Лаборатория геомеханики. Подробная информация

• Основные достижения
• Общая информация
• Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории
  • Книги
  • Статьи
• Экспериментальное оборудование
  • Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН)
  • Высокоразрешающий рентгеновский микротомограф Procon X-Ray CT-MINI
  • Установка для трехосных испытаний горных пород в пластовых условиях ГТ 1.3.9

См. также Общие сведения о лаборатории

См. также Наши разработки: Метод направленной разгрузки пласта

Основные достижения

1. Разработка новых методов повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин.
   В лаборатории разработана новая технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин – метод направленной разгрузки пласта (метод гелрыхления). Метод направленной разгрузки пласта успешно применялся на ряде месторождений Западной Сибири и Пермской области при освоении скважин, капитальном ремонте добывающих и нагнетательных скважин. Разработанная технология защищена 7 российскими патентами и 1 евразийским патентом (Karev, Kovalenko, Ustinov, 2020; Климов, Карев, Коваленко, 2015).
   • 
     Проведение работ на скважине
     по методу направленной разгрузки пласта
2. Разработка метода определения устойчивости стволов наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин при их бурении и эксплуатации.
   Метод направлен на выбор оптимальных параметров бурения и эксплуатации скважин (оптимальных углов наклона скважины и допустимых давлений на ее забое) путем прямого физического моделирования процесса бурения и эксплуатации скважин на испытательном стенде ИСТНН, созданном в ИПМех РАН. Использование разработанного метода обеспечивает устойчивость стволов скважин и значительно снижает риски аварий при проводке скважин.
   Разработанный метод применялся крупнейшими российскими компаниями ПАО «Газпром», ПАО «ЛУКОЙЛ», ПАО «Сургутнефтегаз» при разбуривании и эксплуатации ряда крупных нефтяных и газовых месторождений (Климов, Карев, Коваленко, Устинов, 2013)
   • 
     Опасные точки на контуре
     наклонной скважины
   • 
     Образец,
     вырезанный под углом 30°,
     после испытания
3. Исследование закономерностей процессов упругопластического деформирования и разрушения в горных породах с выраженной анизотропией свойств с целью развития фундаментальных представлений о природных процессах, протекающих массивах горных пород при разработке нефтяных и газовых месторождений.
   Разработана геомеханическая модель напряженно-деформированного состояния в прискважинной зоне пласта, которая включает описание упругого деформирования породы, перехода в неупругую область, а также описание дальнейшего упруго-пластического поведения материала после перехода в неупругую область. Ключевым моментом постановки задачи является учет анизотропии упругих и прочностных свойств пород (Карев, Климов, Коваленко, Устинов 2018).
4. Развиты аналитические методы решения задач о трещинах, распространяющихся по границам раздела свойств. Получен ряд точных аналитических решений задач о пограничных трещинах. Полученные решения представляются полезными для исследования прочности и механизмов разрушения термозащитных покрытий, а также неоднородных сред, таких как горные породы (Устинов, 2015, 2020).
5. На установке ИСТНН выполнена большая серия экспериментов по изучению процессов деформирования и разрушения горных пород разных литотипов (песчаников, аргиллитов, алевролитов) за пределом упругости в условиях истинно трехосного независимого нагружения. Было установлено, что особенностью неупругого деформирования горных пород является наличие их деформационной и прочностной анизотропии, а также зависимость условий возникновения пластических деформаций и степени их развития от уровня и вида напряженного состояния, возникающего в горных породах. Аналогов проведенным исследованиям в мире нет (Карев, Климов, Коваленко, Устинов 2016, 2019).
6. На установке ИСТНН проведен большой цикл экспериментальных исследований по изучению зависимости проницаемости горных пород от напряжений, реально возникающих в нефтегазовых пластах при разработке месторождений. Была выявлена существенная зависимость фильтрационных свойств исследованных пород от вида и уровня возникающих в них напряженно-деформированных состояний. Обнаруженные эффекты имеют большое практическое значение для определения оптимальных режимов эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Предложена классификация пород-коллекторов по влиянию напряженно-деформированного состояния на их фильтрационные характеристики (Климов, Карев, Коваленко, 2015).
7. Проведено аналитическое и экспериментальное исследование динамики растекания углеводородов на поверхности воды. Создана математическая модель осесимметричного растекания углеводородов вне зависимости от типов смачивания олеинами подстилающей водной поверхности (Kistovich, Chaplina, 2021).

