ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО УДАРА ГАЗООБРАЗНЫМ АЗОТОМ НА ПОРИСТОСТЬ, ПРОНИЦАЕМОСТЬ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД НЕТРАДИЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

АННОТАЦИЯ

Криогенный разрыв пласта - это тип термического шока, при котором холодная жидкость или газ нагнетаются в горячий пласт для создания трещин. Исследования показали, что, как и традиционный гидравлический разрыв, криогенный разрыв может улучшить добычу нефти / газа из нетрадиционных пластов. Однако исследования также показали, что, в отличие от традиционного гидравлического разрыва пласта, при котором используются жидкости на водной основе, криогенный разрыв ограничен и может даже залечить повреждения, расположенные вблизи ствола скважины. Однако в предыдущих исследованиях теплового шока, как правило, одновременно изучались только несколько параметров. Чтобы обеспечить более полный обзор процесса, в этом исследовании изучается влияние теплового шока с использованием низкотемпературного газообразного азота на пористость, проницаемость и механические свойства горных пород нетрадиционных коллекторов. К образцу керна и образцу обнажения из нетрадиционного коллектора были применены три цикла теплового удара. Каждый образец нагревали при 82 °C в течение 1 часа, а затем вводили азот при -18 °C при 6,89 МПа в течение 5 минут. Пористость и проницаемость кернов, а также скорости, с которыми ультразвуковые волны проходили через них, измерялись как до, так и после каждого теплового удара.

В данной работе были испытаны образцы карбоната (доломит) и песчаника [1]. В экспериментах использовались образцы горных пород кубической формы размером 20,3 см. В их диагонали были встроены восемь крошечных термопар, чтобы отслеживать изменение температуры во время испытаний. Образцы находились под трехосными напряжениями, и в это время жидкий азот подавался в образцы через отверстия глубиной 15,24 см.

Основной целью данной работы, определение влияния теплового удара газообразным азотом на пористость, проницаемость и механические свойства горных.

В связи с этим, необходимо решить задачи, такие как:

1. определить влияние теплового удара на параметры пористости, проницаемости, скорость прохождения продольной волны, модуля Юнга и коэффициента Пуассона;
2. определить коэффициент хрупкости и индекс трещиностойкости образцов горных пород (По данным модуля Юнга и коэффициента Пуассона);
3. рассмотреть возможность внедрения криогенного теплоудара для лабораторных исследований и улучшения добычи нефти / газа из нетрадиционных коллекторов.

Введение.

Гидроразрыв пласта является одним из основных методов экономичной добычи из нетрадиционных нефтегазовых пластов. Были проведены многочисленные исследования с целью оптимизации операции гидроразрыва пласта с целью максимизации добычи нефти и газа из нетрадиционных пластов. Соединение трещин гидроразрыва с существующей сетью естественных трещин в матрице пласта повышает эффективность процесса стимуляции и увеличивает результирующую добычу углеводородов. В отличие от традиционного процесса гидравлического разрыва пласта, термический удар - это новый метод инициирования трещин и соединения существующих трещин и трещин в матрице породы путем изменения эффективных напряжений вокруг ствола скважины или на участках поверхности существующих трещин.

Однако, существует другие методы добычи углеводородов. Термоудар - это метод, при котором жидкость с низкой температурой закачивается в горячий резервуар. Разница температур между закачиваемой жидкостью и стенкой основной трещины ствола скважины приводит к увеличению растягивающего напряжения и снижению максимального горизонтального эффективного напряжения (напряжения в направлении, параллельном основной трещине). Если уменьшение максимального горизонтального эффективного напряжения и увеличение растягивающего напряжения адекватны, возникает вторичная трещина. В дополнение к этому, применение теплового удара к поверхности породы и существующим трещинам гидроразрыва изменит механические свойства породы (модуль Юнга и коэффициент Пуассона) и создаст вторичную сеть трещин в теле породы.

