Физическое моделирование изменения фильтрационных свойств угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Геомеханика

13

УДК 622.278

О.В. Тайлаков, Е.А. Уткаев, А.И. Смыслов, А.Н. Кормин

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

По мере увеличения темпов разработки угольных месторождений возникает необходимость в повышении эффективности дегазации угольных пластов [1]. При этом основной проблемой в процессе сооружения и эксплуатации дегазационных скважин является снижение их продуктивности, связанное с изменением фильтрационных характеристик углепородного массива. Наиболее существенные преобразования проницаемости, оказывающие влияние на гидродинамику пласта в результате возникновения дополнительного гидравлического сопротивления (скин-эффекта), происходят в непосредственной близости от скважины -в ее призабойной зоне.

Для определения степени нарушения проницаемости в призабойной зоне скважины принято использовать скин-фактор, который характеризует состояние этой зоны с нарушенными фильтрационными свойствами вследствие кольматации пласта промывочными растворами, разбуренными частицами породы и другими веществами во время первичного вскрытия, цементирования колонны, вторичного вскрытия перфорацией и при различных ремонтах скважины. Оценка фильтрационных свойств ее призабойной зоны в полевых и лабораторных геофизических исследованиях имеет определяющее значение для последующего выбора способа стимуляции угольного пласта. При полевых исследованиях фильтрационных свойств угольных пластов в прискважинной зоне можно получить общую информацию о состоянии приза-бойной и удаленной зон пласта (проницаемость, скин-фактор, емкостной коэффициент и др.). Однако процессы проникновения твердых частиц в прискважинную зону пласта и образование областей с измененной проницаемостью при фильтрации промывочной жидкости остаются малоизученными. Поэтому актуальным является использование физического моделирования на основе эквивалентных материалов для уточнения фильтрационных свойств призабойной зоны скважины.

Термин скин-эффекта введен в 1953 году Ван Эвердингеном и Хер-стом, позже Хоукинс расширил его понятием отрицательного скин-фактора [2-4]. Скин-эффект заключается в возникновении дополнительного фильтрационного сопротивления, вызванного изменением проницаемости породы в призабойной и удаленной зонах скважины, и определяется как

Таким образом, в массиве горных пород, вмещающем трещину с сомкнутыми берегами в виде математической щели, ещё до ведения горных

работ помимо исходного гравитационного поля напряжений существуют и дополнительные касательные напряжения, возникающие в результате взаимного

5 =

—-1

к

V"" *

г

1п ,

г

(1)

где - радиус призабойной зоны скважины с измененной проницаемостью; гс - радиус ствола скважины в продуктивном интервале; к, кх - коэффициент проницаемости удаленной и приза-бойной зоны.

При положительных значениях скин-фактора проницаемость призабойной зоны скважины в результате ее кольматации хуже в сравнении с удаленной зоной, а при отрицательных значениях - выше, вследствие, например, стимуляции гидроразрывом. Скин-фактор изменяется в пределах -12 ^ да в зависимости от степени нарушения призабойной зоны скважины [5-7].

Наиболее полная информация о состоянии призабойной зоны может быть получена на основе применения полевых методов, которые включают в себя геофизические, гидродинамические, отбор и исследование кернов, глубинное фотографирование и другие. Расширяющееся применение среди таких методов имеют гидродинамические исследования, основанные на наблюдениях за снижением или подъемом уровня жидкости до статического после ее долива или отбора из скважины и кратковременных установившихся отборах или нагнетаниях флюида в поглощающий пласт при его герметизации [8-10]. Для оценки радиуса скин-эффекта необходимо учитывать воздействие отдельных горно-геологических (водопроницаемость, пористость, суммарная мощность пласта) и технологических (вязкость рабочей жидкости, скорость и объем закачки жидкости) факторов на изменения фильтрационных характеристик приза-бойной зоны скважины, что весьма сложно обеспечить в натурных условиях. В связи с этим поставлена задача разработки физической модели, основанной на использовании эквивалентного материала, для изучения фильтрационных процессов в прискважинной зоне угольного пласта в лабораторных условиях. Для исследования процессов изменения фильтрационных свойств в приза-бойной зоне скважины разработана и изготовлена оригинальная лабораторная установка, применение которой заключается в нагнетании жидкости в образец, размещенный в механизме для его за-

