Исследование распространения и заполнения трещин гидроразрыва при помощи ультразвукового просвечивания

Исследование распространения и заполнения трещин гидроразрыва при помощи ультразвукового просвечивания

Конкурс РНФ 2021 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Проект № 22-27-00643

«Исследование распространения и заполнения трещин гидроразрыва при помощи ультразвукового просвечивания»

Сроки выполнения проекта

2022-2023

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

д.ф.-м.н. Турунтаев Сергей Борисович

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

3 млн. рублей

Аннотация

Гидравлический разрыв пласта является основным методом интенсификации добычи углеводородов, причем его роль возрастает по мере перехода к разработке трудноизвлекаемых запасов, месторождений в сланцевых породах, баженовской и доманиковской свитах. Усложнение технологии проведения гидроразрыва предъявляет требования к усложнению расчетных моделей, используемых при планировании и проведении работ. Проверка справедливости предположений, используемых в теоретических моделях, возможна только путем проведения контролируемых экспериментах в лабораторных условиях. В этих экспериментах важным является использование методов измерения, не оказывающих влияния на изучаемый процесс, с одной стороны, и позволяющих получить максимальную информацию, с другой стороны. Коллектив проекта несколько лет проводит экспериментальное изучение гидроразрыва на оригинальной установке, позволяющей работать в условиях трёхосного нагруженная на образцах цилиндрической формы достаточно большого диаметра (430 мм) и высотой 70 мм. В последних экспериментах нами было использование ультразвуковое просвечивание образцов в ходе образования гидроразрыва и заполнения его жидкостью. Были получены интересные результаты, требующие развития этого метода и его тестирования в специальных экспериментах с контролируемой апертурой раскрытия трещин гидроразрыва, контролируемым заполнением его жидкостью, контролируемой площадью контактов между берегами трещины при неполном ее смыкании. Будет изучено влияние вышеперечисленных фактов на параметры проходящих через трещину ультразвуковых импульсов. Предлагаемый метод позволит также определить возможность образования "мостиков" неразрушенной породы, которые могут возникать при образовании трехмерной трещины. Наряду с экспериментами предполагается проведение расчетов прохождения упругих волн через трещины с неполным разрушением материала и разным заполнением жидкостью.

при поддержке

Разработка метода использования импульсного ультразвукового прозвучивания для определения динамики формирования трещин гидроразрыва, их раскрытия и заполнения жидкостью. Изучение возможности формирования неразрушенных участков при образовании трехмерных трещин.

при поддержке

В основе выполнения проекта лежит метод лабораторного моделирования образования и распространения трещины гидроразрыва. Исследования будут проводится на установке трехосного нагружения, разработанной в ИДГ РАН. Конструктивно установка состоит из двух горизонтальных оснований из нержавеющей стали толщиной 75 мм и диаметром 750 мм, между которыми расположена боковина с внутренним диаметром 430 мм. Основания между собой стягиваются шпильками, образуя рабочую камеру диаметром 430 мм при высоте 70 мм. В основаниях и боковине имеется ряд отверстий, которые могут использоваться для монтажа пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей, присоединения датчиков давления, а также для подачи рабочих жидкостей. В качестве модельного материала в данной установке будет использоваться смесь гипса с добавлением портландцемента, которая заливается в рабочий объем установки при снятом верхнем основании. Вопросы подобия и адекватности используемого модельного материала и параметров эксперимента применительно к гидроразрыву в полевых условиях, были рассмотрены в работе [Trimonova M., Baryshnikov N., Zenchenko E., Zenchenko P., Turuntaev S. The Study of the Unstable Fracure Propagation in the Injection Well: Numerical and Laboratory Modeling. SPE-187822-MS, 2017]. Во время отливки образца в нем формируется центральная рабочая скважина, в которую во время проведения эксперимента подается жидкость гидроразрыва с постоянным заданным расходом, а также две вспомогательных, предназначенных для насыщения образца поровой жидкостью.

