Повышение эффективности и безопасности добычи газа в Арктике стало возможным благодаря исследованиям российских ученых. Используя специализированное научное оборудование, они воспроизвели лабораторные условия, характерные для продуктивных слоев вокруг эксплуатационных скважин. В ходе работы были определены режимы разрушения коллекторов, разработаны методы снижения количества песка, поступающего в скважину вместе с добываемым сырьем, и предложены практические рекомендации по обеспечению стабильной и безопасной эксплуатации скважин. При этом, разработанная методика, сочетающая геомеханические и цифровые исследования горных пород, может быть применена к любому арктическому месторождению. Исследования проводились специалистами Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН по заказу ПАО «Газпром» в рамках реализации проектов Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).

Уникальность и масштаб арктических месторождений углеводородов в России трудно переоценить. В них сосредоточено приблизительно 70% общероссийских запасов природного газа, причем значительная доля приходится на шельфовую зону, где уже ведутся разработки. Учитывая стратегию развития региона и наблюдаемое потепление климата, которое упрощает логистику и судоходство в северных морях, наращивание добычи на шельфе станет более интенсивным. Вместе с тем, работы в прибрежной зоне, включая строительство морских платформ и бурение, сопряжены с повышенными трудностями и затратами по сравнению с наземной разработкой, поэтому обеспечение безопасности и стабильности стволов скважин должно быть приоритетной задачей на этапе проектирования. Усугубляется ситуация тем, что арктические нефтегазовые пласты формируются из рыхлых песчаников, что увеличивает вероятность разрушения стенок скважин, возникновения аварий и выноса песка.

«Породы арктического шельфа отличаются низкой прочностью: образцы, поступающие в нашу лабораторию, нередко рассыпаются при ручном воздействии. Это создает серьезные вопросы относительно устойчивости скважин: снижение давления в стволе, необходимое для обеспечения притока газа из пласта, может привести к постепенному разрушению окружающих пород и обрушению скважины. Кроме того, вместе с газом в скважину поднимается песок, вызывающий повышенный износ оборудования как подземного, так и наземного. Для предотвращения аварий требуется тщательное изучение процессов, происходящих в скважинах, и реакции горных пород на них, однако призабойная зона пласта труднодоступна для непосредственных измерений. Мы разрабатываем методику моделирования этих процессов в лабораторных условиях», ― сообщил заведующий лабораторией геомеханики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трахтенера РАН, доктор физико-математических наук . Юрий Федорович Коваленко.

Новый подход объединяет традиционные геомеханические исследования с современными цифровыми технологиями, формируя так называемый цифровой керн. Данное направление получило развитие в конце XX века благодаря увеличению вычислительных мощностей, изначально предназначенных для поддержки нефтегазовой отрасли. Томографические изображения образцов горных пород преобразуются в трехмерные модели, которые затем могут быть изучены в виртуальной среде. Сами модели и данные о структурно-фильтрационных свойствах образца сохраняются в цифровых хранилищах и используются при последующих исследованиях.

«Керн – это ценный материал, которого всегда не хватает в достаточном количестве. Особенно остро эта проблема стоит при изучении слабых пород арктического шельфа, где извлечение и транспортировка образцов затруднены, что негативно сказывается на их целостности и исходных свойствах. После подъема на поверхность порода зачастую рассыпается, оставляя для исследований лишь несколько метров. Традиционные механические и гидродинамические испытания неизбежно приводят к разрушению или необратимой деформации материала. 3D-Сохранив модель в цифровой библиотеке двойников, мы сможем повторно обратиться к ней при необходимости дополнительной информации. В настоящее время мы продолжаем совершенствовать эти подходы в рамках проекта № 25-77-10005 президентской линейки грантов РНФ», – подчеркнул научный сотрудник лаборатории геомеханики ИПМех РАН, кандидат физико-математических наук Валерий Владимирович Химуля.

Создание цифровых моделей геологических процессов и изучение их характеристик на виртуальной копии представляется более экономичным и оперативным методом по сравнению с традиционными лабораторными испытаниями. Хотя результаты компьютерного анализа становятся все точнее, полагаться на них полностью пока преждевременно – полученные данные нередко оказываются недостаточно убедительными и нуждаются в дополнительной проверке и подтверждении. Таким образом, наиболее эффективным подходом является сочетание геомеханических исследований с цифровыми методами.

Сотрудники ИПМех РАН проводили моделирование напряженного состояния вблизи скважин месторождения с использованием Испытательной системы трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Данная уникальная научная установка была разработана и создана непосредственно в институте. ИСТНН позволяет исследовать деформационные, прочностные и фильтрационные характеристики горных пород на кубических образцах керна с гранью 40 или 50 мм.

Перед проведением геомеханических испытаний образцы были оцифрованы и подвергнуты анализу с использованием компьютерных технологий. В рамках исследования оценивались такие параметры, как пористость, неоднородность структуры и наличие дефектов материала. После воздействия на образцы в ходе физических испытаний проводилось повторное сканирование для регистрации возникших деформаций, что позволило установить причины и механизм разрушения. Лабораторные исследования нескольких образцов породы позволяют получить исчерпывающую информацию о поведении коллектора в процессе разработки месторождения. Специалисты Института механики им. Г.И. Израила РАН подтвердили результативность данной методики, изучив образцы пород-коллекторов из различных месторождений природного газа на арктическом шельфе Российской Федерации. На текущем этапе исследования ученые определили критические значения перепада давления, при которых обеспечивается устойчивость стенок скважины, а также выявили зоны и напряжения, при превышении которых начинается разрушение породы – формирование так называемых обвалов. Со временем эти обвалы увеличиваются в размерах, что приводит к поступлению большего количества песка в скважину и потенциальному полному обрушению створа. Понимание закономерностей развития этих процессов позволяет установить безопасные режимы эксплуатации на этапе проектирования и рекомендовать методы укрепления стенок скважины.

Исследователи определили, при каких обстоятельствах песчаные отложения начинают проникать в скважину вместе с природным газом, и как характер пескопроявления изменяется под воздействием давления в стволе скважины и формы дна. Полученные данные позволили определить наилучшие настройки гравийных фильтров, используемых для удержания частиц горной породы в скважине, при этом обеспечивая сохранение продуктивности.

«Одной из ключевых задач научных исследований, проводимых в Институте механики (ИПМех) Российской академии наук, является поиск фундаментальных решений для нефтегазодобычи и их практическая реализация. Эти исследования ведутся в институте на протяжении многих лет и были заложены выдающимися российскими учеными-механиками, среди которых академики П.Я. Кочин, С.А. Христианович и профессор В.М. Ентов. Сотрудниками ИПМех РАН были созданы инновационные технологии, включая метод направленной разгрузки пласта для повышения эффективности нефтяных и газовых скважин, а также способы обеспечения стабильности наклонно-направленных и горизонтальных стволов при бурении и эксплуатации, которые успешно прошли испытания в реальных производственных условиях. В настоящее время, когда разработка нефтегазовых месторождений арктического шельфа России приобрела особую значимость, усилия ученых института сосредоточены на решении связанных с этим проблем, и, судя по всему, достигнуты определенные успехи», – подчеркнул заместитель директора по научной работе ИПМех РАН, руководитель работ Владимир Иосифович Карев.

Материалы статьи подготовлены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации