Геология и Геофизика Юга РоссииГеология и Геофизика Юга России2221-3198Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"130710.46698/h2826-1326-4005-hГеология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторожденийМеханизм разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидаГасумовЭ.Р.e.gasumov@gmail.comГасумовР.А.R.Gasumov@yandex.ruАзербайджанский технический университет, Азербайджан, AZ 1073, г. Баку, пр. Г. Джавида, 25; Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Азербайджан, AZ 1010, г. Баку, пр. Азадлыг, 34Северо-Кавказский федеральный университет, Россия, 355017, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1301220254122136Copyright (c) 2025 Геология и геофизика Юга России2025Геология и геофизика Юга России<p>Актуальность работы. В статье рассмотрены результаты исследования влияния геологотехнологических параметров на структуру пластов-коллекторов при эксплуатации газовых месторождений и подземных хранилищ газа. Приведены результаты исследования по аналитическому моделированию процессов разрушения коллекторов в условиях фильтрации флюидов. Изучен механизм образования пристенного слоя воды с включением в него микропузырьков газа, то есть слоя микрогазовой эмульсии на поверхностях пор и каналов пласта-коллектора. Рассмотрены условия существования и проявления различных режимов вытеснения. Обоснована необходимость учета многокомпонентного состава пористой среды для решения реальных задач, что возможно путём усложнения функции распределения структурных неоднородностей. Целью исследования является изучение механизма процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов при разработке месторождений углеводородов и эксплуатации подземных хранилищ газа. Метод теоретического уровня. Материалы исследования по механизмам процессов разрушения пород-коллекторов продуктивного пласта в условиях фильтрации флюидов включают: результаты ранее выполненных исследований в данной области, моделирование процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов. Методы исследования основаны на общенаучных методах, в том числе аналитического и численного моделирования. Результаты исследований. Определён механизм процессов разрушения коллекторов продуктивного пласта в условиях фильтрации флюидов. Установлено, что изменение динамических градиентов давления при резких и частых сменах режимов работы скважин сопровождается процессами образования новых трещин в массиве пород – как при хрупком разрушении, так и в области пластической деформации.</p>gasreservoirbottomhole formation zonehydrocarbonsreservoir destructionfluid filtrationprocessesmicrogas emulsionsгазпластПЗПуглеводородыразрушение пластафильтрация жидкостипроцессымикрогазовые эмульсии<p>Введение</p> <p>При разработке месторождений УВ происходит изменение структуры пласта- коллектора под воздействием различных факторов: геологических, технологиче- ских, технических, физико-химических и др., влияние которых является основной причиной разрушения пласта-коллектора и сопровождается следующими процес- сами [Гасумов, Гасумов, 2025]: происходит необратимая деформация коллекторов</p> <p></p> <p>из-за снижения пластового давления, и в последствии нелинейности процессов фильтрации жидкостей в продуктивных отложениях создаются условия для воз- никновения упругих волн; при разработке месторождений УВ и ПХГ в коллекторах продуктивных пластов в условиях фильтрации флюидов происходит разрушение в результате деформаций и изменения напряжённо-деформированного состояния породы, что оказывает отрицательное влияние на их фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС); скопление твёрдых частиц в поровом пространстве из-за отрыва частиц от матрицы и их перехода в подвижное состояние сопровождается накопле- нием частиц, которые уменьшают проницаемость и увеличивают фильтрационные нагрузки на матрицу.</p> <p>Изучение процессов разрушения пород-коллекторов продуктивных пластов в условиях фильтрации флюидов имеет особое значение для разработки нефтегазо- вых месторождений (НГМ) и подземных хранилищ газа (ПХГ). Объектом исследо- вания являются коллекторы углеводородов, представленные терригенными и кар- бонатными разностями с гранулярным и трещинным типами пористости, а также призабойная зона пласта-коллектора, находящаяся под воздействием флюидов и деформационных процессов, что является важнейшей задачей разработки НГМ и эксплуатации ПХГ.</p> <p>В связи с этим изучение механизмов и закономерностей разрушения продуктив- ных пластов-коллекторов в условиях фильтрации флюидов становится актуальной задачей, требующей учета и регулирования техногенных изменений природных свойств коллекторов при освоении залежей УВ. Для решения этих задач необходи- мо выявить закономерности изменения ФЕС продуктивных пластов-коллекторов в процессе падения пластового давления, разработать аналитические и численные методы прогнозирования изменений свойств коллекторов в результате проявления механико-химических явлений при сопряженном воздействии изменяющегося на- пряжённого состояния коллектора с фильтрацией флюида.</p> <p>Методы исследования</p> <p> Материалы исследования механизмов процессов разрушения пород-коллекто- ров продуктивного пласта в условиях фильтрации флюидов включают результаты ранее выполненных исследований в данной области, а также моделирование про- цессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов. Методы исследования основаны на общенаучных подходах, в том числе на методах аналитического и численного моделирования. При моделировании процессов раз- рушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов учитывают- ся обратимые и необратимые деформации, а также дилатансионное разрушение по- роды-коллектора.</p> <p></p> <p> Математические модели и критерии</p> <p>Для изучения процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов могут быть использованы математические модели деформи- руемой флюидонасыщенной пористой среды. Для моделирования процессов разру- шения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов используются различные подходы (рис. 1) [Гасумов, Гасумов, 2023б; Dimaki et al., 2016].</p> <p></p> <p><img width="568" height="502" alt="image" src="Геол_журн__№4_2025_с обл_/Image_149.jpg" /></p> <p>Рис. 1. Моделирование процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов /</p> <p>Fig. 1. Modeling of the processes of destruction of productive reservoirs under conditions of fluid filtration </p> <p></p> <p>Для моделирования процессов разрушения продуктивных коллекторов в ус- ловиях фильтрации флюидов используется применение математических моделей, учитывающих взаимное влияние фильтрации флюида и процессов деформации и разрушения пород-коллекторов [Barkov, Khimulia, 2023; Гасумов, Гасумов, 2023а; Lie, 2019], в том числе таких подходов, как: промышленные симуляторы для моде- лирования сложных пластов и различных систем; программные продукты с откры- тым исходным кодом для моделирования нефтяных резервуаров, поддерживающие различные численные схемы, а также структурированные и неструктурированные сетки; “PyMRST” – библиотека, которая позволяет моделировать двухфазное тече- ние флюидов, учитывать геологические особенности месторождений и оптимизи- ровать работу скважин. Использование гидродинамических симуляторов позволяет учитывать изменение ФЕС пласта при изменении давления флюида, а также специ- альные геомеханические эффекты [Бобренёва и др., 2018; Гасумов, Гасумов, 2023б; Гасумов, Гасумов, 2023а].</p> <p>Для оценки процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях филь- трации флюидов могут использоваться следующие критерии: критическая скорость</p> <p></p> <p> течения, при превышении которой можно ожидать разрушения породы и перехода твёрдых частиц во флюидизированное состояние; форма кривых восстановления давления – при разрушении скелета пласта на стадии восстановления появляются участки резкого снижения и более быстрого восстановления забойного давления [Узянбаев и др., 2024; Nassan, 2019]. При численном моделировании учитываются обратимые и необратимые деформации, а также дилатансионное разрушение по- роды-коллектора [Гильманова и др., 2020; Индрупский и др., 2022].</p> <p>Результаты работы и их обсуждение</p> <p> Проведённый анализ показывает, что моделирование процессов разрушения продуктивных коллекторов в условиях фильтрации флюидов направлено на изу- чение деформаций и разрушения породы-коллектора, вызванных отбором или за- качкой флюида при эксплуатации месторождений УВ, что влияет на ФЕС пласта- коллектора и продуктивность скважин [Гасумов, Гасумов, 2025; Химуля, Барков, 2023]. В поровой системе продуктивного декомпрессируемого пласта создаются условия для диспергирования газа в пластовых водах и сорбции или десорбции его на свободных поверхностях минерального скелета пласта-коллектора [Гасу- мов, Гасумов, 2023а, 2023; Кадет и др., 2025]. Содержание растворенного газа в различных видах пластовых вод (свободной, остаточной, рыхлосвязанной) может быть рассчитано по теоретическим формулам [Гужель, 2021; Ермак и др., 2023]. Однако кроме растворенного газа газонасыщенность пластовых вод определяется также содержанием диспергированного газа. Пористая среда коллектора является идеальным диспергатором газа и особенно при высоких скоростях истечения, что характерно для прифильтровой зоны скважин. По мере удаления от скважины ин- тенсивность диспергирования должна снижаться в связи с уменьшением линейной скорости фильтрации газа и постепенной сменой режимов истечения (струйного, промежуточного, пузырькового). Размеры, количество и объем газовой дисперсной фазы (образующихся пузырьков) определяется в основном геометрическими раз- мерами отверстий и их расположением, т.е. размерами межпоровых сужений и ка- налов, скоростью истечения, а также свойствами воды и твёрдой фазы скелета пла- ста. В этом процессе образуются довольно крупные дисперсии (диаметр пузырьков от 10-2 до 1,0 мм) [Ермак и др., 2023].