Физическое моделирование фильтрации флюида в угольном пласте для оценки радиуса скин-эффекта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, Д.Н. Застрелов, А.И. Смыслов, 2013

УДК 622.278

О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, Д.Н. Застрелов, А.И. Смыслов

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ФЛЮИДА В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ РАДИУСА СКИН-ЭФФЕКТА

Представлено описание подхода к оценке фильтрационных свойств при-забойной зоны скважины на основе физического моделирования на эквивалентных материалах. В исследованиях использован инжекционный тест. Приводятся результаты лабораторных и натурных измерений. Ключевые слова: угольный пласт, фильтрационные свойства, проницаемость, скин-эффект, прискважинная зона, инжекционный тест.

При заблаговременной дегазации угольных пластов продуктивность скважин может снижаться в связи с флуктуациями фильтрационных характеристик углепородного массива, вызванных проникновением промывочного раствора и разбуренных частиц породы в трещинно-поровую структуру прискважинной зоны. Для оценивания радиуса этой зоны (скин-эффекта) необходимо учитывать воздействие отдельных горно-геологических (пористость и мощность пласта) и технологических (поток и вязкость рабочей жидкости) факторов на изменения ее проницаемости [1-3]. Поставлена задача разработки и исследования физической модели фильтрации флюида в угольном пласте для определения геометрических размеров области с измененными фильтрационными характеристиками.

Для проведения исследований в лабораторных условиях разработана и изготовлена установка, принцип действия которой заключается в нагнетании жидкости в образец, размещенный в механизме для его закрепления, и регистрации снижения давления электронным автономным манометром после прекращения подачи флюида. Натурные исследования выполнены на Талдинском угольном месторождении Кузбасса. Моделирование проводилось на образцах из эквивалентного материала (обожженной глины и газонаполненных пластмасс), выбор типа

и параметров которого основывался на условиях подобия. Для угольных пластов Талдинского месторождения суммарной мощностью 5,3 м, пробуренной скважины радиусом 0,128 м, радиуса контура питания скважины 8 м с масштабом 1:16 выбраны геометрические размеры лабораторного образца: собственный радиус 0,05-0,07 м, высота 0,3-0,4 м, радиус модельной скважины 3,5-10-3-4,0-10-3 м.

Гидродинамическое подобие при физическом моделировании обеспечивалось выполнением условия равенства чисел Рейнольдса [4, 5] для модели Нем и натуры Нен

Ке^. (1)

т' ^

где W - скорость фильтрации; к - коэффициент проницаемости пласта; р - плотность жидкости; т - коэффициент пористости; ^ - коэффициент динамической вязкости жидкости. При этом свойства материалов при моделировании выбирались из условия Яен = Яем с учетом (1) на основе формулы

№нл[КРН = ^мл/КРм = Ке (2)

тн1'5К тм1'5Мм

Коэффициент проницаемости образцов из обожженной глины и газонаполненных пластмасс составил 28,8 и 3,8 мДа. При сравнении условий натуры (3,6 мДа для условий Талдин-ского месторождения) и образцов с учетом условий подобия установлено, что числа Рейнольдса для эквивалентных материалов из газонаполненных пластмасс Нем = 2,5-10-3, а для натурных условий Ивн = 2,8-10-3. Таким образом, коэффициент подобия равен 1,13.

С использованием выбранных материалов с заданными геометрическими размерами проведены лабораторные и натурные эксперименты, результаты которых использовались для сопоставительного анализа фильтрационных свойств искусственных материалов и угольных пластов. Лабораторные исследования изменений фильтрационных свойств в призабойной зоне скважины на образцах из эквивалентных материалов включали этапы тестирования чистого образца Р1 (рисунок), кольматации призабойной зоны скважины, тестирования образца с измененной проницаемостью Р2, оценки нарушения в

Изменение давления флюида Р во времени Т в образце из газонаполненных пластмасс с естественной (Рх) и искусственно измененной проницаемостью (Р2)

прямых геометрических измерениях и аналитически с использованием полученных экспериментальных данных.

Для оценки радиуса влияния скин-эффекта по окончании исследований образец извлекался из установки и проводилась его декомпозиция. Для определения геометрических размеров зоны проникновения флюида и дисперсной фазы кольматации призабойной зоны скважины образца применялись оптические системы.

На основе анализа полученных экспериментальных данных предложено оценивать радиус зоны с измененной проницаемостью с использованием уточненной формулы [6]

ЛРс - Р* ) 2лкк Г = Гс • ехр( с . ^ , (3)

где рс, ря - забойное давление и давление на границе влияния скин-эффекта; 1 - безразмерный коэффициент, который определяется с учетом скорости изменения давления в начальный момент времени после прекращения подачи жидкости при проведении гидродинамических исследований. Выполненные по формуле (3) расчеты радиуса влияния скин-эффекта в образце из эквивалентного материала (г5 = 9 мм) показали удовлетворительную сходимость с результатами геометрических измерений при физическом моделировании (г3 = 8,66 ± 0,71 мм).

Уточненная расчетная формула (3) использовалась для оценивания фильтрационных свойств угольных пластов и вмещающих пород в условиях буровой площадки скважины №16244 Ерунаковского геолого-экономического района Талдинского угольного месторождении. Исследования проводились с применением инжекционного теста. Для проведения теста устройство герметизации скважины было установлено на глубине 655 м. Изменение давления и температуры во время теста регистрировалось с помощью электронного манометра. Затем был подключен буровой насос для нагнетания флюида в пласт с минимальным расходом. Далее скважина была изолирована для регистрации падения давления после прекращения подачи жидкости. На основе компьютерной обработки полученных данных по квазилинейному участку кривой падения давления флюида в скважине были определены давление на границе влияния скин-эффекта р$ = 7992,75 кПа, коэффициент 1 = 0,05 и выполнен расчет радиуса влияния скин-эффекта, который составил г$ = 0,38 м.

Предложенный подход предполагается в дальнейшем развить для моделирования режимов фильтрации флюидов и определения границ зоны кольматации горизонтальных дегазационных скважин, пробуренных в угольный пласт из горных выработок.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малышев Ю.Н., Худин Ю.Л., Васильчук М.П. и др. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне. - М.: Издательство Академии горных наук, 1997 - 463 с.

2. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Е. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Издательство Академии горных наук, 2000 - 519 с.

3. Михайлов Н.Н. Изменение физических свойств горных пород в околоскважинных зонах. - М.: Недра, 1987. - 152 с.

4. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г. Д. Нефтегазовая гидромеханика. - М.: 2003, - 479 с.

5. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. - М.: Недра, 1993. - 416 с.

6. Coalbed Methane Reservoir Engineering: Published by Gas Research Institute Chicago, Illinois, U.S.A., 1996. 520 pp. Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Тайлаков Олег Владимирович - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, [email protected],

Уткаев Евгений Александрович - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, [email protected],

Застрелов Денис Николаевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, [email protected],

Смыслов Алексей Игоревич - младший научный сотрудник, [email protected]

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.

А