Способ оптимизации пассивного мониторинга гидравлического разрыва пласта (варианты) - RU2318223C2

Чертежи

Описание

Предложенное изобретение относится к нефтегазовой области и связано, в основном, с обслуживанием скважин в нефтегазовой промышленности, более узко, с оптимизацией пассивного сейсмического мониторинга гидравлических разрывов.

В нефтегазовой промышленности гидравлический разрыв является основным способом повышения продуктивности скважины путем формирования или расширения каналов от ствола скважины к нефтеносным пластам. Эта операция, в общих чертах, осуществляется путем гидравлической подачи жидкости для гидроразрыва в скважину, проходящую через подземные породы, причем эта жидкость нагнетается в слои породы под давлением. В слоях породы или горных породах возникают трещины, формирующие или расширяющие один или несколько разрывов, что, как правило, приводит к повышению добычи нефти из нефтеносного пласта. Аналогичная процедура применяется для интенсификации добычи газа из газовых месторождений или добычи пара из геотермальных источников.

Важность мониторинга гидроразрыва вытекает из необходимости контроля геометрии трещины для того, чтобы обеспечить соответствие хода работ заданию, а также из необходимости получать информацию о пространственном распределении многочисленных трещин в случае крупномасштабных работ на больших нефтяных/газовых/геотермальных месторождениях. Среди различных способов мониторинга разрывов наибольшее распространение получил пассивный сейсмический мониторинг, при котором регистрируются акустические сигналы, возникающие либо во время, либо после выполнения операций по гидравлическому разрыву пласта в результате "микроземлетрясений", вызванных интенсивным воздействием на близлежащие к разрыву области, затем определяются положения очагов микроземлетрясений, и полученные таким образом точки ассоциируются с областями, окружающими гидравлический разрыв.

Положительным качеством пассивного сейсмического мониторинга является то, что этот мониторинг протекает в режиме реального времени, а также то, что мониторинг, в конечном счете, дает информацию о расположении разрывов. Недостатком этого метода является то, что, в большинстве случаев, требуется соседняя скважина для составления карты очагов микроземлетрясений, и, кроме того, полученное множество точек часто очень размыто и не позволяет точно определить положение разрывов. Таким образом, известный способ обладает большими потенциальными возможностями для оптимизации. Одним из направлений оптимизации является нахождение способа отличать микроземлетрясения, близкие к разрыву, от микроземлетрясений, удаленных от него.

Предложенные способы могут помочь идентифицировать положения указанных очагов микроземлетрясений, находящихся вблизи разрыва.

Способы основаны на подаче в обрабатываемую скважину импульсов давления большой амплитуды. Такие импульсы могут быть созданы как специальными установками, дополнительными к стандартному оборудованию для гидроразрыва, так и стандартным оборудованием, например одним из насосов гидроразрыва. В частности, естественный сильный импульс давления возникает при остановке насосов.

Первый способ реализуется, когда амплитуда импульса достаточна для открытия сдвиговых разломов вокруг трещины, тогда трещина обнаруживается при помощи обычных средств пассивной регистрации сейсмических волн от акустических событий, связанных с открытием сдвиговых разломов, и интерпретации положения таким образом полученных событий как близлежащих к трещине.

Второй способ реализуется за счет резкого различия временных последовательностей импульса давления, генерируемого в скважине, и микроземлетрясений вокруг трещины и состоит в такой обработке данных с сейсмических приемников, при которой выделяется сигнал, похожий на импульс давления в скважине, и локализуется источник этого импульса путем анализа времен его прихода к приемникам, а затем источник импульса отождествляется с областью, непосредственно прилегающей к трещине гидроразрыва.

Первый способ оптимизации пассивного мониторинга гидравлического разрыва пласта путем приложения импульсов давления к обрабатываемой скважине осуществляется, например, путем выполнения следующей последовательности действий:

1) Подают либо во время выполнения работ по гидравлическому разрыву, либо после них, низкочастотные (0-100 Гц) импульсы давления большой амплитуды (приблизительно 5-10 МПа) в обрабатываемую скважину таким образом, чтобы импульсы давления распространялись внутрь разрыва и создавали соответствующие динамические возмущения в близлежащих к разрыву областях для того, чтобы реактивировать ранее существовавшие разломы вокруг гидравлического разрыва. Однако амплитуда этих импульсов не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать соприкасания стенок трещины, что могло бы привести к ее закрытию.

2) Определяют положение разломов. Реактивация разломов вблизи разрыва относится к тому же виду явлений, что и микроземлетрясения, поэтому положение разломов может быть определено стандартными методами пассивного сейсмического мониторинга.

3) Полученные положения очагов микроземлетрясений связываются с близлежащими к разрыву областями и, следовательно, дают возможность определять положение разрыва более точно.

Во время распространения вдоль стенок разрыва импульс давления инициирует образование сдвиговых трещин (разломов) вокруг разрыва. Следовательно, обнаружение соответствующих микроземлетрясений позволяет следить за возбужденными источниками акустических волн и, соответственно, более точно определять положение разрыва.

Необходимые значения частоты импульсов и их амплитуды может быть получено либо аналитическим расчетом, либо путем моделирования. В частности, образование сдвиговых трещин в породах, лежащих вблизи разрыва, было исследовано как аналитически, так и численным методом, путем привлечения уравнений динамики упругих систем для описания гидравлического разрыва, возбужденного внутренними импульсами давления в жидкости, и последующего анализа выполнения критерия Мора-Кулона образования сдвиговых трещин в окрестности разрыва. В частности, из критерия Мора-Кулона следует (в предположении, что сжимающие напряжения положительны), что, рассматривая напряженное состояние в точке с максимальным главным эффективным напряжением (определяемым как разность полного напряжения и давления в порах), равным σ_max, и минимальным эффективным напряжением σ_min сдвиговая трещина появляется, когда выполняется следующее неравенство:

Здесь N - константа, которая определяется углом трения ϕ, вторая константа К равна прочности при сжатии среды. К=0 может рассматриваться как свидетельство наличия ранее образовавшихся складок. При выполнении неравенства (1) возможно образование двух трещин с углами ± (π/4+ϕ/2) по отношению к направлению максимального напряжения. В работе [2] показано, что сдвиговые трещины могут появляться и распространяться на расстояния до нескольких метров поперек разрыва при условии низкой частоты импульсов давления в жидкости (приблизительно 0-15 Гц) и большой амплитуды (приблизительно 5-10 МПа) для разрывов шириной 1-30 мм.

Далее, хорошая аппроксимация величины импульса давления, требуемого для открытия ранее существовавших складок, может быть получена из рассмотрения статической нагрузки на трещину гидроразрыва. В частности, например, для непроницаемых пород при заданном напряженном состоянии вдали от трещины, обозначая максимальное напряжение как s₁ и минимальное напряжение как s₂ и полагая, что длинный плоский разрыв распространяется вдоль максимального напряжения, рассматривают статическую нагрузку, возникающую при увеличении давления жидкости в разрыве на величину p. Тогда напряжения в пласте равны (мы предполагаем, что нагрузка достаточно мала и не меняет направлений максимального и минимального напряжения)

и критерий Мора-Кулона выполняется, если

Например, при s₁=40 МПа, s₃=18 МПа, N=3, К=0 получаем p=-4,667 МПа, что является хорошим приближением для амплитуды импульса давления, вызывающего растрескивание, даже в нестационарном случае. Таким образом, производится импульс с амплитудой (4) или больше, что, как правило, достаточно для того, чтобы заново открыть складки вокруг гидравлического разрыва.