Общая информация

Лаборатория геомеханики (в то время лаборатория механики нелинейных сред) была создана в 1972 г. выдающимся ученым академиком С.А. Христиановичем. В течение длительного времени он был ее заведующим, а затем научным руководителем. В настоящее время руководителем лаборатории является ученик С.А. Христиановича доктор физико-математических наук Ю.Ф. Коваленко.

• 
  Основатель
  лаборатории
  академик
  С.А. Христианович
• 
  Заведующий
  лабораторией
  д.ф.-м.н.
  Ю.Ф. Коваленко

Первоначально тематика лаборатории была связана с развитием новых идей в теории пластичности и их экспериментальным подтверждением. Но уже в конце 70-х годов основной акцент переносится на исследования, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых – сначала угольных, а затем нефтяных и газовых. Предложенные С.А. Христиановичем новые взгляды и идеи получили в дальнейшем не только теоретическое, но и практическое развитие.

В настоящее время основным направлением деятельности лаборатории являются проблемы разработки нефтяных и газовых месторождений, в первую очередь вопросы повышения нефтеотдачи пластов и безаварийного бурения нефтяных и газовых скважин.

В последние годы в нефтяном деле произошли серьезные изменения, что связано в первую очередь со значительным увеличением глубины разрабатываемых месторождений, а также созданием новых технологий бурения и эксплуатации скважин – горизонтального бурения и бурения на депрессии.

Это привело к тому, что на первый план вышли проблемы деформирования и разрушения грунтового скелета в процессе эксплуатации месторождений, устойчивости стволов скважин, влияния возникающих в пласте напряжений на фильтрационные характеристики пласта. Развиваемый в лаборатории подход к решению указанных геомеханических проблем кардинально отличается от традиционного, основанного главным образом на построении математических моделей явления. В его основе лежит прямое физическое моделирование процессов деформирования и разрушения горных пород в коллекторах нефтяных и газовых месторождений на уникальной испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные с помощью установки ИСТНН, позволили выявить первостепенную роль процессов деформирования и разрушения грунтового скелета при снижении давления нефти в пласте с точки зрения повышения нефтеотдачи пластов и продуктивности скважин.

Лаборатория тесно сотрудничает с крупнейшими российскими нефте-газодобывающими компаниями в вопросах принятия технологических решений по проектам разработки месторождений углеводородного сырья таких, как Штокмановское газоконденсатное месторождение, Приразломное нефтяное месторождение, Чаяндинское газоконденсатное месторождение, Рогожинское нефтяное месторождение и др.

Разработанные в лаборатории метод повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин и метод определения устойчивости наклонных и горизонтальных скважин при их бурении и эксплуатации отмечены наградами на Международной выставке технологических инноваций «Еврика», на Европейском салоне изобретений «Конкурс Лепин»:

• Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Метод георыхления – способ увеличения дебитов нефтяных и газовых скважин. Серебряная медаль на Международной выставке «Еврика» (Бельгия, г. Брюссель, ноябрь 2007 г.).
• Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Метод георыхления – технология повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин. Золотая медаль на Европейском салоне изобретений «Конкурс Лепин» (Франция, г. Страсбург, 4–14 сентября 2009 г.).
• Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Метод определения устойчивости наклонных и горизонтальных скважин при их бурении и эксплуатации. Серебряная медаль на Европейском салоне изобретений «Конкурс Лепин» (Франция, г. Страсбург, 3–13 сентября 2010 г.).
• Карев В.И. Бельгийский орден "За изобретательство", 2011 г.
  • 
    Карев В.И.
    Бельгийский орден
    "За изобретательство",
    2011 г.

