Лаборатория геомеханики. Юбилейные материалы и достижения 2015–2025 к 60-летию ИПМех РАН
Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.
- Экспериментальные и теоретические исследования по изучению деформирования анизотропных горных пород за пределом упругости в условиях сложного неравнокомпонентного трехосного нагружения
Выполнены экспериментальные исследования на Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН) по изучению деформирования анизотропных горных пород за пределами упругости в условиях сложного неравнокомпонентного трехосного нагружения.
Предложена модель деформирования и разрушения слоистых горных пород, обладающих анизотропными прочностными свойствами. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния в прискважинной зоне пласта, которая включает описание упругого деформирования породы, перехода в неупругую область и дальнейшего упруго-пластического поведения. Для описания перехода горных пород в неупругое состояние выбрана модель Друкера–Прагера, обеспечивающая возможность описывать процесс пластического течения для материалов с упрочнением.
Испытательная система трехосного
независимого нагружения (ИСТНН)
Модернизированная Испытательная система
трехосного независимого нагружения (ИСТНН-2)
Анизотропная (слоистая) горная порода
Образец слоистого песчаника после
моделирования на установке ИСТНН
разрушения породы в окрестности
наклонной нефтяной скважины при бурении
- Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Гавура А.В., Шафиков Р.Р.
О необходимости учета анизотропии прочностных и фильтрационных свойств пород при геомеханическом моделировании скважин
// Нефтяное хозяйство. 2016. № 11, С. 114-117.
www.elibrary.ru/item.asp?id=27297982
- Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
Модель разрушения анизотропных горных пород при сложном нагружении
// Физ. мезомех. 2016. Т. 19. № 6. С. 34-40.
www.elibrary.ru/item.asp?id=27519085
= Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Y.F., Ustinov K.B.
Fracture model of anisotropic rocks under complex loading
// Phys. Mesomech. 2018. V. 21. No 3. P. 216-222.
DOI: 10.1134/s1029959918030050
- Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
Моделирование деформирования и разрушения анизотропных пород вблизи горизонтальной скважины
// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. № 3. С. 12-21.
www.elibrary.ru/item.asp?id=29715400
= Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B.
// J. Min. Sci. 2017. V. 53. No. 3. P. 425-433.
DOI: 10.1134/s1062739117032319
- Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Yu.F.
Modeling Geomechanical Processes in Oil and Gas Reservoirs at the True Triaxial Loading Apparatus.
In book: Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. Springer, 2018. P. 336-350.
DOI: 10.1007/978-3-319-77788-7_35
- Геомеханические аспекты добычи «глубокой нефти»
В условиях реальных истинно трехосных напряженных состояний на установке ИСТНН проведены испытания образцов, изготовленных из керна ряда месторождений с глубин 6–6,5 км. Впервые на установке ИСТНН выполнено физическое моделирование процесса понижения давления в глубоких (более 6 км) скважинах с разной конструкцией забоя. Опыты показали, что деформационно-прочностные свойства исследованных пород лежат в тех же диапазонах, что и у пород со значительно меньших глубин. Установлено, что, несмотря на высокую прочность горных пород, при определенной геометрии забоя возможно добиться растрескивания, дезинтеграции породы и создания в ней искусственной системы трещин с высокой проницаемостью. Полученные результаты имеют важное значение для создания новых технологий разработки глубоко залегающих месторождений, а также снижения рисков при бурении и эксплуатации скважин на больших глубинах.
Изучение на установке ИСТНН упруго-пластических,
реологических, прочностных и фильтрационных
свойств горных пород разных литотипов
с глубоких горизонтов
- Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф.
Экспериментальное исследование влияния неравнокомпонентного трехосного напряженного состояния на проницаемость горных пород
// Изв. РАН. МТТ. 2015. № 6. С. 39-48.
mtt.ipmnet.ru/ru/Issues/2015/6/39
= Klimov D.M., Karev V.I., Kovalenko Yu.F.
Experimental Study of the Influence of a Triaxial Stress State with Unequal Components on Rock Permeability
// Mech. Solids. 2015. Vol. 50. No. 6. P. 633-640.
DOI: 10.3103/S0025654415060047
- Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Сидорин Ю.В.