Метод теплового удара может вызвать заживление трещин вместо роста трещин. При залечивании трещин плотность трещин в породе несколько уменьшается. Например, когда образец породы нагревается медленно, его тепловое расширение может заполнить трещины и пустоты. Общее заживление ожидается, когда степень залечивания трещин в центральных частях образца породы (из-за медленного нагрева) превышает рост трещины у поверхности образца (из-за быстрого охлаждения).

Факторы, влияющие на успех техники теплового удара, перечислены ниже:

- Сеть естественных трещин: наличие естественной трещины в породе снижает прочность породы на растяжение и способствует образованию новых трещин;

- Быстрая тепловая нагрузка: Приложение быстрой тепловой нагрузки приводит к резкому перепаду температур между телом и поверхностью породы и способствует образованию трещин;

- Хрупкость образца породы: существует прямая зависимость между хрупкостью образца породы и успешным образованием трещин при использовании техники теплового удара;

- Вязкость разрушения: существует обратная зависимость между вязкостью разрушения и успешным образованием трещин при использовании техники теплового удара.

Экспериментальная часть.

В экспериментальном исследовании были использованы два образца керна, доломит и песчаник (Рис. 1 и Таблица 1):

1. Песчаник мелкозернистый, с углистыми растительными остатками, с прерывистыми слойками глинистого материала, глубина – 2260 м.
2. Карбонат темный (доломит), криноидный, с брахиоподами, с примазками пирита – глубина 3716 м.

Образцы помещали в вакуумную сушильную печь и нагревали до 43 °C для испарения всех свободных углеводородов и воды, присутствующих в поровых пространствах. Этот процесс длился около 48 ч, пока сухие образцы керна не достигли постоянной массы.

Таблица 1.

Размеры образцов керна, объем и плотность в сухом состоянии

Рисунок 1. Образцы керна, (А) – песчаник, (В) – доломит

Измерение пористости, проницаемости и акустики.

Для измерения эффективной пористости образцов керна при использовании гелия использовался газовый порозиметр с возможностью вакуумирования. Формула была использована для расчета эффективной пористости образцов керна:

                                                                        (1)

где  - эффективная пористость;  - измеренный объемный образца керна;  - объем зерна в керне. Пористость образцов керна измерялась как до, так и после выполнение каждого цикла термоудара.

Карбонатные пласты обладают сверхнизкой проницаемостью, которую невозможно измерить при использовании обычного метода устойчивого состояния. С помощью установки AutoLab 1500 проводились тесты по измерению проницаемости. Проницаемость двух образцов керна была измерена перед применением теплового удара, а затем после каждого цикла теплового удара, чтобы контролировать влияние холодного азота на проницаемость.

AutoLab 1500 (рис. 2) представляет собой полную лабораторную систему с тремя интегрированными компонентами:

1. Сосуд высокого давления с базовым кернодержателем, для удерживания образца керна, порового давления, обжимного давления и осевой нагрузки на образец керна.
2. Электронная консоль для точного управления давлением (поровое давление, обжимное давление и осевая нагрузка) в панельном режиме. Кроме того, электронная консоль используется для регулировки и усиления сигналов от датчиков для измерения следующих параметров: осевая нагрузка, давление, смещение, температура и скорость.
3. Система сбора данных AutoLab, которая контролирует эксперимент, собирает и обрабатывает данные после завершения эксперимента.

Рисунок 2. Система AutoLab 1500

Процедура испытания на проницаемость:

После загрузки образца и подготовки (рис. 3) образец был помещен в сосуд высокого давления и закреплен. Обжимное давление прикладывалось вручную в панельном режиме на электронной консоли до 3,45 МПа. Вентиляционный клапан открывали для загрузки газа в усилитель порового давления. В системе сбора данных был выбран эксперимент по проницаемости, и информация об образце была загружена в систему. Клапан порового давления был открыт, и газ потек внутрь образца со стороны входа. Использование системы сбора данных для контроля порового давления на обоих концах образца (до и после). После того, как оба давления стали почти равными, начинается измерение проницаемости, и система измеряет проницаемость при условиях, как показано в таблице 2.

