Лаборатория ГЕОМЕХАНИКИ И ФЛЮИДОДИНАМИКИ

Лаборатория ГЕОМЕХАНИКИ И ФЛЮИДОДИНАМИКИ

| | |
| --- | --- |
| Руководитель: | Барышников Николай Александрович |
| Должность: | заведующий лабораторией |
| Местоположение: | 119334, г. Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1 |
| Адрес сайта: | |
| Электронная почта: | |
| | |

Основным направлением исследований в лаборатории является изучение фундаментальных механизмов реакции флюидонасыщенных систем на техногенное воздействие, в том числе при интенсификации нефтедобычи и при использовании геотермальной энергии. Проблема прогнозирования реакции подземных флюидных систем на техногенное воздействие приобретает все большую значимость в связи с широким введением в эксплуатацию нетрадиционных месторождений нефти и газа и реализацией проектов по использованию геотермальных источников энергии. Перераспределение порового давления в результате активного недропользования (проведения множественного гидроразрыва пласта, эксплуатация подземных газовых хранилищ, захоронение углекислого газа, получение геотермальной энергии) приводит к изменению естественного напряженно-деформированного состояния породного массива и возникновению негативных и потенциально катастрофических явлений - деформаций земной поверхности и техногенной сейсмичности. В то же время возникающая в процессе разработки сейсмичность может быть использована для получения дополнительной информации о строении горного массива, его фильтрационных свойствах, анизотропии, существовании и характере естественной и созданной трещиноватости, локации разломов и неоднородностей. Работы, проводимые в лаборатории, включают в себя численное и физическое моделирование различных природных и техногенных процессов, сопровождаемых переносом флюида, перераспределением порового давления во флюидонасыщеном коллекторе, приводящем к изменению его напряжённого состояния, механических и фильтрационных свойств.

В настоящее время в лаборатории проводятся работы:

Численное моделирование скольжения по тектоническому разлому с двухпараметрическим законом трения. Исследование условий перехода асейсмического режима скольжения к сейсмогенерирующему при закачке жидкости.

Лабораторное моделирование распространения поля порового давления при проведении ГРП пласта в моделях неоднородного коллектора с нелинейными механическими свойствами.

Экспериментальное исследование влияния величины раскрытия трещины гидроразрыва на прохождение акустических волн.

Разработка модели образования и распространения микросейсмических событий при закачке и извлечении жидкостей, проведении гидроразрыва пласта в целях оценки фильтрационных параметров среды.

Построение модели образования трещин в насыщенном цифровом керне на микроуровне на основе данных гранулированного состава, структуры, а также механических и фильтрационных свойств исследуемых образцов горных пород. Решение задач связи разрушения породы на микроуровне с развитием множественных макротрещин.

Экспериментальное и численное моделирование транспорта свободного газа, выделяющегося при разложении газогидратов в донных отложениях континентального шельфа, изучение его влияния на нелинейность фильтрационных свойств середы.

Работы проводятся в рамках:

темы № 122032900167-1 Государственного задания «Разработка прогнозных моделей реакции флюидных систем земной коры на техногенное воздействие»;

проекта РНФ № 22-27-00643 Исследование распространения и заполнения трещин гидроразрыва при помощи ультразвукового просвечивания;

проекта РНФ № 22-67-00025 Натурные исследования, экспериментальное и математическое моделирование газодинамических процессов в системе донные отложения-водная толща на арктическом шельфе России;

Для решения ряда научных проблем в интересах ряда сервисных и нефтедобывающих компаний, создан уникальный комплекс экспериментальных установок для проведения лабораторного ГРП в условиях истинно трехмерного напряженного состояния, изучения микросейсмичности, сопровождающей ГРП, исследований нелинейности фильтрационных свойств пористых сред. Выполнен комплекс лабораторных экспериментов с учетом критериев подобия, в которых найдены условия переориентации трещин ГРП из-за изменения напряженного состояния, вызванного разработкой месторождения, показана необходимость учета проницаемости горных пород и дополнительных сжимающих «обратных» напряжений, вызванных диффузией давления жидкости из создаваемой трещины в породу, исследованы особенности фильтрации жидкости в низкопроницаемых породах с учетом влияния напряженного состояния.

Комплекс лабораторных установок для исследований флюидодинамики в условиях сложного напряженного состояния

Найдены условия переориентации трещин ГРП из-за изменения напряженного состояния, вызванного разработкой месторождения. Показано, что возмущение поля напряжений трещинами, созданными ранее, приводит к отклонению трещины ГРП от исходного направления. Продемонстрирован рост трещин автоГРП на нагнетательных скважинах при закачке жидкости с постоянным давлением, меньшим давления гидроразрыва. Показана необходимость учета проницаемости горных пород и дополнительных сжимающих «обратных» напряжений, вызванных диффузией давления жидкости из создаваемой трещины в породу. Получено подтверждение влияния граничных условий на величину этих напряжений.