</p> <p>Газовые эмульсии, образуются за счёт выделения газовой фазы из жидкой</p> <p>вследствие её пересыщения, имеют наибольшую дисперсность и широкий диа- пазон изменения размеров образующихся пузырьков (от 10-6 до 10-1 мм), при- чём наиболее мелкие пузырьки выделяются из растворов малорастворимых га- зов, таких как метан, этан, и др. В условиях разработки залежей, при снижении давления в газированной метаном свободной пластовой и (или) остаточной воде немедленно начинается образование газовой дисперсной фазы. При остановке скважины или смене режима снижение депрессии приводит к частичному рас- творению и кавитационному схлопыванию отдельных пузырьков газа, с опреде- лённым диаметром, не обеспечивающим устойчивое состояние газовой эмуль- сии. При этом возникает целый «рой» зародышей-микропузырьков газа, из ко- торых при возобновлении отбора возникают новые пузырьки, размеры которых зависят от избыточного газосодержания и числа центров выделения [Ананьев и др., 2021; Lie, 2019].</p> <p></p> <p>Выделение дисперсной газовой фазы происходит обычно на плохо смачиваемых участках твёрдой поверхности, на ее дефектах и частично в объёме жидкости на за- грязняющих частицах. Получаемые газовые эмульсии, вследствие малого размера пузырьков, достаточно стабильны, но могут существовать очень длительное время. Самым очевидным местом, где могут задерживаться пузырьки газа в воде, это ми- кроскопические и субмикроскопические трещины и выступы на стенках пор, кана- лов и трещин коллекторской пластовой системы. Ядра нерастворённого газа могут существовать также в виде пустых гидрофобных (имеется в виду стенки) трещин и пор. Опираясь на литературные источники, можно предположить, что мелкие ядра (пузырьки) эмульсии газа не растворяются потому, что пузырьки окружены обо- лочками из органических молекул, которых всегда достаточно в пластовых водах нефтегазоносных горизонтов. Это органические кислоты, соли этих кислот, и др., в том числе и природные поверхностно-активные вещества, а также и привнесённые синтетические ПАВ, применяемые при различных обработках пласта, капремонтах и т.д.</p> <p>Для оценки объёма порового пространства, которое может быть занято слоем газовой эмульсии, покрывающей поверхность фильтрационных открытых пор и каналов, рассмотрим механизм размещения и удерживания пузырьков газа на по- верхности твёрдой фазы (скелета коллектора). Это необходимо для определения толщины слоя газовой эмульсии на стенках пор и каналов, слоя, который при ла- минарном течении является пристенным слоем с существенно большей вязкостью, чем фильтрующиеся в порах вода и газ. Этот слой как бы играет роль твёрдой стен- ки, вдоль которой течет основной поток, и сам остаётся неподвижным. Кроме того, в пристенном слое должно наблюдаться повышенное содержание механических микрочастиц породы.</p> <p>Образование слоя газовой эмульсии на стенках, фильтрующих (и нефильтру- ющих) пор и каналов в пористой среде коллектора ведёт к снижению динамиче- ски полезной ёмкости коллектора. При увеличении депрессии на пласт приводит к увеличению скорости фильтрации флюидов и особенно в ПЗП, происходит рас- ширение масштабов образования микрогазовых эмульсий и, соответственно, новое утолщение пристенных слоёв. Таким образом, со временем, по-видимому, дости- гается предельная толщина пристенного слоя воды, когда дальнейшее дегазирова- ние остаточной (плёночной и контактной) воды уже не ведёт к наращиванию числа и размеров микропузырьков, «армирующих» пристенный слой воды. Определяют указанный рост числа и размеров микропузырьков в пристенном слое воды, прежде всего особенности поверхности пор и каналов и ее физико-химические параметры, а также предельная газоёмкость воды по диспергированному газу, зависящая от ее минерализации, состава растворенных солей и термодинамических параметров системы. Представляет интерес механизм образования пристенного слоя воды с включением в него микропузырьков газа, т.е. слоя микрогазовой эмульсии на по- верхностях пор и каналов пласта-коллектора.</p> <p>Толщина слоя газовой эмульсии, на стенке заполненной водой, определяется диаметрами удерживаемых силами адгезии газовых пузырьков. С ростом объема (диаметра) пузырька увеличивается подъемная архимедова сила Fb, которая стре- мится оторвать его от стенки. Максимальный диаметр удерживаемых на поверхно- сти твердой фазы пузырьков зависит от размеров дефектов (лунок) на стенке поры (рис. 2) [Гасумов, Гасумов, 2023б; Lie, 2019].</p> <p></p> <p></p> <p>Вода /</p> <p>Water</p> <p>Вода или газ / Water or gas</p> <p></p> <p>Толщина слоя газовой эмульсии / Thickness of the gas emulsion layer</p> <p></p> <p><img width="373" height="145" alt="image" src="Геол_журн__№4_2025_с обл_/Image_150.jpg" /></p> <p>rД = rb ‒ радиус пузырька; d0 =db ‒ увеличение объема (диаметра) пузырька / rД = rb ‒ bubble radius; d0 =db ‒ increase in the volume (diameter) of the bubble</p> <p>Рис. 2. Схема удержания и размещения пузырьков газа на поверхности поры, заполненной водой или газом /</p> <p>Fig. 2. Diagram of retention and placement of gas bubbles on the surface of a pore filled with water or gas</p> <p></p> <p>Электронные микрофотографии образцов-песчаников показывают, что размеры (радиусы) дефектов-лунок на стенках пор и каналов изменяются в очень широком диапазоне. Для дальнейших оценочных расчётов принимаем радиусы дефектов-лу- нок <i>r</i>c, в которых удерживаются пузырьки газа, равными 10-12, 10-9, 10-6 м. </p> <p>Сила всплывания пузырька <i>Fb </i>зависит от объёма пузырька <i>Vb </i>и разности плот- ностей жидкости и газа <i>ρlg= rl – rg</i></p> <p>Fb = Drlg × Vb (1)</p> <p>Для пузырька, имеющего форму сферы с радиусом <i>rb</i>, подъёмная сила равна:</p> <p>b</p> <p> <p>Fb = (4/3)πDrlg gr 3 (2)</p> <p>где, <i>g </i>– ускорение свободного падения.