Геомеханическое прогнозирование процессов образования и обоснование способов ликвидации каналов миграции флюидов в затрубном пространстве подземных хранилищ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Воробьёв, Герман Михайлович

• Воробьёв, Герман Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воробьёв, Герман Михайлович

Введение.

1 .Анализ существующих исследований по теме диссертации.

1.1. Краткий анализ причин и последствий каналообразования в затрубном пространстве ПХГ.

1.2. Анализ существующих теоретических исследований по каналообразованию в затрубном пространстве.

1.3. Анализ технических предложений по герметизации затрубного пространства.

1.4. Постановка задач диссертационных исследований.

2.Геомеханическое прогнозирование каналообразования в затрубном пространстве.

2.1. Силовые и температурные воздействия на затрубное пространство.

2.2. Геомеханическое прогнозирование техногенных воздействий на затрубное пространство.

2.3. Геомеханическое моделирование процессов деформирования затрубного пространства.

2.4. Механизмы каналообразования в затрубном пространстве при техногенных воздействиях.

2.5. Прогнозирование каналообразования при внутреннем техногенном воздействии.

2.6. Прогнозирование каналообразования при внешнем техногенном воздействии.

3. Экспериментальные исследования по ликвидации каналов миграции флюидов с использованием концентрированного рассола.

3.1. Методика экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

3.2. Результаты экспериментальных лабораторных исследований.

3.3. Методика производственного эксперимента по ликвидации каналов миграции.

3.4. Результаты производственного эксперимента.

4. Рекомендации по прогнозированию образования каналов миграции и по их ликвидации в затрубном пространстве подземных хранилищ газа.

4.1. Рекомендации по прогнозированию каналообразования в затрубном пространстве.

4.2. Прогнозирование каналообразования для условий Волгоградского ПХГ.

4.3. Рекомендации по технологии ликвидации каналов миграции флюидов.

4.4. Оценка эффективности рекомендуемой технологии восстановления герметичности затрубного пространства подземных хранилищ газа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое прогнозирование процессов образования и обоснование способов ликвидации каналов миграции флюидов в затрубном пространстве подземных хранилищ»

Актуальность работы. Долгосрочные прогнозы ООН показывают, что потребление природного газа в энергетическом балансе современного мира будет расти более быстрыми темпами по сравнению с потреблением нефтепродуктов. В связи с этими тенденциями возрастает роль подземных хранилищ, которые решают следующие задачи: регулируют суточные и сезонные неравномерности газопотребления, повышают надёжность систем транспортирования и обеспечивают долгосрочное резервирование газа, а в условиях рыночной экономики являются надёжным инструментом хранения газа в период его низкой стоимости и последующей его продажи в период высокого спроса. В диссертации рассматриваются подземные хранилища газа и газового конденсата, которые в дальнейшем именуются подземные хранилища или сокращённо ПХГ.

В России эксплуатируется 22 ПХГ и строится 3 ПХГ в пористых структурах, предполагается строительство 10 ПХГ в отложениях каменной соли, надёжно покрывающих пиковые нагрузки в газопотреблении. Среди пиковых ПХГ следует отметить строящееся Волгоградское ПХГ с геометрическим объёмом 40950 тыс. м3 и проектируемое Березниковское ПХГ с объёмом 6300 тыс. м3.

Как показывает мировая и отечественная практика строительства и эксплуатации ПХГ, успешное решение сформулированных выше задач подземного хранения газа, возможно только при соответствующем обеспечении герметичности подземных хранилищ. Наряду с этим, высокие требования к герметичности предъявляются также с позиций промышленной и экологической безопасности работ. Для подземных хранилищ в пористых структурах и отложениях каменной соли, в одинаковой степени характерна возможная потеря герметичности в результате образования каналов миграции флюидов в затрубном пространстве породного массива, перекрывающего подземное хранилище. Существующие природные и образовавшиеся при строительстве ПХГ

• каналы миграции в дальнейшем расширяются при эксплуатации и вызывают межпластовые перетоки флюидов вплоть до образования грифонов на дневной поверхности. Таким образом, сформулированное в диссертации направление новых технических разработок по геомеханическому прогнозированию процессов образования и обоснованию способов ликвидации каналов миграции флюидов, обеспечивающих герметичность ПХГ, является актуальным.

Цель работы заключается в количественном прогнозировании процессов образования и ликвидации каналов миграции флюидов в затрубном пространстве подземных хранилищ, что повышает экономическую эффективность технологии подземного хранения газа.

Идея работы состоит в том, что геомеханические процессы в затрубном породном массиве, перекрывающем подземное хранилище, рассматриваются в качестве основного механизма каналообразования.

Основные научные положения. разработанные лично соискателем и их новизна:

1. Напряженно-деформированное состояние взаимодействующего с А конструкцией скважины породного массива формирует реактивное геомеханическое воздействие, сдерживающее процессы каналообразования в затрубном пространстве при изменении давления или температуры транспортируемого флюида.

