Розглядаються проблеми: моделювання процесу утворення тріщин при проведенні гідравлічного розриву пласта в нагнітальні і поглинають свердловини :. З використанням програмного продукту PWRI-FRAC, який є частиною інтегрованої системи Petroleum Expert, проведено моделювання розвитку тріщини: для нагнітальних і поглинаючих свердловин при тиску закачування вище тиску гідророзриву пласта, дані: прогнозні параметри: тріщини і оцінені: можливі наслідки.

Анотація наукової статті з наук про Землю і суміжних екологічних наук, автор наукової роботи - Жидкова Наталія Олександрівна, Захарова Олена Олександрівна


Software of the program module PWRI-FRAC for forecasting of crack parameters in injection and absorption wells at injection pressures higher than the fracture pressure

Problems of modeling of the crack-formation process are examined at fracture pressure in injection and absorption wells. With application of the software product PWRI-FRAC which is a part of the integrated system Petroleum Expert, the modeling of crack development for injection and absorption wells is carried out at injection pressure higher than the fracture pressure, forecast parameters of the crack are given, and possible consequences are estimated.


Область наук:
  • Науки про Землю та суміжні екологічні науки
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Текст наукової роботи на тему «Математичне забезпечення програмного модуля PWRI-FRAC для прогнозування параметрів тріщини в нагнітальних і поглинаючих свердловинах при тисках закачування вище тиску гідророзриву пласта»

    ?Геологія нафти і газу

    УДК 681.518: 622.276

    МАТЕМАТИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРОГРАМНЕ МОДУЛЯ PWRI-FRAC ДЛЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРІЩИНИ У нагнітальних і, поглинаючу свердловину під тиском закачування ВИЩЕ ТИСКУ гідророзриву ПЛАСТА

    Н.А. Жидкова *, А.А. Захарова

    * Сахалін Енерджі Інвестмент Компані Лтд., М Південно-Сахалінськ Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглядаються проблеми моделювання процесу утворення тріщин при проведенні гідравлічного розриву пласта в нагнітальні і поглинають свердловини. З використанням програмного продукту PWRI-FRAC, який є частиною інтегрованої системи Petroleum Expert, проведено моделювання розвитку тріщини для нагнітальних і поглинаючих свердловин при тиску закачування вище тиску гідророзриву пласта, дані прогнозні параметри тріщини і оцінені можливі наслідки.

    Ключові слова:

    Гідравлічний розрив пласта, методи інтенсифікації нафтогазовидобутку, моделювання, алгоритми.

    Сучасний стан сировинної бази нафтової промисловості характеризується зміною структури і якості запасів як на розроблюваних, так і на нововідкритих родовищах. Все більше число родовищ вступає в пізню і завершальну стадію розробки, що характеризується значним зниженням видобутку нафти [1]. У цих умовах особливої ​​актуальності набувають проблеми підвищення ефективності розробки родовищ. Основним методом підтримання пластового тиску і збільшення коефіцієнта нефтеизвлечения в даний час залишається заводнення. Відповідно до проектів розробки і рапортами технічних служб здійснюється матричне заводнення, однак при найближчому розгляді видно, що робочий тиск свердловини вище тиску трещінообразо-вання. Утворена тріщина не береться до уваги, відповідно не враховується її розвиток в вищерозміщені і нижележащие пласти.

    Незважаючи на численні спроби створити модель, що дозволяє прогнозувати ступінь пошкодження пласта, викликаного закачуванням попутної пластової води, що містить вуглеводні і тверді домішки, на сьогоднішній день такої моделі не існує. Тому в запропонованій і реалізованої в рамках програмного комплексу Petroleum Expert (компанія PETEX) моделі PWRI-FRAC використана найпростіша модель поврежде-

    ня пласта, що включає ряд параметрів, які можна адаптувати за результатами промислових випробувань.

    Основними завданнями програмного продукту PWRI-FRAC є: оцінка поширення тріщини в результаті закачування по вертикалі і горизонталі (як для закачування чистої води, так і пластової), поширення тріщини по вертикалі в разі необмеженої зони нагнітання, оцінка приемистости, форми і поширення зони заводнення. У математичної моделі PWRI, яка реалізована в рамках пропонованого програмного продукту, поширення тріщини визначається наступними фізичними процесами (рис. 1).

    1. Потік закачується флюїду відбувається в напрямку вершини тріщини і викликає всередині тріщини втрату тиску на тертя (5руй.). Коли передбачається ламінарний потік, градієнт втрати тиску р на тертя співвідноситься з шириною тріщини в такий спосіб:

    ін і<3 - ^-

    ДГ Кг) Г

    де м>(Г) - «ефективна» ширина тріщини на деякому віддаленні від стовбура свердловини г,? 1 - в'язкість флюїду, 0 - швидкість закачування флюїду.

    Слід врахувати, що м>(Г) визначається з урахуванням поправок на товщину кірки фільтрату на стінках тріщини. Більш докладно залежність ширини

    Відстань між свердловинами (г) б)

    Мал. 1. Поширення тріщини: а) схематичний вид фізичних процесів, що відбуваються при поширенні тріщини гідравлічного розриву пласта; б) якісний аналіз поширення тиску в тріщині

    тріщини від товщини фільтраційної кірки описана нижче [2].