Наиболее значимые публикации сотрудников лаборатории

Книги

1. Коваленко Ю.Ф., Харламов К.Н., Усачев Е.А. Устойчивость скважин Среднего Приобья. Тюмень–Шадринск, 2011. 174 с. ISBN 978-5-7142-1312-0
2. Карев В.И., Чаплина Т.О., Шевцов Н.И. Задачи геомеханического моделирования в связи с вопросами разработки нефтегазовых месторождений. М.: ИПМех РАН. 2019. 150 с. ISBN 978-5-91741-248-1
3. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Моделирование геомеханических процессов в окрестности нефтяных и газовых скважин. М.: ИПМех РАН, 2018. 529 с. ISBN 978-5-91741-225-2
4. Karev V., Kovalenko Y., Ustinov K. Geomechanics of Oil and Wells Gas. Springer International Publishing Cham, Switzerland, 2020. 166 p. ISBN 978-3-030-26607-3 DOI: 10.1007/978-3-030-26608-0

Статьи

1. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. О повышении нефтеотдачи нефтяных пластов // Нефтяное хозяйство. 1988. № 10. [журнал]
2. Коваленко Ю.Ф., Христианович С.А. Об упругом режиме эксплуатации нефтяного месторождения // ФТПРПИ. 1991. № 1.
   = Kovalenko Yu.F., Khristianovich S.A. Elastic regime for exploiting an oil field // Soviet Mining Science. 1991. Vol. 27. No. 1. P. 15-32. DOI: 10.1007/BF02499682
3. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Механико-математическое и экспериментальное моделирование устойчивости скважин в анизотропных геосредах // Изв. РАН. МТТ. 2013. № 4. С. 4-12. [журнал]
   = Klimov D.M., Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. Mechanical-mathematical and experimental modeling of well stability in anisotropic media // Mech. Solids. 2013. Vol. 48. No. 4. P. 357-363. DOI: 10.3103/S0025654413040018
4. Журавлев А.Б., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Влияние фильтрации на напряженно-деформированное состояние породы в окрестности скважины // ПММ. 2014. Т. 78. Вып. 1. С. 86-97. [журнал]
   = Zhuravlev A.B., Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. The effect of seepage on the stress–strain state of rock near a borehole // J. Appl. Math. Mech. 2014. Vol. 78. Iss. 1. P. 56-64. DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2014.05.007
5. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханика извлечения газа из угольных пластов // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462. № 2. С. 158-160. DOI: 10.7868/S086956521514011X
   = Klimov D.M., Karev V.I., Kovalenko Yu.F. The geomechanics of gas recovery from coal seams // Dokl. Phys. 2015. Vol. 60. No. 5. P. 214-216. DOI: 10.1134/S1028335815050055
6. 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. [журнал]
   = 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
7. Климов Д.М., Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханический подход к созданию новых технологий добычи нефти на больших глубинах // Процессы в геосредах. 2015. № 4. С. 45-51. [журнал]
8. Коваленко Ю.Ф., Карев В.И., Гавура А.В., Шафиков Р.Р. О необходимости учета анизотропии прочностных и фильтрационных свойств пород при геомеханическом моделировании // Нефтяное хозяйство. 2016. № 11, С. 114-117. [журнал]
9. Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. О разрушении осадочных горных пород в условиях сложного трехосного напряженного состояния // Изв. РАН. МТТ. 2016. № 5. С. 15-21. [журнал]
   = Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. Fracture of sedimentary rocks under a complex triaxial stress state // Mech. Solids. 2016. Vol. 51. No. 5. P. 522-526. DOI: 10.3103/S0025654416050022
10. Карев В.И., Климов Д.М., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Модель разрушения анизотропных горных пород при сложном нагружении // Физическая мезомеханика. 2016. Т. 19. № 6. С. 34-40. [журнал, elibrary]