</p> <p>Сила, удерживающая пузырек в лунке пропорциональна поверхностной энер- гии на границе раздела воды и газа и периметру лунки радиусом <i>rc</i>: </p> <p>Fc = -2π δlgrc (3)</p> <p>где <i>δlg </i>– поверхностное натяжение.</p> <p>Условие удержания пузырька на стенке поры от всплывания – равенство этих двух сил.</p> <p>(4/3)πDrlg grb3=2π δlgr0 (4)</p> <p>Решив уравнение (1) относительно радиуса удерживаемого пузырька, получим:</p> <p>rb =(3rcδlg/2Drlg g)-3 (5)</p> <p>Входящие в уравнение (5) величины можно определить, используя номограмму, составленную Т. Schowalter (в 1979 г.) и измененную V. Evik (в 1987 г.).</p> <p>В качестве примера ниже приведены результаты расчётов величины максималь- ного радиуса микропузырьков, удерживаемых на дефектах пор и каналов для пла- стовых условий Щелковского ПХГ, где поверхностное натяжение <i>δlg=6,310-2Н/м</i>, а разность плотностей пластовой воды и газа <i>Drlg</i>=1017 кг/м3. Подставляя данные в последнюю формулу (5) при указанных выше значениях <i>rc</i>, получим соответству- ющие размеры <i>rb </i>удерживаемых на стенках пор и каналов пузырьков газа. Таким образом, на дефектах с радиусом 1,0×10-6 мкм, могут удерживаться от всплыва- </p> <p></p> <p>ния пузырьки с максимальным радиусом 1,0 мкм. Дефекты с большими радиусами удерживают уже пузырьки, способные перекрывать не только сужения пор и кана- лов, но и заполнять большую часть их объёма (табл. 1).</p> <p>Таблица 1 / Table 1</p> <h3 style="padding-top: 5pt;padding-left: 99pt;text-indent: 0pt;text-align: center;">Зависимости радиуса удерживаемого пузырька от поверхностного натяжения, плотности воды и газа, радиуса формы сферы пузырька /</h3> <h3 style="padding-left: 107pt;text-indent: 0pt;text-align: center;">Dependencies of the radius of a retained bubble on surface tension, water and gas density, and the radius of the bubble’s sphere</h3> <p></p> <table> <tr> <td style="width:113pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> Радиус удерживаемого пузырька (<i>rb</i>), м / Radius of the retained bubble (<i>rb</i>), m </p> </td> <td style="width:95pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> Поверхностное натяжение <i>(δlg)</i>, Н/м</p> <p>/ Surface tension (<i>гlg</i>), N/m</p> </td> <td style="width:107pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> Разности плотностей жидкости и газа <i>(Drlg)</i>, кг/м3 / Difference in density of liquid and gas (<i>Drlg</i>), kg/m3</p> </td> <td style="width:107pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> Радиус удерживаемого пузырька <i>(rc)</i>, м / Radius of the retained bubble <i>(rc), </i>m </p> </td> </tr> <tr> <td style="width:113pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 1,0×10-6</p> </td> <td> <p></p> <p>6,3×10-2</p> </td> <td> <p></p> <p>1017</p> </td> <td style="width:107pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 98,2×10-6</p> </td> </tr> <tr> <td style="width:113pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 1,0×10-9</p> </td> <td style="width:107pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 9,8×10-6</p> </td> </tr> <tr> <td style="width:113pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 1,0×10-12</p> </td> <td style="width:107pt;border-top-style:solid;border-top-width:1pt;border-top-color:#231F20;border-left-style:solid;border-left-width:1pt;border-left-color:#231F20;border-bottom-style:solid;border-bottom-width:1pt;border-bottom-color:#231F20;border-right-style:solid;border-right-width:1pt;border-right-color:#231F20"> <p> 0,98×10-6</p> </td> </tr> </table> <p></p> <p>Исследование показывает, что силы сцепления пузырьков с твёрдой поверхно- стью стенок пор и каналов настолько велики, что позволяют им удерживаться в сужениях каналов фильтрации в неподвижном состоянии при градиентах давления в 2 МПа/м. Согласно ранее проведённым исследованиям, при уменьшении разме- ров пузырьков газа, диспергированного и находящегося во взвешенном в воде со- стоянии, до наименьшего узкого сечения канала, газовая эмульсия при движении в потоке «садится» на зерно и не сдвигается напором водяного потока [Гужель, 2021; Gutierrez, Lewis, 2002]. При этом пузырьки могут прилипать к любым стенкам филь- трующих пор и каналов, формируя пристенный слой. Объем такого пристенного слоя в поровом пространстве коллектора зависит от площади его распространения и толщины, так как составной его частью являются «зажатые» между пузырьками прилипшего к стенкам газа порции (участки) пластовой остаточной воды.