2. Напряженно-деформированное состояние породного массива, подработанного подземным хранилищем, формирует активное геомеханическое неравнокомпонентное воздействие на затрубное пространство с коэффициентами анизотропии, которые могут быть больше единицы.

3. Количественное прогнозирование геомеханических процессов в затрубном пространстве показывает, что наиболее реальным механизмом каналообразования является сдвиг тампонажной оболочки по контакту с обсадной колонной в кровле подземного хранилища, где наиболее целесообразно использование технологии ликвидации каналов миграции нагретым пересыщенным рассолом.

Ш 4. Эффективность рекомендуемой технологии ликвидации каналов миграции в зонах искусственно созданной проницаемости подтверждается натурными замерами градиентов изменения давления рассола, которые позволяют также оценить объёмы ликвидированных каналов миграции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

• Применением апробированных методов геомеханики для анализа и прогнозирования геомеханических процессов в перекрывающих подземные хранилища породных массивах;

• Положительными результатами сопоставлениея прогнозных оценок каналообразования с результатами аналогичных исследований;

• Удовлетворительной согласованностью результатов лабораторных и производственных экспериментов по ликвидации каналов миграции флюидов.

Научное значение диссертации состоит в дальнейшем развитии существующих в геомеханике представлений о деформировании породных массивов, перекрывающих подземные хранилища.

Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по прогнозированию образования каналов миграции и их ликвидации в затрубном пространстве подземных хранилищ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Выводы и рекомендации работы реализованы при корректировке проектных решений подземных резервуаров проектируемого Астраханского комплекса, а также при составлении прогнозных оценок каналообразования в затрубном пространстве строящегося Волгоградского подземного хранилища газа.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в 2003 и 2004г. на семинарах отдела геомеханики ООО «Подземгазпром» и кафедры «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три печатных

• работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит список литературы из 72 наименований, 14 рисунков и 27 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Воробьёв, Герман Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические разработки по геомеханическому прогнозированию процессов образования и обоснованию способов ликвидации каналов миграции флюидов в затрубном пространстве подземных хранилищ, обеспечивающие решение важнейших прикладных задач эксплуатации этих хранилищ, повышающих экономическую эффективность технологии подземного хранения газа.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. В результате математического моделирования установлено, что технологические процессы строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа порождают во вмещающих и перекрывающих породных массивах геомеханические процессы, которые реализуются в виде силовых активных и реактивных воздействий, приводят к образованию в затрубном пространстве каналов миграции флюидов, т.е. вторичных каналов миграции техногенного происхождения наряду с уже существующими первичными каналами миграции природного происхождения.

2. Активные геомеханические силовые воздействия со стороны породного массива характеризуются параметрами напряжённо-деформированного состояния перекрывающего породного массива на расчётном горизонте: вертикальной деформацией sz массива, средним нормальным напряжением оср и коэффициентом анизотропии нормальных напряжений Я в плоскости расчётного горизонта.

3. Активные силовые и температурные воздействия со стороны внутритрубного пространства формируют одинаковый механизм каналообразования в затрубном пространстве и могут быть определены единым параметром- величиной условного внутритрубного давления Р.

4. Доказано, что наиболее опасные геомеханические процессы локализованы в кровле подземных хранилищ на уровне концевых участков обсадных колонн, где реализуется сдвиговый механизм разрушения контактов и образования кольцевых каналов на внутреннем контуре тампонажной оболочки.

5. В результате производственного эксперимента при гидравлических испытаниях подземного резервуара ПЕ-5А на ПХ-2 Астраханского газоконденсатного месторождения установлено, что технология ликвидации каналов миграции нагретым пересыщенным рассолом в большей степени по сравнению с другими технологиями подходит для ликвидации каналов миграции, локализованных в кровле подземных хранилищ на уровне концевых участков обсадных колонн.

6. Экспериментально подтверждена в лабораторных условиях эффективность «залечивания» каналов миграции в результате образования кристаллизационных структур в затрубном пространстве при напорной фильтрации нагретого пересыщенного рассола.

7. Разработанные рекомендации по прогнозированию образования каналов миграции и их ликвидации в затрубном пространстве подземных хранилищ газа использованы при корректировке проектных решений подземных резервуаров проектируемого Астраханского комплекса, а также при составлении прогнозных оценок каналообразования в затрубном пространстве строящегося Волгоградского ПХГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воробьёв, Герман Михайлович, 2004 год

1. Измайлов Л.Б., Булатов А.И. Крепление нефтяных и газовых скважин.-М.: Недра, 1976.

2. Булатов А.И. Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин.-М.: Недра, 1977.

3. Булатов А.И. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин.-М.-.Недра, 1983.