Деформационно-прочностные и фильтрационные свойства горных пород с глубоких горизонтов в условиях истинно трехосного нагружения
// Процессы в геосредах. 2016. № 4(9). С. 327-332.
www.elibrary.ru/item.asp?id=27693426
- Klimov D.M., Karev V.I., Kovalenko Y.F., Ustinov K.B.
Physical modeling of rock deformation and fracture in the vicinity of well for deep horizons
// Advanced Structured Materials. 2017. V. 46. P. 309-317.
DOI: 10.1007/978-3-319-56050-2_17
- Klimov D., Karev V., Kovalenko Yu.
Geomechanical Modeling for Creating New Technologies of Deep Hydrocarbon Fields Development
// Int. J. Adv. Res. Engineering. Vol. 3(2). 2017. P. 17-21.
DOI: 10.24178/ijare.2017.3.2.17
researchgate.net
- Создание способа разработки геомеханических моделей месторождений углеводородного сырья, залегающих в сложных горно-геологических условиях
На основе геомеханического подхода создан способ разработки геомеханических моделей процессов, происходящих при разработке трудноизвлекаемых запасов уклеводородного сырья, характеризующихся низкой проницаемостью коллекторов и большой глубиной залегания. С целью учета при геомеханико-фильтрационном моделировании взаимовлияния напряженно-деформированного состояния и фильтрационных течений для условий низкопроницаемых пород-коллекторов на установке ИСТНН выполнено исследование зависимости проницаемости пород-коллекторов от напряжений, действующих в пластовых условиях в окрестности скважин.
Геомеханико-фильтрационная модель развита с учетом реологических эффектов (в частности, ползучести) и их влияния на фильтрационные свойства пластов и на риски разрушения стволов скважин. При моделировании учтено взаимовлияние напряженно-деформированного состояния и фильтрационных течений для условий низкопроницаемых пород-коллекторов и их фильтрационной анизотропии (как природной, так и наведенной).
Учет явления ползучести горных пород имеет большое значение при прогнозировании долговременной прочности скважин, особенно в случае необсаженного ствола. Кроме того, в ходе экспериментов выявлено, что в процессе ползучести проницаемость горных пород может как уменьшаться, так и увеличиваться, причем необратимо. Это явление необходимо учитывать как при эксплуатации скважин, так и при создании новых способов повышения их продуктивности.
направленной разгрузки пласта).
Блок-схема математического моделирования
процессов дфеормирования породы
и фильтрации в пласте
Результаты испытания на ИСТНН образца породы из низкопроницаемых
ачимовских отложений Уренгойского ГКМ (глубина 3,5–4 км)
- Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B.
Modeling of Deformation and Filtration Processes Near Wells with Emphasis of their Coupling and Effects Caused by Anisotropy.
In book: Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes, Springer, 2018. P. 350-360.
DOI: 10.1007/978-3-319-77788-7_36
- Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
Экспериментальное исследование ползучести горных пород при истинно трехосном нагружении
// Изв. РАН. МТТ. 2019. № 6. С. 30-37.
mtt.ipmnet.ru/ru/Issues/2019/6/30
DOI: 10.1134/S0572329919060084
= Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B.
Experimental Study of Rock Creep under True Triaxial Loading.
// Mech. Solids. 2019. Vol. 54. No. 8. P. 1151-1156.
DOI: 10.3103/S0025654419080041
- Создание научных основ новых экологически чистых технологий добычи углеводородного сырья из месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (ТРИЗ). Метод направленной разгрузки пласта
На основе развитого геомеханического подхода и полученных экспериментальных данных, математического моделирования деформационных и фильтрационных процессов, протекающих в окрестности скважин при различных режимах их эксплуатаци, разработан научный подход к созданию эффективных, низкозатратных и экологически чистых технологий добычи нефти и газа из месторождений с ТРИЗ. Результатом явилась разработка новой технологии повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин - метода направленной разгрузки пласта (НРП), заключающегося в повышении проницаемости породы за счет создания в пласте множественной системы микро- и макротрещин - искусственной системы фильтрационных каналов - путем инициации напряжений, приводящих к их развитию. В качестве источника необходимых напряжений используются неравномерная направленная разгрузка пласта от горного давления и энергия расширения нефти или газа. Метод НРП прошел успешные опытно-промысловые испытания на месторождениях Западной Сибири и Приуралья.