крепления, и ожидании спада давления после прекращения подачи флюида. Расход подаваемой жидкости, время ее нагнетания и время ожидания падения давления рассчитываются предварительно в зависимости от характеристик образца. По окончании ожидания спада давления образец извлекается из установки для дальнейших исследований. Изменение давления при проведении теста регистрируется с использованием электронного автономного манометра. Для подачи жидкости под давлением применяется масляный пресс с обратным клапаном, технические параметры которого определены в калибровочных измерениях по нагнетанию жидкости с заданными параметрами. Установлено, что расход флюида 0,91 мл/с достаточен для лабораторных исследований

Для выбора эквивалентного материала определен режим фильтрации жидкости в натурных условиях с использованием критерия Рейнольдса [11]

Re =

W4kp

(2)

где W - скорость фильтрации; к - коэффициент проницаемости пласта; р - плотность жидкости; т - коэффициент пористости; ^ - коэффициент динамической вязкости жидкости.

Критические значения числа Яе лежат в интервале 0,022 < Яекр < 0,29. В соответствии с принятыми условиями Яе = 0,0028 < Яекр = 0,022. Поэтому для оценки скин-эффекта в призабойной зоне скважины с радиусом гх применент закон Дюпюи, который может быть представлен в виде

Aps 2жкк Г ^ Г • exp(—-),

(3)

где Гс - радиус скважины; Q - расход жид-

кости при нагнетании; кх - коэффициент проницаемости пласта в зоне влияния скин-эффекта; к -мощность пласта; Арх - спад давления в течение рабочего периода.

Моделирование проводилось на образцах из эквивалентного материала (обожженной глины и газонаполненных пластмасс), выбор типа и параметров которых основывался на условиях гидродинамического подобия при физическом моделировании будет с соблюдением равенства чисел Рейнольдса для модели Яем и натуры Яен

^ н - ^ „ . (4)

Или после подстановки формулы (2) в (4)

рн _ WM.itрл

1,5

тн V»

1,5

= Re.

(5)

С использованием выбранных материалов и геометрических параметров проведены лабораторные эксперименты для оценки фильтрационных свойств искусственных материалов, модели-

рующих угольные пласты. При этом коэффициент проницаемости угольного массива, известный по результатам измерений в натурных условиях на Талдинском месторождении Кузбасса, составил 3,6 мДа, а полученный в лабораторных условиях для образцах из обожженной глины и газонаполненных пластмасс - 28,8 и 3,8 мДа.

Лабораторные исследования изменений фильтрационных свойств в призабойной зоне скважины на образцах из эквивалентных материалов включали тестирование чистого образца, кольма-тацию призабойной зоны скважины, тестирования образца с измененной проницаемостью, оценку нарушения методом прямых измерений и на основе вычислений с учетом полученных экспериментальных данных. Затем проводилось тестирование исходного, незагрязненного образца. Для этого он закреплялся в лабораторную установку, подключался электронный манометр и нагнетатель, заполненный подкрашенной водой, после чего флюид нагнетался в образец с расходом qinj, рассчитанным по формуле

qinj

kwHP.

Surf

70,65 ц 5W ln(2,25tDe2s)

(6)

где kw - коэффициент водопроницаемости; h -

Г) Surf

а; P„

суммарная мощность пласта;

- максималь-

ное давление, подаваемое на устье скважины; л -коэффициент динамической вязкости воды; BW -фактор сжимаемости; Ь - безразмерное время нагнетания.

Время нагнетание флюида определялось по формуле

tinj = 5,2 /о (7)

ГДе tDws =

17 • 104 Ce

4 y-t 0,14S

гккЛ

- безразмерное время

КМ)

конечного периода ожидания падения давления в скважине; С - коэффициент накопления; - скин-фактор; к - коэффициент проницаемости.