</p> <p>Минимальный объем «газоэмульсионного» пристенного слоя будет определять- ся только газовой фазой, если на поверхности породы пузырьки газа будут распола- гаться спорадически. Этот суммарный объем всех пузырьков газа, прикрепленных к стенкам пор и каналов, будет зависеть от величины предельной газоемкости пла- стовых вод за счёт диспергированного газа <i>Vд </i>в конкретных пластовых условиях (исходный объем дисперсной газовой фазы в единице объёма поровой воды) и доли поверхности порового пространства пласта-коллектора, которую занимает прилип- шая к ней дисперсная газовая фаза.</p> <p>В общем случае объем пристенного «газоэмульсионного» слоя определяется как произведение доли удельной поверхности коллектора, занятого газовой эмульсией, и толщины пристенного слоя. Последняя может быть принята примерно равной среднему диаметру пузырьков газа <i>dд</i>. Однако в природных пластовых условиях на стенках пор и каналов коллектора в основном адсорбируется вода, составляющая остаточную водонасыщенность, и лишь определённая часть поверхности остаётся незаполненной пленками воды, т.е. гидрофобной. Частично гидрофобизированную внутрипоровую поверхность в естественном состоянии имеют образцы пород, ото- бранные из нефтегазоносных пластов. Как было отмечено выше, адгезия пузырьков газа происходит именно на гидрофобных участках удельной поверхности пород, т.е. на незаполненных водой активных центрах поверхности. Наличие таких участков</p> <p></p> <p>в коллекторе подтверждается обнаружением гидрофобной части в алевролитовой фракции продуктов разрушения пласта, выносимых из скважин вместе с газом и во- дой. Проведённые на глинистых песчаниках палеоцена Западного Предкавказья ис- следования по изучению механизма адсорбции воды показали, что 20‒25 % общей поверхности пор и каналов породы-коллектора остаются незаполненными водой и, по-видимому, такие гидрофобные участки занимают островное положение, так как водная плёнка становится электропроводной.</p> <p>Таким образом, в наших расчётах можно принять долю удельной поверхности породы-коллектора, заполненной пузырьками газа, как минимум равной 20 %. Доля гидрофобизированных участков со временем должна увеличиваться из-за сорбции углеводородов породами пласта-коллектора, а также за счёт привнесения искус- ственных ПАВ в пластовую систему при капитальных ремонтах и других операци- ях в скважинах.</p> <p>Известно, что свободная газовая фаза, выделившаяся из воды при изменении термобарических условий или введённая в воду посредством механического дис- пергирования, до определённого объёма находится в виде малоподвижной газовой эмульсии. Величина газоёмкости вод за счёт дисперсной газовой фазы определяет- ся пластовыми условиями (температурой, давлением, минеральным составом и др.) и в общем случае может быть рассчитана по формуле: </p> <p> Vb=(273,15Pres/ZT)ˑ[(θ/(1-θ)] (6)</p> <p>где <i>Pres </i>– пластовое давление; <i>Z </i>– коэффициент сжимаемости газа в пластовых условиях; <i>T </i>– пластовая температура; <i>θ </i>– доля дисперсной газовой фазы в объёме порового пространства при пластовых условиях, по данным принята равной 5 %.</p> <p>Рассчитанная по вышеприведённой формуле газоёмкость пластовых вод Щел- ковского ПХГ по диспергированному газу составляет 5,35 нм3/м3. В пластовых ус- ловиях эта дисперсная газовая фаза будет занимать объем в 0,049 м3/м3. В усло- виях пласта-коллектора эксплуатирующейся залежи газа, открытую пористость по характеру заполнения ее флюидами можно разделить на три составных «части»: заполненную остаточной водой, заполненную остаточным газом, и «часть», пред- ставляющую собой динамическую полезную ёмкость, по которой и происходит фильтрация газа и вытесняющей его воды. Газовая эмульсия, располагающаяся на стенах пор и каналов, составляющих открытую пористость коллектора, и, соответ- ственно, входящая в состав эмульсии дисперсная газовая фаза остаётся неподвиж- ной при процессах взаимовытеснения воды и газа. Поэтому удельное содержание дисперсной газовой фазы в неподвижной эмульсии, располагающейся в динами- чески полезной ёмкости коллектора, в пластовых условиях будет составлять 4,9 % объёмных, т.е. равняться предельной газоёмкости пластовых вод по диспергиро- ванному газу.</p> <p>Прежде чем определять объем пристенного газо-эмульсионного слоя в поро- вой системе пласта-коллектора, целесообразно проверить достоверность оценки предельной газоёмкости пластовой воды, исходя из критических параметров су- ществования дисперсной газовой фазы, а именно: критического радиуса зароды- ша-пузырька ~3ˑ10-9 м, максимально возможного их количества в единице объёма</p> <p>~1020 ед./м3. При объёме дисперсной газовой фазы, удерживаемой пластовой водой щигровского горизонта определённом в 0,049 м3/м3, средний радиус образующихся пузырьков составил 5×10-8 м. Это несколько больше критического радиуса, что сви-</p> <p></p> <p>детельствует о достаточной достоверности (реальности) рассчитанной предельной газоёмкости щигровских пластовых вод по дисперсной газовой фазе.