Рисунок 3. Конечная сборка образца керна между кернодержателями

Таблица 2.

Параметры, выбранные для измерения проницаемости

Система AutoLab 1500 также обеспечивает ультразвуковые измерения скорости. AutoLab 1500 может измерять сжатие (P-волна) и сдвиг  и  волн) при использовании двух ультразвуковых преобразователей скорости (приемник и источник) [2]. Это измерение скорости называется испытанием осевой скорости, потому что датчик источника размещается внизу образца керна, а приемник - вверху образца керна.

Динамический модуль Юнга, и коэффициент Пуассона могут быть определены из теста осевой скорости, которые являются очень важными параметрами для выявления любых трещин, возникших в результате закачки холодного азота. Измерение осевой скорости проводилось до и после каждого цикла теплового удара, чтобы изучить влияние теплового удара на скорость сжатия (), динамический модуль Юнга и коэффициент Пуассона [3].

После этого была рассчитана и проанализирована хрупкость горных пород по формуле:

                                                               (2)

где  - коэффициент хрупкости;  - модуль Юнга (МПа); а также  - коэффициент Пуассона.

Индекс трещиноватости:

                                                                        (3)

где  - индекс трещиноватости,  - коэффициент хрупкости, определенный в уравнении (2), а  - поперечная интервальная скорость, определяемая следующим образом:

                                                                           (4)

где  - время прохождения медленного сдвига (сек), полученное из скорости звука,  (м/с) а также  - время пробега при быстром сдвиге (сек), полученное из звуковой скорости,  (м /с).

Затем образец помещали в сосуд высокого давления и закрепляли. Обжимное давление было приложено к образцу, начиная с 6,89 МПа, постепенно увеличивалось до 68,94 МПа (с шагом 6,89 МПа), а затем постепенно уменьшалось с тем же шагом до 6,89 МПа. Все три скорости ( и ) были измерены и отображены после каждого шага приращения ограничивающего давления (Рис. 4).

Рисунок 4. Пример формы волны для прихода  при различных давлениях обжима из ультразвукового теста скорости

Эксперимент с тепловым ударом.

Термоудар применялся к образцам керна индивидуально путем нагнетания холодного азота при -18 °C и 6,89 МПа. Сначала образцы нагревали до пластовой температуры (82 °C) в течение 1 ч. Затем в каждую пробу керна вводили азот с температурой -18 °C под давлением 6,89 МПа в течение 15 мин. Аппарат, используемый для выполнения техники теплового шока, состоит из насоса Quizix QX-6000 с максимальным рабочим давлением 41 Мпа, баллон высокого давления с азотом, пластиковая охлаждающая ванна, высокотемпературный нагреватель ( = 115 °C), гидравлическое масло, изоляционная лента, манометры и резервуар для пресной воды (Рис. 5).

Рисунок 5. Принципиальная схема установки техники теплового удара

Процедура теплового удара.

Ниже представлены экспериментальные процедуры:

- образец помещался в высокотемпературную манжету (которая фиксируется на кернодержателе). Охлаждающую баню готовили смешиванием льда с кристаллами хлорида натрия (NaCl), чтобы достичь желаемой температуры (−18 °C). Между тем, температуру измеряли с помощью датчика температуры.

- клапан баллона с азотом был открыт, чтобы позволить газу течь и накапливаться в емкости высокого давления. Затем газ оставляли в охлаждающей смеси на 30 мин для достижения желаемой температура (−18 °C) в охлаждающей ванне.

- образец керна нагревался при температуре 82 °C в течение 60 мин, клапан между емкостью сжатого газа и высокотемпературной манжетой открывался и образец керна подвергался воздействию холодного азота в течение 15 мин.

Полученные результаты.

Результаты, полученные в результате испытаний на тепловой удар, показали, что трещины создавались и распространялись после воздействия теплового удара. Тепловой удар не только создал трещины на поверхности керна, но также изменил свойства породы-коллектора (пористость и проницаемость) и механические свойства породы (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и коэффициент хрупкости).