После прекращения подачи жидкости модельная скважина герметизировалась для регистрации падения давления в течение расчетного времени texp, которое определялось по формуле

texp 2 (8)

По окончании периода ожидания падения давления манометр отключался от установки и проводился анализ зарегистрированного изменения давления (рис. 1). На основании обработки результатов измерений оценивались фильтрационные свойства образца с ненарушенной проницаемостью.

Геомеханика

15

При кольматации призабойной зоны модельной скважины в образец из эквивалентных материалов при помощи нагнетателя закачивался глинистый раствор, после чего проводилось тестирование образца с измененной проницаемостью. Для этого удалялись излишки глины, осевшей в забое модельной скважины, и образовавшейся на ее стенках глинистой массы, чтобы исключить их влияние. Затем присоединялись электронный манометр и нагнетатель для повторного тестирования, в результате которого регистрировалось изменение давления во времени.

Для оценки радиуса влияния скин-эффекта методом прямых измерений по окончании исследований образец извлекался из установки и проводилась его декомпозиция. Измерения геометрических размеров зоны проникновения флюида и дисперсной фазы кольматанта в призабойную зону скважины образца проводились с применением оптических систем.

На основе полученных данных рассчитывался радиус зоны с измененной проницаемостью в при-забойной зоне скважины с использованием формулы (3). Выполненный анализ полученных экспериментальных данных показал, что радиус зоны

с измененными значениями проницаемости в эквивалентных материалах более точно описывается выражением

(Рс - Р*) 2 *

■ exp(-

QM

-).

(9)

Здесь рс, рв - забойное давление и давление на границе влияния скин-эффекта, / - безразмерный коэффициент, который определяется с учетом скорости изменения давления в начальный момент времени после прекращения подачи жидкости при проведении гидродинамических исследований. Расхождение между результатами измерений и вычислений, выполненных по формуле (9), радиуса скин-эффекта на образце из эквивалентного материала составило 4%.

Полученные результаты будут использованы в дальнейшем для оценки фильтрационных свойств и определения геометрических размеров присква-жинной зоны углепородного массива при проведении инжекционных тестов с целью повышения эффективности мероприятий по стимулированию газоотдачи скважин, применяемых для заблаговременной дегазации угольных пластов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полевщиков, Г.Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал.- Кемерово, 2012. - № 2. - С.20-27.

2. Hurst W. Esteblishment of the skin effect and its impediment to fluid flow into a well bore. «The petroleum Engineer». Vol. XXV. №11. Okt. 1953. P. B6 - B16.

3. Van Everdingen A. F. The Skin Effect and its Influence on the Productive Capacity of a Well. // Petroleum Transactions AIME. 1953. Vol. 198. P. 171-176.

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

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

6. Шагиев Р. Г. Исследование скважин по КВД. - М.: Наука, 1998. - 304 с.

7. Гольф-Рахт Т. Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов.

- М.: Недра, 1986. - 608 с.

8. Овнатанов Г. Т. Вскрытие и обработка пласта. - М.: Недра, 1964. - 266 с.

9. Баренблатт Г.И. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа / Г.И. Баренблатт, В.М. Ентов, В.М. Рыжик - М.: Недра, 1972. - 288 с.

10. Булатов А. И. Освоение скважин: Справочное пособие / А. И. Булатов, Ю. Д. Качмар, П. П. Макаренко, Р. С. Яремчук. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 472 с.

11. Басниев К. С. Нефтегазовая гидромеханика / К. С. Басниев, Н. М. Дмитриев, Г. Д. Розенберг.

- М.: 2003. - 479 с.

Авторы статьи

Тайлаков Олег Владимирович докт. техн. наук, профессор, зав. совместной лабораторией ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: [email protected]

Кормин Алексей Николаевич младший научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: [email protected]

Уткаев

Евгений Александрович канд. техн. наук, научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: [email protected]

Смыслов Алексей Игоревич младший научный сотрудник совместной лаборатории ресурсов и технологий извлечения угольного метана Института угля СО РАН и КузГТУ

E-mail: [email protected]