    = Karev V.I., Klimov D.M., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. Fracture model of anisotropic rocks under complex loading // Phys. Mesomech. 2018. Vol. 21. No. 3. P. 216-222. DOI: 10.1134/S1029959918030050
11. 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. 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
12. Журавлев А.Б., Устинов К.Б. О величинах, характеризующих степень упругой анизотропии трансверсально-изотропных горных пород; роль сдвигового модуля // Изв. РАН. МТТ. 2019. № 4. С. 129-140. DOI: 10.1134/S0572329919040123
    = Zhuravlev A.B., Ustinov K.B. On Values Characterizing the Degree of Elastic Anisotropy of Transversely Isotropic Rocks; Role of Shear Modulus // Mech. Solids. 2019. Vol. 54. No. 6. P. 958-967. DOI: 10.3103/S0025654419060104
13. Karev V., Kovalenko Y., Ustinov K. Directional unloading method is new approach to enhancing oil and gas well productivity. In Geomechanics of Oil and Gas Wells, Ser. Advances in Oil and Gas Exploration & Production. Springer, Cham. 2020. P. 155-166. DOI: 10.1007/978-3-030-26608-0_10
14. 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. 46-52.
15. Ustinov K.B. On semi-infinite interface crack in bi-material elastic layer // European Journal of Mechanics-A/Solids. 2019. Vol. 75, P. 56-69. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2019.01.013
16. Устинов К.Б. Об отслоении слоя от полуплоскости; условия упругой заделки для пластины эквивалентной слою // Изв. РАН. МТТ. 2015. № 1. С. 75-95. [журнал]
    = Ustinov K.B. On separation of a layer from the half-plane: Elastic fixation conditions for a plate equivalent to the layer // Mech. Solids. 2015. Vol. 50. No. 1. P. 62-80. DOI: 10.3103/S0025654415010070
17. Ustinov K.B. Certain cases of elastic equilibrium of a composed wedge with an interface crack // Mathematics and Mechanics of Solids. 2020. Vol. 25. Iss. 12. P. 2199-2209. DOI: 10.1177/1081286520924070
18. Ustinov K.B, Massabò R, Lisovenko D.S. Orthotropic strip with central semi-infinite crack under arbitrary loads applied far apart from the crack tip. Analytical solution // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 110, 104410. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104410
19. Ustinov K.B , Idrisov D.M. On delamination of bi-layers composed by orthotropic materials: Exact analytical solutions for some particular cases // Z Angew Math Mech. 2021. Vol. 101. Iss. 4. e202000239. DOI: 10.1002/zamm.202000239
20. Kistovich A.V., Chaplina T.O. Analytical And Experimental Modelling Of The Hydrocarbon Slick Form And Its Spreading On The Water Surface // Physics of Fluids. 2021. Vol. 33. Iss. 7. 076605. DOI: 10.1063/5.0054709

Экспериментальное оборудование

Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН)

Лаборатория геомеханики располагает мощной экспериментальной базой, основу которой составляет уникальная экспериментальная установка Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Она предназначена для изучения деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик пород нефтегазовых, рудных и угольных месторождений.

Установка ИСТНН позволяет осуществлять независимое нагружение кубических образцов породы с гранью 40 мм по трем осям, что достигается благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствия друг другу. Благодаря этому на установке можно воссоздавать в образцах породы реальные напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении скважины, ее освоении и эксплуатации, а также изучать их влияние на фильтрационные свойства породы. Кроме того, установка ИСТНН позволяет определять деформационные и прочностные свойства горных пород, в том числе и анизотропных.