Существенные изменения скорости  наблюдались после проведения тепловых ударов на образцах керна, что свидетельствует о создании искусственных трещин. Кроме того, при сравнении результатов испытаний до и после термического удара было обнаружено увеличение пористости и проницаемости образцов керна. Результаты испытаний на термоудар показали, что коэффициент хрупкости и показатель хрупкости обоих образцов керна изменились после проведения циклов теплового удара. Ниже приводится анализ результатов для каждого образца керна с точки зрения пористости, проницаемости и механических свойств породы.

Очевидно, что после 1-го и 2-го тепловых ударов произошло небольшое увеличение пористости песчаника, что свидетельствует о росте трещины (см. таблицу 3). Тогда как после 3-го термоудара пористость песчаника уменьшилась на 0,4%, что может свидетельствовать о заживлении трещин. Результаты показывают, что пористость доломита уменьшилась на 4,92% после завершения 1-го теплового удара и увеличилась на 14,3% после проведения 2-го теплового удара. Третий термоудар привел к снижению пористости на 3,01% (см. таблицу 3). Увеличение пористости указывает на создание новых трещин или рост трещин в образце керна, тогда как уменьшение пористости, как полагают, связано с заживлением трещин, как объяснено выше.

Таблица 3.

Результаты пористости песчаника и доломита до и после термоудара (0 - до термоудара)

После 1-го термоудара произошло увеличение проницаемости песчаника на 32,7% (см. таблицу 4). Считается, что это увеличение является результатом роста трещины после воздействия холодного азота на горячий стержень. После 2-го теплового удара наблюдалось небольшое увеличение проницаемости, что указывает на небольшой рост трещины. После 3-го теплового удара наблюдалось снижение проницаемости на 27,1% из-за заживления трещин. Значительное улучшение проницаемости доломита после 2-го теплового удара (см. таблицу 4). Процент увеличения проницаемости после второго цикла теплового удара составляет 920%, что свидетельствует о создании сильно индуцированной трещины в образце керна. С другой стороны, 3-й тепловой удар имел обратный эффект: проницаемость снизилась на 96,5% по сравнению с исходным значением. Считается, что это снижение проницаемости вызвано сильным залечиванием трещин.

Таблица 4.

Результаты проницаемости песчаника и доломитата до и после термоудара (0 - до термоудара)

Ультразвуковое измерение скорости используется для обнаружения трещин в образце породы путем измерения скоростей продольных и поперечных волн. Результаты по скорости продольной волны, модулю Юнга, коэффициенту Пуассона, хрупкости горных пород и показателю трещиностойкости представлены для каждого образца керна отдельно до и после каждого эксперимента по тепловому удару.

Результаты измерения скорости продольной волны песчаника представлены на рис. 6. Очевидно, что существует прямая взаимосвязь между продольной скоростью и давлением обжима из-за большего уплотнения при более высоких давлениях обжима. Также результаты демонстрируют изменение  - скорости после проведения техники теплового удара. После выполнения первого теплового удара  - скорость уменьшилась при высоких давлениях обжима, что указывает на возникновение трещин. На рис. 7 представлено состояние образца песчаника до и после термоудара.

Рисунок 6. Результаты измерения скорости продольных волн для песчаника при различных давлениях обжима до и после теплового удара (0,1,2,3 – циклы теплового удара)

Рисунок 7. Образец керна песчаника, (А) до термоудара и (В) после 3-го термоудара с обозначением трещины

Результаты модуля Юнга и коэффициента Пуассона для песчаника представлены на рис. 8a. Существует прямая зависимость между модулем Юнга и давлением обжима. Кроме того, выполнение теплового удара по образцу керна также изменило модуль Юнга образца керна. Например, при обжиме 68,94 МПа модуль Юнга составлял 37,8 ГПа после завершения первого теплового удара, тогда как он составлял 36,9 ГПа до проведения теплового удара.

Тепловой удар не только изменил модуль Юнга, но и повлиял на коэффициент Пуассона. На рис. 8б видно, что первый тепловой удар уменьшил коэффициент Пуассона, а второй и третий удары увеличили его.

Рисунок 8. (а) Результаты модуля Юнга песчаника при различных давлениях обжима до и после теплового удара, (б) результаты коэффициента Пуассона при разных давлениях обжима до и после теплового удара

Очевидно, что существует прямая взаимосвязь между скоростью продольной волны на образце доломита и давлением обжима из-за более высокого уплотнения породы (см. рис. 9). Также можно заметить, что тепловой удар изменил скорость  - волны как после второго, так и после третьего циклов, в то время как первый цикл незначительно влияет на скорость прохождения волны. На рис. 10 представлено состояние образца керна доломита до и после теплового удара, в котором наведенные трещины после 2-го и 3-го термоудара видны.

Рисунок 9. Результаты измерения скорости продольных волн для доломита при различных давлениях обжима до и после теплового удара (0,1,2,3 – циклы теплового удара)

Рисунок 10. Образец керна доломита, (А) до термоудара и (В) после 3-го термоудара с обозначением трещины

Существует прямая зависимость между модулем Юнга доломита и давлением обжима (рис. 11a). В отличие от песчаника, циклы термического удара снизили модуль Юнга доломита. Тепловой удар не только изменил модуль Юнга, но также повлиял на коэффициент Пуассона образца керна. Понятно, что коэффициент Пуассона снизился в среднем до 0,29 после 2-го теплового удара, в то время как 1-й и 3-й термические удары оказали на него небольшое влияние (рис. 11б).

Рисунок 11. (а) Результаты модуля Юнга доломита при различных давлениях обжима до и после теплового удара, (б) результаты коэффициента Пуассона при разных давлениях обжима до и после теплового удара

Выводы.

Исследования показали, что криогенный разрыв пласта (термоудар с холодной жидкостью) может быть альтернативой традиционному гидроразрыву нетрадиционных коллекторов, в котором используются жидкости на водной основе. Однако в предыдущих исследованиях теплового шока, как правило, одновременно изучались только несколько параметров. Чтобы обеспечить более полный обзор процесса, в этом исследовании изучалось влияние теплового шока с помощью низкотемпературного газообразного азота на пористость, проницаемость и механические свойства горных пород нетрадиционных коллекторов.

Результаты убедительно свидетельствуют о том, что термический удар приводил к образованию трещин. Пористость увеличилась на 1,34–14,3%, проницаемость увеличилась на 17,4–920%, а средняя скорость продольной волны снизилась до 100 м / с. Модуль Юнга увеличился на 0,5–2 ГПа, а коэффициент Пуассона снизился на 0,01–0,02.

По уменьшению скорости продольной волны и изменениям модуля Юнга и коэффициента Пуассона было определено, что коэффициент хрупкости увеличился на 2–4, а индекс трещиностойкости увеличился на 0,2–0,8. Оптимальное количество циклов теплового удара варьируется от пласта к пласту в зависимости от минералогии и типа породы. Результаты показали, что песчаник стал более хрупким после первого теплового удара, тогда как хрупкость карбонатных пород увеличилась после завершения второго теплового удара.

Результаты этого экспериментального исследования продемонстрировали, что метод теплового удара может использоваться как эффективный метод для увеличения пористости и проницаемости нетрадиционных коллекторов и, таким образом, минимизации повреждения пласта. Криогенный разрыв пласта (термоудар с холодной жидкостью) может быть использован в будущем для улучшения добычи нефти / газа из нетрадиционных коллекторов.

Список литературы:

1. ГОСТ 21153.0-75 «Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний».
2. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А. Ультразвуковые исследования деформированных кристаллов NaCl. Акуст. ж., 1960.
3. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972.
4. Петрашень Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. Л: Наука, 1980.