Моделирование на установке ИСТНН воздействия
напряжений на фильтрационные свойства
низкопроницаемых пород коллекторов
за счет искусственного трещинообразования
Расчет зоны трещинообразования в
окрестности скважины с перфорацией
Схема реализации метода направленной
разгрузки пласта на нефтяной скважине
- Karev V., Kovalenko Y., Ustinov K.
Directional unloading method is new approach to enhancing oil and gas well productivity
Ser. Advances in Oil and Gas Exploration and Production.
In Book: Geomechanics of Oil fnd Gas Wells.
Switzerland: Springer International Publishing, 2020. P. 155-166.
DOI: 10.1007/978-3-030-26608-0_10
- Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Химуля В.В., Шевцов Н.И.
Определение параметров метода направленной разгрузки пласта на основе физического моделирования на установке истинно трехосного нагружения
// Записки Горного института. 2022. Т. 258. С. 906-914.
= Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Khimulia V.V., Shevtsov N.I.
Parameter determination of the method of directional unloading of the reservoir based on physical modelling on a true triaxial loading setup
// Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 258. P. 906-914.
DOI: 10.31897/PMI.2022.95
- Геомеханические аспекты повышения эффективности работы подземных хранилищ газа (ПХГ)
На основе геомеханического моделирования и результатов экспериментальных исследований развит геомеханический подход к разработке рекомендаций по обеспечению оптимальной работы ПХГ, устойчивости породы в призабойной зоне пласта на протяжении эксплуатации ПХГ, максимальным допустимым депрессиям и дебитам скважин и предотвращению выноса песка на исследуемом объекте ПХГ.
Подход основан на анализе изменений напряженного состояния в пласте-коллекторе, происходящих при эксплуатации подземного хранилища газа, и испытаниях образцов пород на установке истинно трехосного нагружения, при которых в них создаются реальные напряжения, возникающие в пласте при закачке и отборе газа.
Выполненные на основе геомеханического подхода расчеты, а также проведенные на установке ИСТНН эксперименты по физическому моделированию деформационных и фильтрационных процессов под действием знакопеременных нагрузок позволили сделать вывод, что источником разрушения породы в окрестности скважин является перераспределение напряжений от горного давления в глубине пласта при изменении пластового давления. Результаты физического моделирования также позволили сделать вывод о реальной возможности повышения проницаемости пород-коллекторов методом направленной разгрузки пласта за счет создания в ПЗП напряжений необходимого уровня.
Подземное хранилище газа (ПХГ) –
это комплекс инженерно-технических сооружений
в пластах-коллекторах геологических структур,
предназначенных для закачки,
хранения и последующего отбора газа.
Физическое моделирование на установке ИСТНН
циклического изменения напряжений в пласте ПХГ
при закачке и отборе газа и их влияния
на проницаемость
(Кущевское ПХГ).
Физическое моделирование на установке ИСТНН
циклического изменения напряжений в пласте ПХГ
при закачке и отборе газа и их влияния
на проницаемость
(Касимовское ПХГ).
- Карев В.И.,Коваленко Ю.Ф.
Геомеханические аспекты эксплуатации подземных хранилищ газа.
М.: ИПМех РАН, 2022. 222 с.
- Карев В.И., Королев Д.С., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
Геомеханическое и физическое моделирование деформационных процессов в пластах подземного хранилища газа при циклическом изменении пластового давления
// Газовая промышленность. 2020. Спецвыпуск № 4 (808). С. 56-62.
www.elibrary.ru/item.asp?id=44907232
- Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Химуля В.В., Шевцов Н.И.
Физическое моделирование метода направленной разгрузки пласта
// Газовая промышленность. № 7 (819). 2021. С. 66-73
www.elibrary.ru/item.asp?id=46409843
- Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B.
Geomechanical and Physical Modeling of Deformation in Underground Gas Storages During Cyclic Changes of Pore Pressure.
Processes in GeoMedia—Volume VI. Springer Geology. Springer, Cham. 2023. P. 229-238.