При сборке установки поверхность образца накрывается резиновой мембраной, поверх которой устанавливается верхнее основание. При этом между мембраной и основанием сохраняется небольшой зазор толщиной около 2 мм, который в ходе эксперимента заполняется водой под заданным давлением, создаваемым буферным объемом сжатого азота, что обеспечивает необходимое вертикальное напряжение в образце. Для задания горизонтальных напряжений на внутренней поверхности боковины были смонтированы четыре герметичные камеры из тонкой листовой меди со штуцерами, выведенными наружу через отверстия в боковине. Угловая длина каждой камеры составляет 80°. Штуцеры диаметрально противоположных камер соединяются между собой. Необходимые давления в парных камерах создаются при помощи ручного масляного насоса. Все четыре камеры также можно соединять между собой, чтобы создать равнокомпонентное поле горизонтальных напряжений.

Мониторинг трещины гидроразрыва осуществляется путем регистрации ультразвуковых импульсов, проходящих через образец во время её роста. Сигналы с преобразователей подаются на предусилители, после чего регистрируются скоростным АЦП Е20-10 производства Л-Кард с частотой дискретизации 2,5 МГц на канал с непрерывной записью на жесткий диск компьютера. Ультразвуковые импульсы возбуждаются путём подачи на пьезопреобразователь электрических импульсов амплитудой около 200 В с задаваемым периодом повторения в диапазоне 20-1000 мс. Резонансная частота пьезопреобразователей составляет примерно 250 кГц. Помимо основного эксперимента на большой установке, также будут проведены калибровочные эксперименты по прохождению ультразвуковых импульсов через щель контролируемой апертуры между прецизионными цилиндрами из оптического стекла, заполненную жидкостью. Целью этих экспериментов является установление зависимостей параметров прошедшего ультразвукового импульса от апертуры щели и свойств заполняющей жидкости.

Другая серия предварительных экспериментов будет проведена на цилиндрических образцах из того же материала, что и большой образец, но небольшого размера, диаметром 105 мм и высотой 60 - 100 мм. В ходе этих экспериментов в образце будет создаваться круговая трещина гидроразрыва, перпендикулярная оси цилиндра и выходящая на поверхность его образующей. Контролируя апертуру образовавшейся трещины, также будут исследованы параметры ультразвуковых импульсов, проходящих через нее. Целью этих экспериментов будет построение зависимостей параметров прошедшего ультразвукового импульса от апертуры щели и свойств заполняющей жидкости и сравнение их с идеальным случаем гладких поверхностей. Полученные закономерности позволят в дальнейшем устанавливать параметры трещин гидроразрыва, получаемых на большой установке.

при поддержке

2022 г.

Проведена серия лабораторных экспериментов по совместному активному акустическому и деформационному мониторингу трещины гидроразрыва. Эксперименты проводились в модельном материале на основе гипса. Для сравнения были выполнены эталонные эксперименты по исследованию прохождения ультразвуковых волн через заполненную жидкостью щель контролируемой ширины между двумя прецизионными стеклянными пластинами. Целью экспериментов было исследование зависимости амплитуды ультразвуковой волны, прошедшей через трещину от величины её раскрытия. В этих экспериментах создавалась круговая трещина гидроразрыва, плоскость которой была перпендикулярна оси цилиндрического образца. Вдоль этой же оси располагалась обсаженная нагнетательная скважина, заканчивающаяся на середине его высоты. Образец располагался между двумя дисками из алюминиевого сплава, оснащенных вмонтированными в них пьезокерамическими преобразователями, работающими как в режиме излучателя, так и режиме приемника. Через канал в нижнем диске осуществлялась подача рабочей жидкости в трещину. Через верхний диск производилось насыщение образца поровым флюидом. Вся сборка помещалась в гидравлический пресс, обеспечивающий постоянное сжимающее усилие. Величина раскрытия трещины изменялась в зависимости от расхода жидкости, подаваемой в центр трещины, и измерялась по относительному изменению расстояния между дисками сборки при помощи индукционных преобразователей перемещения. Также были проведены эксперименты, моделирующие трещину, заполненную проппантом. В этом случае апертура трещины изменялась в зависимости от приложенного вертикального давления на образец. По результатам экспериментов, проведённых в различных условиях, были построены зависимости амплитуды ультразвуковой волны, прошедшей через трещину. Экспериментально установлено, что поглощение звука в трещине гидроразрыва, обладающей естественной шероховатостью, вдвое ниже, чем в зазоре между прецизионными стеклянными пластинами. Полученные результаты позволят оценить величину раскрытия трещины гидроразрыва в лабораторных экспериментах, проводимых на образцах большего размера с использованием активного акустического мониторинга.