4. Измайлов Л.Б. Методы повышения долговечности обсадных колонн.-М.: Недра, 1984.

5. Булатов А.И., Рахимбаев Ш.М., Рябова Л.И. Коррозия тампонажного камня.-Краснодар, 1993.

6. Булатов А.И. Механика цементного камня нефтяных и газовых скважин.-Краснодар, 1994.

7. Серенко И.А., Сидоров Н.А., Кошелев А.Т. Повторное цементирование при строительстве и эксплуатации скважин.-М.:Недра, 1988.

8. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. Пер.с англ. и фр. (Под ред. В.Морри и Д.Фурментро)-М.: Мир, 1994.

9. L.Obert et D.E.Stephenson. Stress conditions under which core disking occurs. Trans. SME.V.232.1965.

10. Руководство по применению акустических и радиометрических методов контроля качества цементирования нефтяных и газовых скважин.-Уфа, 1978.

11. Руководство по исследованию качества цементирования скважин акустическим методом при избыточном давлении в обсадной колонне.-Шевченко, 1977.

12. Отчёт о НИР «Разработать совместно с фирмами ФНГ и УГС (Германия) специальные технологии подземного хранения углеводородов в отложениях каменной соли» Договор №06/99. ООО «Подземгазпром».-М., 1999.

13. Дедиков Е.В., Бухгалтер Л.Б., Будников Б.О. и др. Анализ воздействий объектов хранения газа на окружающую природную среду.-Газовая промышленность. ИРЦ. Газпром, М. 1997, 116с.

14. Зотов Г.А., Димков А.В., Черных В.А. Эксплуатация скважин в неустойчивых коллекторах.-М.: Недра, 1987

15. Касьянов Н.А., Соколовский Э.в., Шимкевич С.В. Результаты прогноза аварий на скважинах и порывов трубопроводных систем по геодинамическому фактору.-Нефтяное хозяйство, 1998, №9.

16. Колотов А.В., Кошелев А.Т. Причины нарушения целостности эксплуатационных колонн в группах скважин на нефтяных месторождениях Западной Сибири.-Серия «Техника и технология обустройства нефтяных месторождений».-М.: ВНИИЭНГ, 1990.

17. Отчёт о НИР «Анализ нарушений целостности эксплуатационных колонн на месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз»». Фонда ОАО «Сургутнефтегаз». 1996,112с.

18. Гриценко А.И., Зотов Г.А. Научно-прикладные геодинамические проблемы разработки месторождений природного газа.-Проблемы газодинамической безопасности. С-Петербург: ВНИМИ, 1997, с 186193.

19. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах.-М.: Недра,1979.

20. Еремеев Ю.А., Леонов Е.Г., Филатов Б.С., О сопротивляемости обсадных труб неравнокомпонентному сжимающему давлению соляных пород. «Нефтяное хозяйство», №1, 1974, с7~13,

21. Терновой Ю.В., Сергеев В.Н. и др. О деформации земной поверхности на разрабатываемом Северо-Ставропольском месторождении газа. Доклад А.Н. СССР, т.164-4,1985.

22. Тупысев М.К. Техногенные деформационные процессы при разработке газовых месторождений.-М., ИРЦ, Газпром, 1997.

23. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика.-М.: Недра, 1996.

24. Черных В.А. Влияние падения давления в залежи на деформацию пласта и массива окружающих горных пород.Разработка газовых месторождений с АВПД.-М.: ВНИИГАЗ, 1985.

25. Барях А.А., Кудряшов А.И., Ерёмина Н.А. и др. Оценка влияния разработки нефтяного месторождения на геодинамическое состояние недр.-ФТПРПИ, 1998, №2

26. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 1,2.- ФТПРПИ, 1998, №5, ФТПРПИ, 1999, №3

27. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти на изменение НДС горного массива. Часть 3.- ФТПРПИ, 2000, №3

28. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках.-М.: Углетехиздат, 1947.

29. Земисев В.Н. Расчёты деформациё горного массива.-М.: Недра, 1973.

30. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. Пер. с нем.- М.: Недра, 1978.

31. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород.- М.: Недра, 1989.

32. Иофис М.А., Шмелёв А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках.-М.: Недра, 1985.

33. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях.-М.: Недра, 1981.

34. Указания по охране зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок и по охране рудников от затопления в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей.-Л.: ВНИИГ. 1985.

35. СниП 2.01.09-91. Строительные нормы и правила. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадных грунтах.-М., 1998.

36. Розанов А.Б. Обоснование мер защиты наземного комплекса подземных хранилищ газа от подработки. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук.-МГГУ, 1999.

37. Смирнов В.И., Розанов А.Б., Баклашов И.В., Хлопцов В.Г. Оценка параметров сдвижения земной поверхности над ПХГ в каменной соли.-Газовая промышленность, 1998, №11.