Треххканальная система автоматического управления ИСТНН (САУ) предоставляет возможность управлять процессом нагружения либо по усилиям, либо по перемещениям по каждому из трех каналов, и реализовать практически любую траекторию нагружения (деформирования) образца, включая процесс разрушения.

ИСТНН включает систему автоматического измерения проницаемости (САИП), позволяющую в процессе испытания образца непрерывно вести наблюдение за изменением проницаемости по одной из осей образца.

Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные с помощью установки ИСТНН, позволили выявить первостепенную роль процессов деформирования и разрушения грунтового скелета при снижении давления нефти в пласте для повышения нефтеотдачи пластов и продуктивности скважин.

Установка ИСТНН была создана в 80-х годах прошлого столетия, в основном для испытаний образцов угля. За последующие годы установка неоднократно модернизировалась, оснащалась современным измерительным и обрабатывающим результаты опытов оборудованием. Однако время и новые задачи потребовали создания новой более мощной и жесткой машины. В настоящее время работа по ее созданию в значительной мере выполнена, и в скором времени модернизированная установка будет запущена в работу.

На фото представлена новая установка (2021), компоненты которой принципиально отличаются от компонент первой версии установки.

Преимуществами модернизированной установки ИСТНН являются:

• увеличение жесткости силовой рамы установки позволит производить испытания сверхпрочных горных пород с больших глубин;
• максимальное давление маслонасосной станции 350 ат позволит развивать максимальное усилие в экспериментах 100 т вместо 50 т в старой установке;
• закупленный модуль измерения скоростей продольной и поперечных волн позволит создать систему прозвучивания образцов в ходе испытаний и определения их динамических модулей;
• жесткая силовая рама позволит обеспечить идеальную юстировку силовых плит (схождение прикладываемых к образцу сил по трем направлениям в одну точку), что позволит избежать появления «паразитных» моментов;
• жесткая силовая рама позволит обеспечить одновременное налегание нагружающих плит по всем поверхностям образца, что важно для точности измерения деформаций образца при исследовании его деформационных свойств;
• создание современной системы автоматического управления экспериментом, сбора данных и обработки результатов испытаний значительно повысит достоверность получаемых данных;
• использование сертифицированного оборудования позволит выполнить метрологическую поверку оборудования, что является необходимым требованием к его широкому применению.

Высокоразрешающий рентгеновский микротомограф Procon X-Ray CT-MINI

В лаборатории имеется оборудование для проведения неразрушающих исследований структуры широкого спектра материалов, включая горные породы, грунты, металлы и композиты. Высокоразрешающий рентгеновский микротомограф Procon X-Ray CT-MINI дает возможность воссоздавать трехмерную модель исследуемых образцов с высоким пространственным разрешением, не нарушая при этом их структуру. На базе снимков компьютерной томографии проводится цифровой анализ внутреннего пространства горных пород, включающий исследования трещиноватости, пористости, кавернозности, насыщенности флюидом, морфологию пор, структурного и фракционного состава. Опираясь на цифровую модель, проводится математическое моделирование фильтрационных потоков и оценка проницаемости пород. В сочетании с геомеханическими испытаниями такой подход позволяет получить наиболее полный набор свойств изучаемых материалов.

Установка для трехосных испытаний горных пород в пластовых условиях ГТ 1.3.9

В лаборатории проводятся исследования на установке ГТ 1.3.9, предназначеной для испытаний цилиндрических образцов горных пород в условиях осесимметричного трехосного сжатия с целью исследования процессов деформирования, разрушения и фильтрации при повышенных температуре и поровом давлении. Установка ГТ 1.3.9 позволяет в процессе нагружения образцов создавать в них пластовые термобарические условия. Максимальная осевая нагрузка – 500 кН, боковое давление – 70 МПа. В комплект оборудования дополнительно включены штампы для измерения параметров акустической эмиссии и скоростей прохождения продольных и поперечных ультразвуковых волн.

Информация на октябрь 2023 г.