DOI: 10.1007/978-3-031-16575-7_21
- Разработка эффективных способов добычи углеводородного сырья в сложных геологических условиях
На установке ИСТНН определены механические и фильтрационные свойства пород из коллекторов Чаяндинского и Ковыктинского ГКМ, составляющих ресурсную базу российско-китайского проекта «Сила Сибири». Изучено влияние рассолонения коллектора Чаяндинского ГКМ при его эксплуатации на механические, прочностные и фильтрационные свойства пород-коллекторов. В результате сделан важный практический вывод, что рассолонение значительно повышает проницаемость пород, а прочность пород и, соответственно, устойчивость стволов скважин уменьшается несущественно.
- Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
Моделирование геомеханических процессов в окрестности нефтяных и газовых скважин.
М.: ИПМех РАН, 2018. 529 с.
- Karev V., Kovalenko Y., Ustinov K.
Geomechanics of Oil and Gas Wells.
Springer International Publishing Cham: Switzerland, 2020. 166 с.
DOI: 10.1007/978-3-030-26608-0
- Исследование прочностной анизотропии горных пород и ее роли в формировании вывалов в нефтяных и газовых скважинах
Учет прочностной анизотропии необходим при прогнозировании устойчивости скважин, а также используется при анализе данных о вывалах в скважинах для оценки величин действующих в массиве напряжений. В нескольких сериях независимых испытаний образцов сеноманских песчаников на установке ИСТНН обнаружен новый вид прочностной анизотропии горных пород, проявляющаяся в монотонном уменьшении прочности с уменьшением угла между максимальными сжимающими напряжениями и плоскостью, соответствующей залеганию. При анизотропии данного вида равнокомпонентное поле напряжений в массиве может вызвать вывалы на стенках скважин в двух противоположных направлениях. Подобные вывалы наблюдались при прямом физическом моделировании в образцах с отверстиями под действием равнокомпонентного сжатия. При анализе каротажных измерений наличие подобных вывалов в скважинах, как правило, интерпретируется как вызванное наличием неравнокомпонентного поля напряжений в массиве. Приведенные данные говорят о возможности иных интерпретаций.
Результаты испытания образца
по схеме «полый цилиндр»,
отверстие перпендикулярно плоскости
залегания (вертикальная скважина)
Результаты испытания образца
по схеме «полый цилиндр»,
отверстие параллельно плоскости
залегания (горизонтальная скважина)
- Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б.
О нетипичной прочностной анизотропии слабосцементированных песчаников
// Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления. 2022. Т. 506. № 1. C. 108-112.
DOI: 10.31857/S2686954322050137
= Klimov D.M., Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B.
On the Atypical Strength Anisotropy of Weakly Cemented Sandstones.
// Dokl. Math. 2022. Vol. 106. No. 2. P. 398-401.
DOI: 10.1134/s1064562422050155
- Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б., Карев В.И.
Геомеханический анализ образования вывалов на стенках скважин
// Изв. РАН. МТТ. 2022. № 6. С. 148-163.
mtt.ipmnet.ru/ru/Issues/2022/6/148
DOI: 10.31857/S0572329922060125
= Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B., Karev V.I.
Geomechanical Analysis of the Wellbore Wall Breakouts Formation.
// Mech. Solids. 2022. Vol. 57. No. 6. P. 1403-1415.
DOI: 10.3103/S0025654422060243
- Устинов К.Б., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Барков С.О., Химуля В.В., Шевцов Н.И.
Экспериментальное исследование влияния анизотропии на ориентацию вывалов в скважинах
// Изв. РАН. МТТ. 2023. № 3. С. 21-35.
DOI: 10.31857/S0572329922600384
= Ustinov K.B., Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Barkov S.O., Khimulia V.V., Shevtsov N.I.
Experimental Study of the Effect of Anisotropy on the Orientation of Breakouts in Wells
// Mech. Solids. 2023. Vol. 58. No. 3. P. 685-696.
DOI: 10.3103/S0025654422600799
- Компьютерная томография и цифровой анализ керна: исследования изменений внутренней структуры и фильтрационно-емкостных свойств пород-коллекторов на базе методов высокоразрешающей рентгеновской микротомографии
В рамках программы обновления приборной базы в 2021 году лабораторией приобретен высокоразрешающий рентгеновский микротомограф Procon CT-MINI.