38. Смирнов В.И., Розанов А.Б., Баклашов И.В., Хлопцов В.Г. Сдвижение подработанного массива при строительстве и эксплуатации ПХГ.-Газовая промышленность, 1999, №4.

39. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчёт крепей и обделок.-М.: Недра, 1979.

40. Gaulke К. Schiebestucklose Komplettirung von Gaskavernen. J,Erdol-Erdgas-Kohle,109 Jahrgang,Heft 4.1993

41. Проселков Ю.М. Теплоотдача в скважинах.-М.: Недра, 1975.

42. Гайворонский А.А., Цыбин А.А. Крепление скважин и разобщение пластов.-М.: Недра, 1981.

43. Измайлов Л.Б., Дулаев В.Х.-М., Абрамов А.А. К вопросу изучения давления под цементными мостами в процессе бурения.- В кн. «Техника и технология промывки и крепления скважин», тр. ВНИИБТ, вып.8.,1974.

44. Череменский Т.А. О зоне нарушения теплового состояния горных пород бурением скважин»-«изв. АН СССР. Сер. Геофиз.», 1960, №10

45. Измайлов Л.Б. Современные способы предупреждения повреждений обсадных колонн- Бурение.-М.: ВНИИОЭНГ, 1978.

46. Мамедов А.А. Нарушение обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения.-М.: Недра, 1974.

47. Мамедов А.А. Предотвращение нарушений обсадных колонн.-М.: Недра, 1990.

48. Сидоров Н.А., Григорьев В.И. О деформациях и напряжениях в обсадных колоннах скважин при высоких пластовых давлениях и температуре-В кн. «Некоторые вопросы крепления нефтяных и газовых скважин»-М.: ЦНИИТЭнефтегаз, 1962.

49. А.С.СССР.№907220. Ярыш А.Т., Никитченко В.Г. и др.-М., 1980.

50. А.С.СССР.№1710694. Никитченко В.Г., Кисельман М.Л. и др.-М., 1989.

51. А.С.СССР.№4710051/03. ЮрьевВ.А., Неудачин В.П. и др.-М., 1992.

52. А.С.СССР.№1709065. Устройство для установки пластыря в обсадной колонне. Ледяшов О.А., Петров С.В. и др.-М., 1992.

53. Никитченко В.Г и др. Установка для гофрирования труб.-Нефтяное хозяйство, 1986, №4.

54. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении.-М.: Недра, 1988.

55. Горбачёв В.М., Павельчак А.В. и др. Восстановление герметичности резьбовых соединений обсадных колонн в скважинах. Нефтяная промышленность. М., 1985, №9.

56. Курочкин Б.М. Применение многофункциональной добавки «Сломель» при ремонте скважин.-Газовая промышленность, 1993, №12.

57. Отчёт о НИР . Опробование методики электрохимического упрочнения затрубного пространства скважин с целью ликвидации заколонных перетоков газа.-ГАНГ, инв.№02930000781.

58. Богданов Ю.М., Борисов В.В. Ремонт скважин подземных резервуаров. Газовая промышленность, 1999,№11.

59. А.С.СССР.№1540186. Богданов Ю.М., Вишнивецкий Н.Н. Способ ремонта скважин подземных резервуаров.-М., 1989.

60. А.С.СССР. 1370909 Борисов В.В., Грохотов В.А. и др. Способ вторичного тампонирования скважин подземных резервуаров.-М., 1988.

61. А.С.СССР.№1778046 Борисов В.В. и др.Способ установки моста в скважине.-М., 1989.

62. А.С.СССР.№1702622 Богданов Ю.М.и др. Способ ремонта скважин подземных резервуаров.-М., 1991.

63. Отчёт о НИР «Оказание технической помощи при эксплуатации подземного хранилища этилена на ОАО «Саянскхимпром». Договор №80/23-98, ООО «Подземгазпром»,-М. 1998.

64. Воробьёв Г.М., Баклашов И.В. Геомеханическое обоснование механизма каналообразования в затрубном пространстветехнологических скважин подземных хранилищ углеводородов. М.: МГГУ, ГИАБ,2003, №5

65. Воробьёв Г.М. Экспериментальные исследования по ликвидации каналов миграции флюидов в затрубном пространстве технологических скважин подземных хранилищ углеводородов.-М.: МГГУ, ГИАБ,2003, №4.

66. Заключение по результатам интерпретирования материалов ГИС скв.5А пл. АГКМ (ПХ- размыв) от 16-17.01.2003. ОАО ПКФ «Аксоль» ПФ «Астраханьгазгеофизика».

67. Богданов Ю.М., Воробьёв Г.М., Давыдова Н.В., Игошин А.И., Смирнов В.И. Восстановление герметичности затрубного пространства скважин ПХ в каменной соли. М., Газовая промышленность, №2,2004