</p> <p>Объем пристенного газоэмульсионного слоя, в случае спорадического располо- жения пузырьков газа на стенках породы, будет минимальным и определяется как произведение величины поверхности, занятой пузырьками, и толщины слоя эмуль- сии. В рассматриваемом случае толщина газоэмульсионного слоя равна удвоенно- му среднему радиусу пузырьков <i>rb</i>≈10-6м, удерживаемых на минимальных дефек- тах стенок (<i>rc </i>≈10-12 м), а занятая ими поверхность ~20 % <i>Shm</i>. </p> <p>Удельная поверхность (суммарная поверхность пор и каналов в пределах от- крытой пористости) щигровского пласта-коллектора определенная по нескольким вариантам формулы Козени-Кармана, варьируется в пределах 38000 ‒ 83000 м2/м3. Для последующих расчетов принимаем среднее значение <i>Shm </i>≈ 60000 м2/м3. Тогда объем пристенного газоэмульсионного слоя, фактически это объем прикрепленной к стенкам породы дисперсной газовой фазы, составит:</p> <p>Vgel = 2rcˑ0,2 Shm (7)</p> <p>При принятых для расчётов значениях параметров удельный объем газоэмуль- сионного слоя на стенках открытых пор и каналов будет равен 2,4×10-2 м3/м3, или 2,4 %. Анализ кривых относительной фазовой проницаемости показывает, что ко- эффициент остаточного газонасыщения <i>βrgs </i>для широкого класса пластов-коллек- торов меняется в узких пределах (от 10 до 30 %). В то же время многочисленные исследования и промысловая практика дают более высокие значения <i>βrgs </i>(30‒60 %). Такие различия в значениях <i>βrgs </i>указывают на то, что в обводнённой (переходной) зоне существуют значительные объемы газа при ненулевых значениях автомодель- ной фазовой проницаемости. Неполнота вытеснения газа в переходной зоне свя- зана с динамическим проявлением капиллярных сил, которые стремятся свести к минимуму поверхность смачивающей и несмачивающей фаз. Разность давлений в фазах представляет собой капиллярное давление, направленное в сторону менее смачивающей фазы. Согласно обобщённому закону Дарси пористая среда и одна из фаз в процессе нестационарной двухфазной фильтрации, движение каждой из фаз происходит под действием «своего» фазового давления, а проницаемость фик- тивной пористой среды определяется «своей» фазовой проницаемостью [Barkov, Khimulia, 2023; Бобренёва и др., 2018]. Соотношение капиллярных и внешних ги- дродинамических сил определяет условия вытеснения газа водой и контролирует объемы защемлённых (остаточных) фаз. Такой режим вытеснения реализуется, пре- жде всего, в окрестности добывающей скважины и, возможно, в некоторых зонах пласта-коллектора, в которых гидродинамический перепад давлений очень высок. Зоны существования прорывного режима вытеснения газа имеют место в окрест- ностях эксплуатационных скважин перед их обводнением, т.е. на участках пласта, где скорость передвижения фронта вытеснения (ГВК), обусловленная гидродина- мическим перепадом давления, превышает скорость капиллярной пропитки. </p> <p>В указанных зонах при высоких скоростях продвижения воды и в условиях развития по разрезу и площади пласта-коллектора, анизотропии ФЕС, происхо- дят процессы диспергирования: воды в газе при прорыве её через пережимы пор (естественные диспергаторы); газа в воде с образованием газовой микроэмульсии. Это происходит благодаря эжектированию газа из мелких и средних по размерам газонасыщенных пор в крупные поры и каналы уже, заполненные прорывающейся</p> <p></p> <p>с высокой скоростью водой. Однако необходимо ещё раз отметить, что основной объем диспергированного газа и, причём наиболее устойчивая микропузырьковая эмульсия образуется за счёт выделения растворенного газа в свободную фазу из газонасыщенной пластовой воды при создании в системе депрессии.</p> <p>Таким образом, при прорывном режиме вытеснения на фронте (в зоне) вытес- нения образуется двухфазная дисперсная система. Формирование на фронте вы- теснения дисперсной двухфазной зоны определённой толщины является одним из существенных факторов увеличения вязкости вытесняющего агента. По существу, это пенная система, вязкость которой в зависимости от степени аэрации, т.е. коли- чества и размеров пузырьков диспергированного газа, может превышать вязкость вытесняющей воды на порядок и более. Поскольку этот процесс может происхо- дить лишь при достижении прорывного режима вытеснения, он, по-видимому, бу- дет протекать лишь вблизи эксплуатационных скважин или группы скважин, созда- ющих глубокую депрессионную воронку с высокими перепадами гидродинамиче- ского давления. Таким образом, создаются условия для временного блокирования притоков газа зонами существования пенных систем.</p> <p>После прекращения существования условий, необходимых и достаточных для формирования и сохранения пенных систем в пределах участка пласта, такие си- стемы могут разрушаться за счёт кавитационного схлопывания пузырьков газа, тем самым резко усиливая процесс разрушения пласта-коллектора. В период жизни пенных систем на заблокированных ими участках пласта происходит падение пла- стового давления и соответственно дебита скважин. При этом проявление эффекта повышения фильтрационных сопротивлений на отдельных участках пласта спо- собствует перераспределению потоков газа в поровом пространстве, преломлению линий тока и др., что ведёт к интенсификации процессов разрушения коллектора.</p> <p>Особенно разнообразны режимы вытеснения и защемления газа в анизотроп- ных по ФЕС пластах-коллекторах. Причём при развитии такой анизотропии по разрезу и по площади залежи наибольшее разнообразие режимов вытеснения газа водой отмечается в зонах высоких скоростей течения флюидов. Здесь благодаря формированию двухфазных (пенных) систем на фронте вытеснения, а также дей- ствию на границах неоднородностей давлений внедрения, прорыва и пережатия и проявляются эффекты блокирования целиков газа, последующее разрушение кото- рых за счёт сегрегации и растворения способствует кавитационному схлопыванию микропузырьков и, соответственно, разрушению пласта. </p> <p>При снижении флюидного давления в воде, насыщенной предельно газом в зоне контакта воды и газа, и приближении его к давлению насыщения возрастает эн- тропия флюидной системы, и она теряет своё устойчивое состояние. В объёмах воды в ПЗП (остаточной, конденсационной, пластовой и другого генезиса) в об- ласти падения давления ниже давления насыщения воды газом происходит «взры- воподобное» возникновение зародышей свободной газовой среды (пузырьков газа) с минимальными размерами. По справочным данным размеры микропузырьков газа, возникающих при дегазации перенасыщенной воды, имеют размеры поряд- ка 20‒40А0, или 2,0‒4,0×10-9 м. Время зарождения и формирования микропузырь- ка газа в перенасыщенной газом воде составляет всего 1×10-12 с, т.е. практически</p> <p>«мгновение». Учитывая приведённые данные можно оценить скорость разбегания стенок формирующегося пузырька газа (границы раздела фаз) как отношения пути, проходимого границей раздела за время его движения. При среднем значении раз-</p> <p>мера образующихся микропузырьков в 3,0×10-9 м, скорость движения границы раз- дела газовой и жидкой фаз составляет 3,0×10-3 м/с, т.е. 3 км/с. Передвигающаяся с такой скоростью порция воды способна разрушить практически любые материалы. В породно-флюидальной системе газовых залежей образование с такой скоростью микропузырьков газа в воде, заполняющей микропространство между пластинками глинистых минералов, щели между зёрнами кварца и другие насыщенные водой поры и каналы, разрушает структуру породы на составляющие элементы. Понятно, что массовое «взрывообразное» образование микропузырьков газа из воды любого генезиса, присутствующей в пористой среде пласта, происходит именно в ПЗП, где поддерживается наибольшая депрессия.</p> <p>Следует особо отметить, что конденсационная вода, осаждающаяся на стенках лифтовых колонн и стекающая, и скапливающаяся в стволе и в ПЗП (в случае не- достаточных для ее выноса дебитов газа) насыщается газом до равновесного со- стояния при данных термодинамических условиях. При установившейся депрес- сии процесс ее дегазации (образования микрогазовой эмульсии) стабилизируется. Однако, при подтоке к ПЗП пластовой (свободной, остаточной) минерализованной воды, подтягивающейся в виде конусов вдоль стволов скважины по зазорам между колоннами и цементной крепью и самому цементному камню, и смешивании ее с конденсационной вызывает повышение минерализации последней и, соответствен- но, стимулирует массовое (залповое) образование микропузырьков газа, т.е. кавита- ционное разрушение коллектора в ПЗП.</p> <p></p> <p>Заключение</p> <p>Установлено, что фильтрация флюидов может приводить к деформациям и раз- рушению коллектора продуктивного пласта, которые отрицательно влияют на ФЕС пласта и продуктивность эксплуатационных скважин. В результате интенсивного отбора жидкости при больших депрессиях и отсутствия компенсируемых закачек, в коллекторе возникают упругие волны, которые изменяют свойства пород, что при- водит к последующему разрушению.</p> <p>С момента снижения пластового давления начинается деформация пород матри- цы (направление максимальной деформации), которая происходит в сторону наи- меньшего сопротивления, то есть внутрь трещин, что сопровождается уменьшени- ем начальной раскрытости трещин<b>. </b>Максимальный перепад давления приходится на прискважинную область, поэтому деформации начинаются вблизи стенок сква- жины с постепенным распространением от ствола вглубь массива. </p> <p>Математические модели деформируемой флюидонасыщенной пористой среды позволяют учитывать обратимые и необратимые деформации, а также дилатанси- онное разрушение пород-коллекторов. Установлено, что эксплуатация газоносных пластов повсеместно сопровождается разрушением матрицы породы-коллектора, причём наиболее опасными по своим последствиям являются разрушения, проис- ходящие в ПЗП.