Лаборатория «Геомеханика и флюидодинамика»

Барышников Николай Александрович к.ф.-м.н.

заведующий лабораторией

Лаборатория была создана в 1993г., когда было принято решение о развитии в Институте работ по тематике, связанной с геомеханикой нефте- и газо-содержащих 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 1998 г. лаборатория была реорганизована включением в ее состав группы сотрудников лаборатории д.ф.-м.н. А.Н.Ромашова.

Основным направлением исследований в лаборатории является изучение взаимосвязанных сейсмодеформационных и флюидодинамических процессов в земной коре.

Темы исследований:

• физика взаимодействия деформационных режимов блочного породного массива, содержащего месторождение углеводородов, и режимов эксплуатации месторождения;
• динамика изменения напряженно-деформированного состояния и проницаемости коллектора в ходе эксплуатации месторождения;
• новые методы сейсмического мониторинга месторождений.

В лаборатории проводится изучение техногенной сейсмичности, вызванной различными видами воздействий на недра (разработкой месторождений твердых полезных ископаемых и углеводородов, взрывными воздействиями и т.д.), ведутся экспериментальные исследования фильтрационных процессов и сейсмоакустических явлений.

Среди наиболее значимых результатов работ лаборатории можно выделить следующие:

1. Кинетика техногенной сейсмичности. 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. Результат получен путем нелинейного анализа сейсмичности в районе ряда месторождений углеводородов, рудных полезных ископаемых, при проведении крупномасштабных взрывов, при вибрационном воздействии. Показано, что техногенная сейсмичность является более предсказуемой, чем естественная, и существует возможность создания технологии управления сейсмическим режимом. Наблюдаемое возрастание упорядоченности сейсмического процесса объясняется в рамках модели rate-state уменьшением критических напряжений в разломных зонах при техногенном воздействии.

   

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

   

      

    

   

   Изменение аттрактора динамической системы, описываемой двухпараметрическим уравнением rate-state, при изменении критических напряжений воздействием.

2. Локализация деформации в слабосвязных средах. Путем лабораторного моделирования проведено изучение закономерностей опускания земной поверхности при различных условиях извлечения жидкости из недр. Исследовано влияние вязкости жидкости, заполняющей коллектор, темпа отбора жидкости, мощности и сжимаемости коллекторов на формирование области декомпресии. Наиболее значимыми результатами являются установление факта возникновения в вышележащих слоях пород «арочных» конструкций, формируемых поверхностями локализации сдвиговой деформации, и определение условий их разрушения вибрационными воздействиями. Найдено расстояние между зонами откачки, при котором над областями декомпрессии возникает единая арочная конструкция. Обнаружено отсутствие зависимости скорости роста поверхностей локализации деформации от скорости деформирования в исследованных пределах. Скорость развития локализации деформации равна 31 мм/сек или 9530 км/год, что попадает в диапазон скоростей деформационных волн, регистрируемых по косвенным признакам в верхних частях земной коры. Полученные результаты могут быть использованы при построении геомеханических моделей деформационных процессов при разработке месторождений углеводородов.

   

   Схема лабораторного стенда для моделирования развития области декомпрессии над коллектором при извлечении углеводородов и определения условий разрушения такой области динамическими воздействиями.

   

   Развитие поверхностей локализации деформации в сыпучей среде при локальном растяжении по основанию.

3. Дискриминация техногенной и естественной сейсмичности. На основе анализа каталогов естественных и заведомо техногенных сейсмических явлений разработаны принципы дискриминации естественной и техногенной сейсмичности. Дискриминация проводится путем определения параметров графика повторяемости, оценки пространственной и временной группируемости событий, определения типа и фрактальных размерностей динамической системы, соответствующей рассматриваемому сейсмическому процессу. Признаком техногенной активизации сейсмических процессов является также пространственная миграция гипоцентров землетрясений (микроземлетрясений) по отношению к области воздействия (приближение – удаление). Наряду с определением изменений характеристик сейсмической активности, для решения вопроса о техногенности сейсмических событий необходимо иметь данные о режиме воздействия на недра и оценить корреляционные связи между воздействием и сейсмичностью. Показано, что 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). Установлено, что такая задержка определяется динамикой падения пластового давления и мерами по его поддержанию. По отношению к началу закачки жидкости появление сейсмичности отстает на 5 – 10 лет, а максимальные землетрясения – на 10 – 15 лет. Время до появления сейсмических событий уменьшается при больших значениях исходного порового давления и напряжений в массиве.

   

4. Связь флюидодинамических и сейсмических процессов. На основе данных лабораторных экспериментов по инициированию микросейсмичности при изменении порового давления предложена модель, описывающая связь процесса микросейсмической эмиссии с изменением порового давления во времени, которая основана на предположении о том, что разрушение среды и/или смещение по существующим трещинам происходят при достижении поровым давлением некоторой пороговой величины, которая распределена в соответствии с распределением Вейбула. Результаты работы служат основой использования данных по изменению микросейсмической активности во времени и пространстве для оценки пространственного распределения проницаемости пласта.

   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. В эксперименте найдено, 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.

   

   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.