За прошедшие годы сотрудниками лаборатории проведены неразрушающие исследования внутренних свойств пород-коллекторов многих месторождений углеводородов.
С применением технологии цифрового керна проведены исследования трещиноватости, пористости, геометрии порового пространства и матрицы пород, а также изучение анизотропии фильтрационных свойств путем проведения численного моделирования потоков фильтрации в цифровых двойниках пород.
На базе совместного применения цифрового и геомеханического подходов разработана комплексная методика изучения влияния сложного напряженно-деформированного состояния на структурные, коллекторские, деформационные и прочностные характеристики горных пород.
Разработанные методики направлены на определение параметров безопасной и эффективной эксплуатации месторождений газа, в том числе с точки зрения борьбы с пескопроявлением в слабосцементированных коллекторах.
Работы сотрудников по цифровому направлению лаборатории удостоены наград на многих международных и всероссийских конференциях и конкурсах, проводимых ИПМех РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, ИПНГ РАН, Российским национальным комитетом по теоретической и прикладной механике.
Цифровые двойники образцов с макротрещинами,
образовавшимися в результате геомеханического воздействия
Исследования свойств порового пространства
с построением пространственного
распределения пор по размерам
Визуализация скоростей потока фильтрации
через макротрещины на базе
численного моделирования
Анализ путей перколяции, извилистости
фильтрационных каналов в коллекторе
- Khimulia V., Karev V., Kovalenko Y., Barkov S.
Changes in filtration and capacitance properties of highly porous reservoir in underground gas storage: Ct-based and geomechanical modeling
// Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024. Vol. 16. No. 8. P. 2982-2995.
DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.12.015
- Химуля В.В.
Применение технологии цифрового анализа керна для изучения фильтрационно-емкостных свойств и структуры высокопроницаемых пород подземных хранилищ газа
// Russian Journal of Earth Sciences. 2024. Т. 24. № 5. Статья ES5012.
DOI: 10.2205/2024es000928
- Khimulia V.V., Karev V.I.
Pore- scale computational study of permeability and pore space geometry in gas condensate reservoir rocks
// Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. PMMEEP 2023.
Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences.
Springer Cham: 2024. P. 243-256.
DOI: 10.1007/978-3-031-54589-4_26
Из истории лаборатории
В 1972 г. выдающимся российским ученым-механиком академиком
С.А. Христиановичем
в Институте создана лаборатория механики нелинейных сред.
Основными направлениями исследований первоначально были теория пластичности
(разработана полумикроскопическая теория пластичности) и теория внезапных выбросов угля, породы и газа.
В 80-х годах основное внимание переключилось на проблемы разработки нефтяных и газовых месторождений,
созданы научные основы технологии повышения продуктивности скважин и нефтегазоотдачи пластов.
В 1989 г. зав. лабораторией назначен Ю.Ф. Коваленко.
В 2004 г. лаборатория переименована в лабораторию геомеханики.
Сотрудники лаборатории геомеханики В.И. Карев и Ю.Ф. Коваленко
отмечены золотыми и серебряными медалями на международных выставках и международных конкурсах изобретений.
В.И. Карев в 2011 г. награжден бельгийским орденом "За заслуги в изобретательстве".
С.А. Христианович (1908–2000)
академик РАН,
основатель, зав.лаб.
и научный руководитель лаборатории
в 1972–2000 гг.
(фотография на 90-летие, 1998 г.)
Ю.Ф. Коваленко,
д.ф.-м.н.,
заведующий
лабораторией c 1989 г.
В.И. Карев,
д.т.н.,
зам.директора ИПМех РАН,
главный научный
сотрудник лаборатории
Р.Л. Салганик (1935–2018)
профессор,
ближайший соратник
академика С.А. Христиановича
К.Б. Устинов,
д.ф.-м.н.,
ведущий научный
сотрудник лаборатории
Орден "За заслуги в
изобретательстве"
/ "Merite de L'invention"
(В.И. Карев 2011 г.)
Информация на февраль 2025 г.
|
Русский
English