Трещина ГРП в модельном пласте

Разработан способ анализа сейсмического режима при помощи введения фазовых координат, который позволяет выявлять устойчивые состояния сейсмического процесса. Обнаружено, что техногенное воздействие на недра приводит к повышению упорядоченности, детерминированности сейсмического процесса, по сравнению с естественной сейсмичностью. Показано, что техногенная сейсмичность является более предсказуемой, чем естественная, и существует возможность создания технологии управления сейсмическим режимом. Техногенная сейсмичность на разрабатываемых месторождениях углеводородов появляется, в среднем, через 10 – 20 лет после начала разработки месторождений, при этом наиболее сильные землетрясения происходят еще на десять лет позже (через 20 – 30 лет после начала работ).

Изменение сейсмической активности в районе Ромашкинского месторождения нефти в обычных и фазовых координатах.

Разработана численная модель, позволяющая решать связную задачу о фильтрации и изменении порового давления в коллекторе, обладающем двойной пористостью, и сопутствующей техногенной сейсмичности, рассчитывать перемещения в системе трещин и их взаимное влияние. Для описания перемещений используется двухпараметрический закон трения с разупрочнением. Найдены значения геомеханических параметров пород, при которых возможно усиление техногенной сейсмической активности спустя месяцы после прекращения закачки.

Изменение сейсмической активности, рассчитанной в соответствии с двухпараметрической моделью rate-state для «естественного» (темные столбики) и «индуцированного» (светлые столбики) случаев.

Найдены условия перехода от медленных к сейсмогенерирующим подвижкам по тектоническому разлому в результате закачки жидкости через скважину, находящуюся вблизи разлома. Движения по разлому, вызванные изменением порового давления жидкости, могут происходить в форме медленных подвижек или приводить к землетрясениям. Реализация того или иного типа движения определяется параметрами закачки и условиями на разломе. Выполнены численные расчеты, в которых моделировались последствия закачки жидкости длительностью от 1.5 месяцев до 6 лет. В расчетах варьировались объем закачанной жидкости, расход при закачке, фрикционные свойства разлома, касательные напряжения на разломе. Найдено, что при определенных комбинациях параметров разлома и расхода жидкости возникают сейсмогенерирующие подвижки. Переход к такому режиму в рамках рассмотренной модели происходит скачкообразно, дальнейшее увеличение скорости закачки не приводит к росту скорости сейсмогенерирующей подвижки, достигающей значений 0,1-1 м/сек в зависимости от тектонических напряжений.

Максимально достигаемая скорость скольжения в зависимости от скорости изменения давления и скорости роста области скольжения. Цветом обозначено расстояние от центра разлома до точки, в которой достигается максимальная скорость скольжения.

В результате проведения теоретических оценок и лабораторных экспериментов по изучению разрушения пористого материала при быстром сбросе порового давления найдено, что за счет разных скоростей изменения напряжений в твердом скелете и диффузии порового давления в пористой среде могут возникнуть значительные растягивающие напряжения, приводящие к разрушению. Показано, что наибольшие разрушения наблюдаются в том случае, когда пористая среда насыщена двухфазным флюидом с выраженной границей между жидкостью и газом, причем количество образующихся трещин линейно растет с увеличением начального порового давления. Предложена модель, описывающая связь процесса микросейсмической эмиссии с изменением порового давления во времени.

Установка для изучения связи микросейсмичности с изменением порового давления. Изменение проницаемости модельного коллектора на разных расстояниях от точки закачки жидкости в серии последовательных циклов закачки.

Турунтаев Сергей Борисович

Директор

+7 (499) 137-6611

geospheres@idg.ras.ru

Барышников Николай Александрович Заведующий лабораторией Array

Беляков Георгий Васильевич Старший научный сотрудник Array

Зенченко Евгений Викторович Старший научный сотрудник

Таирова Алия Алиевна Старший научный сотрудник Array

Юдочкин Никита Анатольевич Младший научный сотрудник

Николаев Михаил Юрьевич Научный сотрудник Array

Тримонова Мария Александровна Научный сотрудник

Рига Василий Юрьевич Младший научный сотрудник

Зенченко Петр Евгеньевич Младший научный сотрудник

Начев Виктор Андреевич Младший научный сотрудник

Новикова Елена Валерьевна Младший научный сотрудник

1. Baryshnikov, N.A., Zenchenko, E. V., Turuntayev, S.B.. Dependence of effective permeability on pore pressure gradient at low flow rates in low-permeability limestone. Interpretation 11, T1–T6. https://doi.org/10.1190/INT-2021-0110.1

2. Borisov, V.E., Zenchenko, E.V., Kritsky, B.V., Savenkov, E.B., Trimonova, M.A., Turuntaev, S.B., 2020. Numerical Simulation of Laboratory Experiments on the Analysis of Filtration Flows in Poroelastic Media. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences 16–31. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2020-1-16-31

3. Dubinya, N., Trimonova, M., Tyurin, A., Golovin, Y., Zenchenko, E., Samodurov, A., Turuntaev, S., Fokin, I., 2018. Experimental and Theoretical Study of Fracture Toughness Effect on Hydraulic Fracture’s Geometry, in: Day 2 Tue, October 16, 2018. SPE. https://doi.org/10.2118/191630-18RPTC-MS

4. Kitov, I.O., Turuntaev, S.B., Konovalov, A. V., Stepnov, A.A., Pupatenko, V. V., 2019. Use of Waveform Cross Correlation to Reconstruct the Aftershock Sequence of the August 14, 2016, Sakhalin Earthquake. Seismic Instruments 55, 544–558. https://doi.org/10.3103/S0747923919050074

5. Konovalov, A. V., Stepnov, A.A., Turuntaev, S.B., 2022. Possible Connection Between Recent Seismicity and Fluid Injection in the Offshore Oil and Gas Field Area of Sakhalin Island, Russia. Pure Appl Geophys 179, 4233–4243. https://doi.org/10.1007/s00024-022-03006-y

6. Nachev, V.A., Kazak, A.V., Turuntaev, S.B., 2019. PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING OF MECHANICAL PROCESSES OF ROCK FRACTURING AT THE MICRO- AND NANO-SCALES. PROneft’. Proffessional’no o nefti 4, 48–55. https://doi.org/10.24887/2587-7399-2019-4-48-55

7. Novikova, E.V., Trimonova, M.A., 2021. Determination of The Fluid Loss Properties of Samples for Different Flow Regimes Based on The Data of Laboratory Experiments on Hydraulic Fracturing, in: Geomodel 2021. European Association of Geoscientists & Engineers, pp. 1–5. https://doi.org/10.3997/2214-4609.202157086

8. Novikova, E. V., Trimonova, M.A., Turuntaev, S.B., Zenchenko, E. V., Zenchenko, P.E., 2023. Backstress Influence on the Formation Stress Field in Hydraulic Fracturing Experiments. Geosciences (Basel) 13, 153. https://doi.org/10.3390/geosciences13060153

9. Putans, V.A., Trimonova, M.A., Merklin, L.R., 2023. Hidden hydrosphere under the Caspian Sea: Geophysical evidence and sea-level influence. Interpretation 11, T181–T188. https://doi.org/10.1190/INT-2021-0102.1

10. Riga, V.Yu., Turuntaev, S.B., 2021. Induced Seismicity Modeling Based on Two-Parameter Rate-and-State Law. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 57, 627–643. https://doi.org/10.1134/S1069351321050153

11. Trimonova, M.A., Zenchenko, E. V., Zenchenko, P.E., Turuntaev, S.B., Baryshnikov, N.A., 2020. Experimental Confirmation of the Existence of the Lag in the Hydraulic Fracture. pp. 1934–1942. https://doi.org/10.1007/978-981-13-7127-1_182

12. Turuntaev, S.B., Zenchenko, E. V., Zenchenko, P.E., Trimonova, M.A., Baryshnikov, N.A., Novikova, E. V.. Hydraulic Crack Growth Dynamics from Ultrasound Transmission Monitoring in Laboratory Experiments. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 57, 671–685. https://doi.org/10.1134/S1069351321050207

13. Zenchenko, E.V., Trimonova, M.A., Turuntaev, S.B.. Laboratory modeling of hydraulic fracturing and related processes. Neftyanoe khozyaystvo - Oil Industry 10, 68–71. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2019-10-68-71

14. Zenchenko, E. V., Zenchenko, P.E., Nachev, V.A., Turuntaev, S.B., Chumakov, T.K.,. Concurrent Active Acoustic and Deformation Monitoring of a Hydraulic Fracture in Laboratory Experiments. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 59, 468–476. https://doi.org/10.1134/S1069351323030138

Лаборатория была создана в 1993 г., когда было принято решение о развитии в Институте работ по тематике, связанной с геомеханикой нефте- и газосодержащих породных массивов. Основу лаборатории составили сотрудники лаборатории профессора д.ф.-м.н. В. Н. Родионова, который являлся инициатором и вдохновителем работ по изучению поведения горного массива в ходе разработки месторождений углеводородов.

В настоящее время научный коллектив лаборатории составляет: 1 ведущий и 3 старших научных сотрудников, трое из которых обладают степенью кандидата физико-математических наук, 3 научных и 6 младших научных сотрудников, в том числе 3 аспиранта. Доля научных работников младше 40-ка лет в лаборатории составляет 77%.