2023 г.

Проведены эксперименты по исследованию взаимодействия трещины гидроразрыва с протяженным нарушением, созданным в модельном образце в процессе его изготовления. Для обеспечения интерпретации их результатов были проведены дополнительные калибровочные эксперименты по совместному ультразвуковому и деформационному мониторингу трещины гидроразрыва. Особенностью этих экспериментов являлось исследование ослабления ультразвуковых волн при их прохождении через трещину, заполненную жидкостью, при наклонном падении. Результаты этих измерений были использованы в дальнейших исследованиях при расчете величин раскрытия трещин.

Основные эксперименты проводились на установке трехосного нагружения, разработанной в ИДГ РАН, позволяющей проводить исследования на образцах искусственного пористого материала, подобранного в соответствии с критериями подобия. Образцы имеют форму дисков диаметром 430 мм и высотой 72 мм, установка позволяет нагружать образцы по трем независимым осям, создавать градиенты порового давления, измерять поровое давление жидкости на сетке точек, регистрировать акустическую эмиссию, зондировать образец акустическими импульсами. В этих экспериментах для исследования взаимодействия распространяющейся трещины гидроразрыва с имеющимися в среде естественными трещинами, была разработана методика изготовления образцов, содержащих искусственные границы раздела. Предполагается, что эта методика также может быть использована для изготовления образцов, содержащих множественные неоднородности, отличающиеся от основного образца, как составу, так и имеющие разные по свойствам границы раздела. Было показано экспериментально, что при пересечении трещиной гидроразрыва естественной трещины, последняя ограничивает её распространение. Это происходит из-за утечек жидкости гидроразрыва в естественную трещину. Обе трещины образуют единую гидравлическую систему, практически одновременно реагирующую на повторное раскрытие трещины гидроразрыва, но степень реагирования уменьшается с общим расстоянием от рабочей скважины. Это проявляется в зависимостях изменения, как давления, так и раскрытия трещин от времени на различных расстояниях. По этим зависимостям видно, что и раскрытие трещины, и давление в окрестности точки измерения давления вблизи конца трещины гидроразрыва начинают изменяться только после достижения максимума давления в рабочей скважине. Это изменение начинается с небольшого спада начального порового давления перед последующим его ростом. Этот спад обусловлен притоком поровой жидкости из окружающего массива в расширяющуюся трещину. Отставание фронта жидкости от носика трещины (fluid lag) также наблюдалось ранее в экспериментах, проводимых на описываемой установке. После достижения максимального раскрытия его величина держится на примерно постоянном уровне и начинается уменьшаться после остановки закачки.

Публикации :

Зенченко Е.В., Зенченко П.Е., Начев В.А., Турунтаев С.Б., Чумаков Т.К. СОВМЕСТНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ И ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ Физика Земли, № 3. – С. 148-157 (2023) https://doi.org/10.31857/S0002333723030134


Зенченко Е.В., Зенченко П.Е., Начев В.А., Турунтаев С.Б., Чумаков Т.К. 2. Акустическое и деформационное исследование раскрытия трещины гидроразрыва в пороупругом модельном материале Нефтяное хозяйство, № 11, С. 100-103 (2023) https://doi.org/10.24887/0028-2448-2023-11-100-103

Зенченко Е.В., Зенченко П.Е., Начев В.А., Турунтаев С.Б., Чумаков Т.К. Исследования взаимодействия трещины гидроразрыва с протяженным нарушением массива в лабораторных экспериментах Геофизика, № 6, С. 9-15 (2023) https://doi.org/10.34926/geo.2023.52.12.002

Зенченко Е.В., Турунтаев С.Б., Начев В.А., Чумаков Т.К., Зенченко П.Е. Study of the Interaction of a Hydraulic Fracture with a Natural Fracture in Laboratory Experiment Based on Ultrasonic Transmission Monitoring Preprints, 2023121005 (2023) https://doi.org/10.20944/preprints202312.1005.v1

при поддержке

По любым вопросам можно связаться с

Турунтаевым Сергеем Борисовичем
stur@idg.ras.ru
+7 (499) 137 6611

Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1

при поддержке