Для пористых сред приближенное значение давления для образования трещин может быть получено следующим образом. Если задать полное напряжение вдали от трещины

и давление в порах р₀, то эффект от нагружения разрыва давлением жидкости с приращением р приведет к нагруженному состоянию со следующими главными значениями

в то время как изменение давления в порах р₀ может быть оценено, потому что, как известно, в процессе, где можно пренебречь диффузией жидкости через поры ("условия невытекания"), изменение давления в порах связано с изменением полного напряжения формулой

где ν - коэффициент Пуассона, предполагается плоская деформация, 0<В<1 - коэффициент, характеризующий среду. Для случая однородной статической нагрузки на разрыв из соотношения (6) следует, что

Эффективные напряжения равны

Т=р₀+Δр_0,

и критерий Мора-Кулона принимает вид

откуда получается следующее значение для давления растрескивания

Например, в предположении, что К=0, s₁=55 МПа, s₃=40 МПа, р₀=25 МПа, N=3, ν=0,3, получена зависимость давления растрескивания от В, показанная на Фиг.1, где видно, что для малых значений коэффициента В легче получить сдвиговые трещины, с другой стороны, зависимость давления растрескивания от коэффициента В достаточно слабая. Следует помнить, что эти расчеты могут быть использованы только для «невытекающих» режимов. Если справедливость «невытекающих» условий - под вопросом в статических условиях, то в высокочастотном режиме это условие выполняется. Моделирование высокочастотных пульсаций давления было выполнено по 2d FD программе, и анализ по критерию Мора-Кулона для сдвигового растрескивания показал осуществимость процесса возникновения сдвиговых трещин, при этом амплитуды давления растрескивания находятся в хорошем согласии с расчетами (11).

Предпочтительный способ реализации второго способа изобретения заключается в выделении сейсмического сигнала, похожего на импульс давления в скважине, из данных, собранных сейсмическими приемниками системы пассивного мониторинга, обработке этого выделенного сигнала стандартными методами (например, анализ времен прихода сигнала на датчик) и определении положения источника этого сигнала и последующем ассоциировании источника сигнала с трещиной гидроразрыва.

Действительно, типичный сейсмический сигнал от микроземлетрясений вокруг скважины - это весьма стохастический и кратковременный сигнал большой амплитуды, в частотной области этот сигнал, как правило, очень широкополосный; с другой стороны, импульс давления в скважине, как правило, кардинально отличается от любой последовательности микроземлетрясений (Фиг.2), где 1 - гидроразрыв, 2 - приемник, 3 - возможное местонахождение установки для создания импульсов давления, 4 - очаги акустической эмиссии, 5 - образец профиля импульса давления, 6 - характерный сигнал акустической эмиссии. Поэтому, например, если сгенерировать периодический импульс давления низкой частоты (например, 0-100 Гц), то он может быть легко выделен из временной последовательности, фиксируемой сейсмическими приемниками.

На Фиг.2 видно, что сейсмический сигнал, происходящий от пульсаций давления в скважине и трещине, кардинально отличается по профилю и продолжительности от сейсмических сигналов микроземлетрясений, ассоциированных с гидроразрывом. Это делает возможным выделение сигнала давления из сейсмограммы, собранной удаленным датчиком, и последующее обнаружение трещины гидроразрыва как источника сигнала давления.

Исходный импульс давления проникает в трещину гидроразрыва и распространяется вдоль трещины, затем достигает края трещины и излучается в формацию, где и фиксируется сейсмическими приемниками системы пассивного мониторинга, при этом временная последовательность импульса деформируется, однако остается кардинально отличной от последовательности микроземлетрясений. Таким образом, поверхность трещины становится источником сейсмического сигнала, похожего по форме на исходный импульс давления. Поэтому определение источника данного сигнала есть определение поверхности трещины.

Оптимизации пассивного мониторинга гидравлического разрыва пласта, основанная на предложенных способах, позволяют определять местонахождение поверхности трещины с большей точностью, чем известные сейсмические методы. При этом используется доступная в полевых условиях аппаратура.

Реферат

Изобретение относится к области нефтегазовой области и может быть использовано при проведении мониторинга гидравлического разрыва пласта. Сущность: во время проведения гидравлического разрыва пласта или после него в обрабатываемую скважину подают импульсы давления с амплитудой, достаточной для открытия сдвиговых разломов. Фиксируют возникающие сейсмические сигналы от акустических событий, связанных с открытием сдвиговых разломов, с помощью расположенных в окрестности обрабатываемой скважины сейсмических приемников. Идентифицируют границы поверхности трещины по местоположению сдвиговых разломов. Технический результат: повышение точности местонахождения трещины. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула