Uwagi na temat interpretacji wyników hydraulicznej próby szczelności w warstwach soli

Transkrypt

1 NAFTA-GAZ styczeń 0 ROK LXVII Tadeusz Szunar, Paweł Budak Instytut Nafty i Gazu, Kraków Wiesław Witek Firma Knsultingwa WES, Piaseczn Uwagi na temat interretacji wyników hydraulicznej róby szczelnści w warstwach sli Wrwadzenie Insiracją d naisania niniejszeg artykułu była watym raz jeg radialny charakter. Równanie isujące iztermalny rzeływ radialny cieczy słabściśliwej raca [], w której autrzy w ssób ekserymentalny wykazali, że w wyniku wyknania wyrbiska górniczeg w śrdku rwatym użyte d interretacji zmian ci- w kładzie sli wkół ścian teg wyrbiska wstaje strefa drężna, charakteryzująca się niezerwą rzeuszczalnścią dla gazu i slanki raz ewną niewielką rwatścią, mieszczącą się w zakresie d d 0,0%. Przedmitwe badania rzerwadzn w kalni sli kładwej, w której zamierzan zmagazynwać dady rmienitwórcze raz tksyczne, a zatem bwiązywały tam bardz rygrystyczne wymagania dtyczące szczelnści mającej wstać kawerny magazynwej. Przed rzystąieniem d wyknywania tej kawernykmry, w kładzie sli dwiercn szereg twrów średnicy 4,8 cm d głębkści 8 metrów, wysażnych w gumwe akery, umżliwiające dizlwanie interwałów sli i miar rzeuszczalnści sli dla gazu raz slanki (rysunek ). Otwry te umieszczn wkół miejsca lanwanej kmry magazynwej, w dległści:,5;,5; ; i 4 r, gdzie r jest t rmień kmry. Zatłaczanie gazu lub slanki d izlwanych w twrach interwałów sli wykazał, że rzebieg zmian ciśnienia w rzyadku slanki mżna mdelwać zakładając nieustalny stan rzeływu w śrdku r- Rys.. Schemat knstrukcji twru d miaru rzeuszczalnści sli [] 4

2 artykuły śnienia w kładzie sli trzyman z równania ciągłści raz zakładając raw Darcy eg. Równanie t ma stać: = t s r k r r µ ciśnienie, t czas, r dległść d si twru, µ lekść łynu, k rzeuszczalnść sli, s wsółczynnik wyrażny wzrem r () s = (c c s ) + φ (c f c s ) () c całkwita ściśliwść sli, c s ściśliwść masy slnej, c f ściśliwść slanki nasycającej, φ rwatść. W rzyadku rzeływu gazu, d interretacji zmian ciśnienia używane był równanie dbne d daneg wzrem (), rzy czym zastąine zstał rzez raz wrwadzn dwiednie arametry gazu. Interretacja rzebiegu zmian ciśnienia rzy zatłaczaniu gazu/slanki d izlwanych interwałów sli rzed wyknaniem kmry (niezależnie d dległści interwału d miejsca lanwanej kmry) wykazała, że: rzeuszczalnść dla gazu zawiera się w granicach d 0-0 m d m, rzeuszczalnść dla slanki zawiera się w granicach d 0 - m d,7 0 - m. Przeuszczalnści te uznać należy za krańcw małe i niemierzalne w warunkach labratryjnych, a sól za nierzeuszczalną. Nastęnie dwiercn twór kmrę średnicy 48, cm (również d głębkści 8 m); jeg śrdek znajdwał się w danych wcześniej dległściach d twrów miarwych, d których nwnie zatłczn gaz lub slankę i na dstawie zachwania ciśnienia kreśln rzeuszczalnść raz rwatść sli. Wyniki interretacji dla slanki i gazu zestawin dwiedni w tablicach i. Przytczne w racy [] wyniki dwdzą, że: rzeuszczalnść niezaburznej mechanicznie sli raktycznie równa jest zeru (d 0-0 d m ). Pdane wielkści kreśln na dstawie interretacji zmian ciśnienia w twrach testwych w funkcji czasu, zakładając, że zmiany ciśnienia isać mżna za Tablica. Przeuszczalnść i rwatść sli wyknaniu kmry, kreślne w wyniku testu zatłaczania slanki [] Odległść twru testweg d śrdka kmry (r) Przeuszczalnść [m ] Prwatść (ułamek),5 5, ,0,5 5, ,0,5, ,005, ,00 4,5 0-0,00 4 5,5 0-0,00 Tablica. Przeuszczalnść i rwatść wyknaniu kmry, kreślna w wyniku testu zatłaczania gazu Odległść twru testweg d śrdka kmry (r) Przeuszczalnść [m ] Prwatść (ułamek),5 4, ,0,5 9, ,0,5, ,005,0 0-0,00 6,0 0-0,00 mcą równania (). Przeuszczalnści z daneg zakresu nie mżna zmierzyć labratryjnie, wyknanie wyrbiska (kmry) wduje wstanie wkół nieg strefy drężnej, niezerwej rwatści i rzeuszczalnści, których wielkści zależą d dległści d śrdka wyrbiska. W strefie tej, w wyniku wstania sieci mikrszczelin raz mini ustek międzykrystalicznych, rzeuszczalnść w bezśrednim sąsiedztwie wyrbiska dchdzić mże d 0 - m, a rwatść d % c umżliwia rzeływ gazu i slanki. P 40 dniach bserwacji zachwania ciśnienia w testwanych twrach stwierdzn, że: rzeuszczalnść dla gazu zachwana zstała w dległści,5 r d śrdka wyrbiska, rzeuszczalnść dla slanki zachwana zstała w dległści r d śrdka wyrbiska, rwatść w zakresie wielkści mierzalnych (%) zachwana zstała w dległści,5 r d śrdka wyrbiska, w dległści większej d 4 r d śrdka wyrbiska sól zachwała swje ryginalne arametry (brak rzeuszczalnści i rwatści). Na dstawie danych wyników racy [] należy nr /0 5

3 NAFTA-GAZ wniskwać, że dbna strefa zaburzna wstaje wkół każdeg wyrbiska wyknaneg w sli, w tym również wkół kawern rzeznacznych d magazynwania gazu. Strefa ta charakteryzuje się wystęwaniem sieci szczelin i sękań raz niezerwą rzeuszczalnścią i rwatścią. Gdyby załżyć, że w rzyadku kmór magazynwych zachwana jest skala ekserymentu (t znaczy rzeuszczalnść dla gazu zachwana jest d głębkści,5 r, gdzie r jest rmieniem kmry) raz rzyjąć rwatść sli w strefie zaburznej (czyli %), t wynika stąd, że wkół kmry wstaje ddatkwa (niewielka wrawdzie) jemnść magazynwa, d której gaz wływa lub jest dbierany (w wyniku filtracji) z ewną zwłką czaswą w zależnści d różnicy ciśnień w kmrze i w strefie zaburznej. Przykładw, rzyjmując rmień kmry r = 0 m, wyskść 00 metrów raz rwatść %, wówczas trzymamy bjętść magazynwą strefy zaburznej równą kł 600 m, c rzy całkwitej jemnści ww. kmry (k m ) stanwi 0,6% jest t bjętść, która mże w ssób zauważalny włynąć na zachwanie ciśnienia raz wyniki róby szczelnści kmry. Wływ strefy zaburznej na wynik hydrauliczneg testu szczelnści interwału sli Hydrauliczna róba szczelnści interwału sli w twrze wiertniczym lega na zainstalwaniu akerów wyżej i niżej badaneg interwału, zaięciu ich w celu dizlwania interwału, wywarciu ciśnienia róby raz bserwacji teg ciśnienia rzez ewien czas w celu srawdzenia szczelnści sli. Ssób wyknania róby szczelnści, ciśnienie róby raz użyte wysażenie dbierane jest każdrazw d sytuacji rzez dzór techniczny. Interwał slny uznaje się za szczelny, jeżeli sadek ciśnienia narzeciw interwału nie rzekracza kreślnej wielkści w zadanym czasie. W rzyadku gdy sadek ciśnienia cieczy w kreślnym czasie jest większy d zadaneg, wówczas rzważane są rzmaite rzyczyny teg stanu rzeczy, w tym: szczelnść akerów, mżliwść ubytku cieczy dczas zamykania zawru brtweg it. raz brak szczelnści sli. Zdaniem autrów, jedną z mżliwych rzyczyn zbyt dużeg sadku ciśnienia róby szczelnści interwału sli mże być istnienie mawianej wyżej strefy zaburznej wkół badaneg interwału. Wielkść ddatkweg sadku ciśnienia dczas hydraulicznej róby szczelnści sli w wyniku filtracji cieczy d tej strefy mżna bliczyć rzyjmując nastęujące załżenia: wkół badaneg interwału istnieje strefa zaburzenia d głębkści,5 r d si twru (rwatść w zakresie wielkści mierzalnych), d chwili wywarcia ciśnienia róby, w systemie mikrszczelin strefy zaburznej anuje ciśnienie równe ciśnieniu hydrstatycznemu w twrze z racji kntaktu hydrdynamiczneg tej strefy z twrem, w dległści większej d,5 r filtracja nie zachdzi z racji bliskiej zeru rwatści i rzeuszczalnści. Przyjmując rwatść strefy zaburznej wkół twru równą %, zgdnie z wynikami miarów danymi w [], mżna łatw bliczyć bjętść rwą tej strefy (V ). Znana jest również bjętść cieczy hydraulicznej między akerami (V ) raz ciśnienie róby hydraulicznej ( ). P dniesieniu ciśnienia w rzestrzeni między akerami (narzeciw interwału sli) d ciśnienia róby ( ), ciśnienie t będzie się bniżać w wyniku kntaktu tej rzestrzeni (V, ) z rzestrzenią zaburzną (V, ) i sadnie n d wielkści kńcwej k, średniej między i, zależnej d wielkści tych ciśnień raz bjętści łynu między akerami (V ) i w rzestrzeni zaburznej (V ). Zakładamy, że bjętści V i V nie zależą d ciśnienia, czyli są stałe. Tak stawine zagadnienie srwadza się d kreślenia ciśnienia w układzie dwóch zbirników różnej, ale stałej jemnści, wyełninych całkwicie cieczą różnym ciśnieniu, łączeniu ich w celu zrównważenia ciśnień. Niech ierwszy zbirnik bjętści V rerezentuje rzestrzeń między akerami. Ciśnienie w tym zbirniku równe jest ciśnieniu róby hydraulicznej. Drugi zbirnik bjętści V rerezentuje strefę zaburzną, w której w chwili czątkwej anuje ciśnienie, rzy czym >. Wyrównanie ciśnień między zbirnikami nastęuje w wyniku rzeływu masy, zakńczeniu któreg ustala się n na zimie średnim między i. P wyrównaniu ciśnień sełnina musi być zależnść: V ρ( ) V + V ρ( ) = (V + V ) ρ( k ) () V bjętść cieczy w rzestrzeni między akerami, ciśnienie róby hydraulicznej, V bjętść rwa (systemu mikrszczelin) badaneg interwału sli, ciśnienie w systemie mikrszczelin, ρ() gęstść cieczy hydraulicznej w funkcji ciśnienia, ciśnienie kńcwe. k 6 nr /0

4 artykuły Gęstść cieczy w funkcji ciśnienia wyrazić mżna wzrem: ρ( ) ρ ( ) = (4) k E ciśnienie czątkwe, E bjętściwy mduł srężystści (dla wdy E =,5 0 9 N/m ). Reszta znaczeń zstaje taka sama jak w isie wzru (). Pnieważ wygdniej jest rzyjmwać ρ( ) = ρ dla = 0, zatem sługiwać się będziemy wzrem: ρ ρ ( ) = (5) E Pdstawiając (5) d () trzymamy rzekształceniach: k ( V + V )( E )( E ) = E (6) V ( E ) + V ( E ) Jeżeli między ciśnieniem róby ciśnieniwej raz ciśnieniem w taczającym twór systemie mikrszczelin nie wystęuje różnica, tzn. =, t jak wynika z (6) ciśnienie kńcwe k równe jest, czyli sadek ciśnienia nie wystęuje (D = k = 0). Przyjmując mduł srężystści bjętściwej E = (,5)(0 ) MPa (wda; mduł E dla slanki ma zbliżną wartść, którą mżna dczytać z tablic), trzymamy z (6): k[mpa] = (,5 0 ) ( V + V )[ m ]( E )[MPa]( E )[MPa] V [ m ]( E )[MPa] + V [ m ]( E )[MPa] (7) Przykład W kładzie sli, w twrze średnicy φ 6 dizlwan za mcą akerów interwał długści 5 metrów i wyknan hydrauliczną róbę szczelnści sli, rzez dniesienie ciśnienia d wyskści 5 MPa. Zakładamy istnienie systemu mikrszczelin dwiadających rwatści 0,0 (%) d głębkści,5 r d si twru, gdzie r jest rmieniem twru. W systemie mikrszczelin, w chwili czątkwej anuje ciśnienie równe ciśnieniu hydrstatycznemu w twrze z racji niezerwej rzeuszczalnści teg systemu raz kntaktu hydrdynamiczneg z twrem (rysunek ). Przyjmujemy, że = 8 MPa, c Rys.. Schemat twru dwiada n. gęstści łynu w twrze ρ =, g/cm i głębkści 500 metrów. Objętść łynu hydrauliczneg (V ) między akerami, z uwzględnieniem bjętści rzewdu, rzyjmujemy jak równą 0,45 m, a bjętść mikrrzestrzeni szczelinwej (V ) wkół twru jak równą 0,007 m. P wyrównaniu ciśnień między rzestrzenią miedzyakerwą a systemem mikrszczelin, w wyniku filtracji łynu hydrauliczneg ciśnienie w twrze ustali się na zimie: k = (,5 0 ) (0,45 + 0,007)[(,5 0 ) 5][(,5 0 ) 8] 0,45[(,5 0 ) 8] + 0,007[(,5 0 ) 5] 4,8MPa czyli zabserwwany będzie sadek ciśnienia kł dwie atmsfery. Pdany sadek ciśnienia nie nastęuje mmentalnie, ale ewnym (niedługim) czasie, zależnym d rędkści filtracji łynu. W rzatrywanym rzyadku sadek ten byłby znacznie większy, gdyby V był mniejsze rzy niezmieninych zstałych danych (n. twór mniejszej średnicy). Z rzytcznych rzważań i załączneg rzykładu wynika, że rzy wyknywaniu hydraulicznej róby szczelnści sli należy sdziewać się ewneg niewielkieg sadku ciśnienia, będąceg wynikiem filtracji łynu hydrauliczneg d taczająceg systemu mikrszczelin. nr /0 7

5 NAFTA-GAZ W rzyadku istnienia systemu mikrszczelin wkół twru sadek ten mże być mylnie zinterretwany jak ewna nieszczelnść skądinąd szczelneg górtwru slneg, gdyż dla r >,5 rzeuszczalnść i rwatść sli są raktycznie równe zeru. Sadek ten będzie tym większy, im mniejsza będzie V a większa V, raz im większa będzie różnica ciśnień między twrem a systemem mikrszczelin. Sadek ciśnienia w rzestrzeni między akerami dczas róby szczelnści mże być większy d daneg, gdyż ile bjętść V jest stała, t V jest rzestrzenią twartą d góry i dłu. Mżna również w rzybliżeniu dać wymagany czas trwania róby szczelnści, wykrzystując kncecję tzw. rmienia badania r t (t), rzez c rzumiana jest dległść d twru, dla której wystęuje mierzalna zmiana ciśnienia czasie t, dczas zatłaczania lub ekslatacji ze stałą wydajnścią (rzy takim dejściu zakładamy, że wydatek filtracji d systemu szczelin wkół twru jest stały c nie jest rawdą, a zatem dana niżej zależnść ma jedynie charakter rientacyjny). Zakładając, zgdnie z sugestiami danymi w [], że zasięg strefy mikrszczelinwatej wkół twru (r i ) równy jest,5 r, gdzie r jest rmieniem twru, wówczas minimalny wymagany czas trwania róby szczelnści wyrazić mżna wzrem: φ [ ułamek] µ [cp] c[/mpa] ri [m ] t[min] = 4,6 0 (8) k [md] Przyjmując: zasięg strefy wystęwania mikrszczelinwatści r i =,5 r = 0,4 m; rwatść strefy mikrszczelinwatej φ = 0,0; lekść slanki µ = 0,5; ściśliwść układu sól i slanka w mikrszczelinach c = 0,094 na /MPa raz rzeuszczalnść strefy mikrszczelinwatści k = 0,0 md, trzymamy: t [min] = 4,6 0 0,0 0,5 0,094 0,4 0,0 7 minut Z wyższeg wzru wynika, że czł zaburzenia ciśnienia swdwaneg wływem slanki d strefy mikrszczelinwej 7 minutach dtrze d niezaburzneg górtwru slneg, w dległści r i d ściany twru. Czas trwania testu szczelnści winien być kilkakrtnie dłuższy d blicznej wartści minimalnej. Należy również zauważyć, że jak wynika z wyższeg wzru czas ten zależy d rzeuszczalnści strefy mikrszczelinwej i w rzyadku krańcw małych rzeuszczalnści mże być bardz długi; rzy czym rędkść sadku ciśnienia będzie w takim rzyadku bardz mała, a zatem górtwór slny uznany zstanie za szczelny. Artykuł nadesłan d Redakcji..00 r. Przyjęt d druku.0.0 r. Literatura [] Lee J.: Well Testing. Sciety f Petrleum Engineers, NY, 98. [] Strmnt J.C., Hward C.L., Daemen J.J.K.: In Situ Measurements f Rck Salt Permeability Due t Nearby Excavatin. Sandia Natinal Labratry Rert, Sand 90 4, July 99. Recenzent: rf. dr hab. inż. Józef Raczkwski Dr inż. Tadeusz SZPuNAR adiunkt w Zakładzie Inżynierii Naftwej Instytutu Nafty i Gazu w Krakwie. Autr szeregu racwań z zakresu inżynierii złżwej, ekslatacji, wiertnictwa, magazynwania gazu w kawernach slnych, zagadnień związanych z mechaniką górtwru raz innych. Autr i wsółautr kilkudziesięciu ublikacji naukwych raz atentów. Mgr inż. Paweł BuDAK starszy secjalista naukw-badawczy w Zakładzie Inżynierii Naftwej INiG w Krakwie. Zajmuje się realizacją rac naukwych i naukw-badawczych; głównie z zakresu inżynierii złżwej, wiertnictwa i ekslatacji dziemnych magazynów gazu w kawernach slnych raz twrzeniem rgramwania na trzeby rzemysłu naftweg i gazwniczeg. Dr inż. Wiesław WITEK abslwent AGH raz Uniwersytetu Rzeszwskieg. Pracwnik FMWiG GLINIK w Grlicach, PRWiG Warszawa raz PGNiG S.A, jak secjalista ds. wierceń. W latach raca na kntraktach zagranicznych bejmujących wiercenia i reknstrukcje głębkich twrów. Aktualnie właściciel Firmy Knsultingwej WES, wyknującej race na rzecz rzemysłu naftweg. 8 nr /0