</p> <p>Неизбежными процессами, сопровождающими добычу газа и приводящими к разрушению со временем коллекторов любой прочности, являются процессы фор- мирования и разрушения газовой эмульсии при дегазации пластовых вод любого генезиса. Силы сцепления пузырьков газа с твёрдой поверхностью стенок пор и каналов настолько велики, что позволяет им удерживаться в сужениях пор и кана- лов фильтрации в неподвижном состоянии при градиентах давления в 2,0 МПа/м.</p> <p></p> <p>Выявлены предпосылки создания принципиально новых технических и техно- логических решений для диагностики состояния ПЗП (оценка наличия и размеров каверн в прифильтровой части пласта), прогнозирования темпов и масштабов раз- рушения коллектора.</p> <p>При моделировании работы добывающей скважины показано, что в результа- те отбора пластового флюида проницаемость изначально однородного коллектора может изменяться необратимо с образованием областей сжатия и дилатансионного разрушения. Для прогнозирования продуктивности скважин, успешности различ- ных геолого-технологических мероприятий необходимо учитывать не только про- ницаемость и текущий скин-фактор, но и геометрию распределения проводящих трещин.</p> <p></p>1.Ананьев К.М., Алексеева Е.А., Твердохлебов В.П. Применение кавитационных методов очистки пластовых вод нефтяных месторождений. // Успехи современного естествознания. – 2021. – No 5. – С. 45–50.2.Бобренёва Ю.О., Мазитов А.А., Губайдуллин И.М. Математическое моделирование процесса массопереноса в коллекторе трещиновато-порового типа. // Сборник трудов IV Международной конференции и молодёжной школы «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ 2018). Самара: Изд-во Новая техника, 2018. – С. 1775–1780.3.Гасумов Р.А., Гасумов Э.Р. Математическая модель закачки вязкоупругих составов в продуктивный пласт. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023а. – Т. 334. No 3. – С. 218–228. DOI 10.18799/24131830/2023/3/3791.4.Гасумов Р.А., Гасумов Э.Р. Оценка гидродинамических показателей системы скважина-пласт, сформированной на этапе разбуривания эксплуатационного пласта. // Геология и геофизика Юга России. – 2023б. – Т. 14. No 4. – С. 108–123. DOI: 10.46698/VNC.2023.58.47.009.5.Гасумов Э.Р., Гасумов Р.А. Сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов при их временной изоляции. // Геология и геофизика Юга России. – 2025. – Т. 15. No 2. – С. 180–195. DOI: 10.46698/VNC.2025.39.56.001.6.Гильманова Н.В., Тарачева Е.С., Сивкова А.В. Прогноз зон наличия капиллярно-защемленной нефти для низкопроницаемых коллекторов при обосновании остаточной нефтенасыщенности различными способами. // Нефтепромысловое дело. – 2020. – No 2(614). – С. 12–18. DOI: 10.30713/0207-2351-2020-2(614)-12-18.7.Гужель Ю.А. Промысловая подготовка нефти и газа. Благовещенск: Амурский государственный университет, 2021. – 115 с.8.Ермак А.А., Фонин М.Ф., Гришин П.Ф. Нефтяные дисперсные системы. Новополоцк: Полоцкий государственный университет им. Е. Полоцкой, 2023. – 184 с.9.Индрупский И.М., Аникеев Д.П., Закиров Э.С., Алексеева Ю.В. Учет геомеханических эффектов при моделировании процессов разработки месторождений углеводородов. // Актуальные проблемы нефти и газа. – 2022. –Вып. 4(39). – С. 75–102.10.Кадет В.В., Тютяев А.В., Васильев И.В., Кузнецова Е.М., Кузнецов Ю.Г. Исследования и моделирование фильтрации пластовых флюидов в MATLAB. Reservoir Simulation Toolbox. // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2025. – No 6(162). –С. 42–48.11.Узянбаев Р.М., Бобренева Ю.О., Повещенко Ю.А. и др. Численное моделирование пьезопроводящих процессов в двумерной постановке для трещиновато-пористого пласта. // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. – 2024. – No 35. – 17 с. DOI: 10.20948/prepr-2024-35.12.Химуля В.В., Барков С.О. Исследование процессов фильтрации и разрушения в породах-коллекторах подземных хранилищ газа с использованием цифрового анализа данных компьютерной томографии. // Ученые записки физического факультета Московского университета. – 2023. – No 4. – С. 2340502-1–2340502-8.13.Barkov S., Khimulia V. Study of elastic-strength properties of lowpermeability reservoir rocks in the Verkhnevilyuchanskoye oil and gas field on a true triaxial loading unit. // AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2910. No. 1. – рр. 020115.14.Gutierrez M.S., Lewis R.W. Coupling of fluid flow and deformation in underground formations. // Journal of Engineering Mechanics. – 2002. – Vol. 128(7). – pp. 779–787.15.Dimaki A.V., Shilko E.V., Astafurov S.V., Psakhie S.G. The influence of fluid filtration on the strength of porous fluidsaturated brittle materials. // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – No. 4. – pр. 220–247.16.Lie K.A. An introduction to reservoir simulation using MATLAB/GNU Octave: User guide for the MATLAB reservoir simulation toolbox (MRST). // Cambridge University Press, 2019. DOI: 10.1017/9781108591416.17.Nassan T. H., Amro M. Finite element simulation of multiphase flow in oil reservoirs – comsol multiphysics as fast prototyping tool in reservoir simulation. // Mining Science and Technology. – 2019. – Vol. 4. No. 3. – рр. 220–226.