, чем в породах малой и средней крепости.
Таким образом, применение дилатансионных технологий обработки породных массивов по относительным показателям более эффективно в плотных монолитных малопористых породных массивах.
Микроразрушение в результате скольжения по плоскостям сдвига, сопровождающееся образованием новых поровых каналов, разворот зерен под влиянием сдвиговой нагрузки и другие виды межзернового взаимодействия, вызванные дилатансией и способствующие увеличению естественного порового пространства, приводят к возрастанию гидравлической проводимости породы, характеризуемой коэффициентами фильтрации или проницаемости. Разуплотнение породы приводит к опережающему росту ее проницаемости. Уже при θ = 0,5% проницаемость породы возрастает в 3…4 раза по сравнению с ее естественным значением.

доклад мухина 2

Рост дефектности породы в результате ее дилатансионного разуплотнения сопровождается снижением прочности, установлено, что при разуплотнении около 1..1,5% снижение прочности породы может составить 25…55% (в большей степени в чистых кварцсодержащих породах, в меньшей – в породах с глинистыми примесями и карбонатах). Прочность породы снижается преимущественно за счет уменьшения сил сцепления; угол внутреннего трения практически не чувствителен к дилатансии.
Расчет элементов дилатансионной технологии взрывных работ является достаточно сложным, поэтому здесь мы не станем останавливаться на его деталях, заметив, что, как показывает численное моделирование, напряженное состояние, создаваемое взаимодействующими зарядами, является в высшей степени неоднородным (рис.2), что затрудняет анализ распределения свойств пород в деформированном взрывом массиве.
На основании изложенного, мы убеждаемся, что дилатансия горных пород способна в несколько раз изменить их свойства в нужном направлении, а следовательно, дилатансионные методы воздействия на породный массив в состоянии кардинально интенсифицировать ход технологического процесса, что было неоднократно подтверждено на месторождениях нефти и газа России, Украины, США и Китая, при сооружении крупномасштабных хранилищ в каменносоляных структурах Белоруссии, на подземных водозаборах Литвы, России, Украины и Туркменистана, на карьерах нерудного сырья, при подземной выплавке элементарной серы, при добыче других ископаемых, проходке горных выработок различного назначения и т.п. Подчеркнем, что многочисленные опытно-промышленные работы не дали ни одного отрицательного результата.
В процессе опытно-промышленных работ было установлено важное достоинство дилатансионных технологий взрывных работ: для получения равного технологического эффекта дилатансионные методы взрывания требуют применения зарядов, во много раз меньших по сравнению с традиционными методами взрывания, что положительно сказывается на безопасности операций как для обслуживающего персонала, так и для конструкции скважины и окружающих ее инженерных сооружений.
Краткая информация о местах и объемах внедрения дилатансионного воздействия, а также о результатах его применения приведена в прилагаемой таблице (рис.3).
В этом докладе не представляется возможным дать подробный анализ накопленного опыта применения дилатансионых технологий ведения взрывных работ в различных отраслях промышленности. Поэтому, не злоупотребляя Вашим вниманием, приведем лишь краткую информацию об использовании дилатансионного воздействия на нефтяных скважинах одного из крупнейших нефтегазодобывающих предприятий России – Мамонтовском НГДУ. Обработке подвергались три скважины с открытым продуктивным интервалом; взрывные работы осуществлялись с помощью двух – и трехсекционных устройств дилатансионного воздействия (УДВ) (рис.4). Об изменении продуктивности скважин, ее эволюции на протяжении многих лет дают предоставление диаграммы, показанные на рис.5. Как видим, положительный результат дилатансионного воздействия сохраняется на протяжении 3…6 лет, что значительно превышает аналогичный показатель любой другой технологии интенсификации работы скважин. Важно, что одновременно с увеличением дебитов резко возросло содержание нефти в извлекаемом флюиде, что может быть связано со снижением поверхностной энергии обработанных пород и соответствующим уменьшением адсорбционного взаимодействия нефти и пород коллектора.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ДИЛАТАНСИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
№ п/п Место проведения работ Кол-во
скважин
Продуктивность
скважин
Q0 Год
проведения
ДОБЫЧА НЕФТИ
1 Мамонтовское месторождение (Россия) скв. №587 1 20,2 39,4 1,95 1989
2 Мамонтовское месторождение (Россия) скв. №612 1 15 52,5 3,5 1990
3 Мамонтовское месторождение (Россия) скв. №688 1 7,2 40,2 5,58 1990
4 Месторождение “Верхня Луква” (Украина) скв.№35,38,59,79 4 1,5 – 2,0 1998
5 Месторождение “Анастасьевское” (Украина) скв.№104 1 0,3 74,9 250 2000
она же через 3 месяца 0,3 135,4 450 2000
6 Месторождение “Ян-Чек” (Китай) 1 0,5 2,1 4,2 2001
7 Месторождение “Теароt Dome” (США) 2 1,5 3,24 2,16 2003
8 Месторождение “Quest” (США) 1 1,9 6,84 3,6 2003
9 Месторождение „W.R. Knuckles Heirs” (США) 1 4,1 5,89 2,85 2004
10 Месторождение Приобское (Россия) №13169 1 6 23 3,8 2010
11 Месторождение Приобское (Россия) №19593 1 11 26 2,4 2010
12 Месторождение Приобское (Россия) №14897 1 2,12 5,5 2,5 2010
ДОБЫЧА ПРИРОДНОГО ГАЗА
13 Талалаевское меторождение (Украина) 1 1,7 25 14,71 2002
14 Суходоловское месторождение (Украина) скв.”2,42 2 0,1…0,8 2,0…2,2 2,8…20 2001
15 Уренгойское месторождение (Россия) 1 1,8 29,5 16,39 1989
16 Чутовское месторождение (Украина) скв.№40 1 16 32 2 2000
17 Месторождение “Локачи” (Украина) 1 4 82 20,5 1998
18 Яблуновское месторождение (Украина) скв.№58 1 3…5 50 12,5 1998
19 Месторождение “Быстрица” (Украина) скв.№67,119,485 3 1,8…2 1998
20 ЯГКМ (“ООО Ямбурггаздобыча”) 1 5,9 2006
21 ЯГКМ (“ООО Ямбурггаздобыча”) 1 1,9 2006
22 Местороджение „Walling Creek” (США) 1 2,1 6,51 3,1 2004
23 Месторождение „Droppleman” (США) 1 21,5 53 2,46 2004
24 Месторождение „Richard Querreveld” (СШA) 1 7 60 8,6 2005
25 Месторождение „Asher Land” (США) 1 14 37 2,64 2005
26 Месторождение „Thelka Coal” deposit (СШA) 1 0,19 0,333 1,75 2005
ДОБЫЧА ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
27 Талалаевская месторождение (Украина) 1 0 7 2000
НАГНЕТАТЕЛЬНЫЕ СКВАЖИНЫ
28 НГДУ “Ахтырнефтегаз” (Украина) скв.№306, 309 2 3,2 – 6,7 1996
29 ПО “Астаханьгазпром” (Россия) 2 5,0 – 9,0 1989
ДОБЫЧА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
30 ПО “Гранитас” (Литва) 20 0,25 0,86 3,44 1986
31 Трест “Томксмелиорация” (Россия) 6 6,6 1985
32 ПО “Турменсельхозпводопровод” (Туркменистан) 9 1,8 5 2,78 1985
33 Тернопольское ПУВКХ (Украина) 14 1,6 2,8 1,75 1989
34 Киев (Украина) 3 3,1 27,9 9 1983

Следует подчеркнуть, что успех подобных работ в значительной мере зависит от достоверности определения дилатансионных свойств вмещающих пород, поэтому одновременно с наращиванием производственных мощностей по взрывной обработке скважин необходимо уделять серьезное влияние укреплению научно-исследовательской базы, обеспечивающей не только обоснование физических основ взрывных технологий, но и получение исходных данных для проведении расчетов и разработки проектов организации работ.

Несмотря на то, что технологии дилатансионного воздействия были испытаны более чем на 100 скважинах по добыче подземных флюидов, не было зарегистрировано ни одного случая с отрицательным эффектом. Как правило, увеличение дебита скважины превышало величину, заложенную в расчет параметров взрывных работ.
доклад мухина 3
Свойства (и прежде всего вязкость) флюида также влияют на технологический эффект дилатансионного воздействия. Дебиты нефтяных скважин возрастают в 1,5…5,5 раза, водозаборных – в 1,7…9,1 раза, газовых – в 20 и более раз.
В заключение необходимо подчеркнуть, что взрывы устройств дилатансионного воздействия, рассчитанных на дилатансионное разуплотнение пород-коллекторов, как правило, не приводят к нарушению целостности и герметичности обсадной колоны скважины, поскольку их суммарный заряд редко превышает 10 кг. Однако если конструкция скважины имеет изначальные дефекты, зарегистрированные акустическим каротажом, для предотвращения их развития до аварийного состояния колонны используются разработанные в НПВФ «Геотехнология» средства защиты скважин. Некоторые из них, наиболее распространенные в практике дилатансионного воздействия нефте-газовые скважин, показаны на рис.6. Их конструкции позволяют значительно (в 5..50 раз) снизить интенсивность ударноволнового воздействия на колонну или гидропотока скважинной жидкости.

Все технические и технологические решения, связанные с разработкой и использованием дилатансионных методов взрывных работ, а также с созданием средств защиты скважин, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и патентами (более 70 единиц).
Дилатансионное воздействие хорошо совместимо с традиционными методами обработки скважин, такими как импульсный и стационарный гидроразрывы, имплозионная обработка, внутрипластовое взрывание с применением взрывчатых веществ текучей консистенции и многие другие. Оно может производится либо до, либо после них в зависимости от целей обработки. Широкие перспективы открывает комбинированное использование взрывного (импульсного) и химического воздействия на породный массив с целью направленного изменения его проницаемости для интенсификации подземных фильтрационных процессов. Важной особенностью комбинированных методов является то, что взрывная и химическая обработка не только дополняют друг друга, но и существенно усиливают положительные стороны каждой технологии, что не достижимо при их применении в отдельности.
доклад мухина 4
Более подробно информацию о дилатансионных процессах в горных породах при неравномерном пространственном динамическом нагружении, их практическом использовании в различных отраслях промышленности можно найти в следующих публикациях:
1. Михалюк АВ. Горные породы при неравномерных динамических нагрузках. – Киев: Наук. думка, 1980. – 154 с.
2. Михалюк АВ. Торпедирование и импульсный разрыв пластов. – Киев: Наук. думка, 1986. – 208 с.
3. Михалюк АВ. Дилатансия и ее влияние на свойства горных пород при допредельных динамических нагрузках. – Киев: ВИИПОЛ, 2001. – 102 с.
4. Михалюк АВ, Мухин ЕА, Михалюк СА, Захаров ВВ. Дилатансионные технологии торпедирования скважин для интенсификации добычи подземных флюидов. – Киев: ВИИПОЛ, 1999. – 66 с.
5. Лисюк МО, Михалюк АВ. Захист свердловин при прострільно-підривних роботах. – Київ, ЭкспоДата, 2004. – 123 с.