    2. Пружне відкриття тріщини відбувається в результаті розширення флюїду всередині тріщини і внутрішнього тиску флюїду на її стінки. Рушійною силою є тиск розриву Др (рис. 1), що дорівнює різниці тиску рідини в тріщині і загального мінімального пластового напруги. Для протяжних тріщин (т. Е. Загальна довжина тріщини більше загальної висоти тріщини), встановлена ​​наступна залежність пружного відкриття:

    2я Д

    = Е ДР * '

    де - «загальна» ширина тріщини, т. е., ширина тріщини з урахуванням кірки фільтрату, Н - загальна висота тріщини, Е = Е / (1 ^) - «площинна деформація», де Е - модуль Юнга, а V - коефіцієнт Пуассона.

    За умови незначного перепаду тиску в інтервалі перфорації і відсутності впливу, викликаного звивистістю потоку флюїду, в при-забійній зоні свердловини тиск розриву Др виражається, як

    ДРШ = рвнр - ррср ,

    де РШ - забійні тиск, РКГ - тиск змикання тріщини.

    3. Розрив породи в вершині тріщини, при цьому до - висота тріщини (рис. 2). опірність по-

    пологи розвитку тріщини можна охарактеризувати її механічними властивостями, які інакше називають «ударною в'язкістю» (К1с). Лабораторні випробування показали, що для того, щоб тріщина виросла до великої довжини (понад 0,1 м), напруження розтягу (7), яке виражається, як (рис. 2):

    Т =

    Кк ,

    (Де L - довжина тріщини), має подолати опір породи. Слід зазначити, що для утворення «невеликих» тріщин (довжиною менше 1 см), напруження розтягу (7), необхідне для розриву породи, дорівнює межі міцності породи на розрив. Тріщини «середньої» довжини (1 см ^<10 см) розвиваються за умов, які перебувають посередині між двох вищевказаних крайніх умов [3]. Так як тріщини, що утворилися в результаті гідравлічного розриву пласта (ГРП), можна охарактеризувати, як тріщини великої довжини, тиск розриву (Др0) під час відсутності втрати тиску на тертя дорівнює (рис. 2, б)

    дро =

    К1с. 4жГ

    Певні в лабораторних умовах значення К1с, як правило, знаходяться в межах 1 МПа ^ м ( «1000 пси ^ дюйм). У той же час, ці значення занадто малі, щоб пояснити «ано-

    мально високий тиск »Др0 (Др0 = Р / ж, -ДСР на рис. 2, 3, де РШ - тиск початку трещінообра-тання, РСР - тиск закриття тріщини), яке відзначалося під час робіт по ГРП із закачуванням расклинивающего агента в свердловинах на родовищі. Таким чином, модель PWRI-FRAC дозволяє виконувати розрахунки з більш високою ударною в'язкістю породи на підставі закладених в модель значень аномально високого (надлишкового) тиску Др0. Характерні значення Др0, що відзначалися в свердловинах під час ГРП, знаходяться в межах 500 ... 1000 пси (3,5 ... 7 МПа). Слід зазначити, що значення Др0 в тріщинах, в які здійснювалася закачування води, були невідомі.

    4. розшарування і градієнт пластових напружень. Загальна мінімальна пластовий напруга с3 (г) розподіляється нерівномірно. Як правило, воно залежить від глибини залягання породи г (рис. 3), і характеризується «стрибками» напруг між різними пластами в поєднанні з постійним градієнтом напруги. На рис. 3 показаний класичний приклад поширення механічної тріщини в пісковиках, контрольованих перекриває і підстильним горизонтами глин. Різниця в пластовому напрузі між перекриває горизонтом глин і пластом пісковиків дорівнює? 1, а різниця пластових напружень між підстильним горизонтом глин і пісковиками дорівнює $ 2. Крім того, пластовий напруга характеризується постійним градієнтом В результаті, темп зростання тріщини в верхньому і в нижньому напрямках буде відрізнятися від темпу зростання тріщини в довжину. За рахунок різниці пластових напруг тріщина має тенденцію розширюватися біля своєї вершини і підстави, що сприяє її зростанню вгору і вниз. З іншого боку, градієнт пластового напруги більше сприяє зростанню тріщини вгору [1].

    5. Баланс обсягу флюїду, який означає, що обсяг флюїду, закачаного в тріщину, дорівнює обсягу тріщини плюс обсяг поглинає зони навколо тріщини. У моделі PWRI, обсяг тріщини, в цілому, незначний у порівнянні з обсягом поглинає зони.

    6. Ефекти коефіцієнта зміни горизонтального напруги в залежності від зміни пластового тиску і зміни горизонтального напруги в залежності від різниці температури закачується флюїду і породи під час закачування води. Коли здійснюється закачування води в пласт, насичений гарячим флюїдом, одночасно відбувається охолодження пласта і підвищення тиску в тій частині пласта, яка охоплена заводнением. Можна продемонструвати, що зниження температури призводить до усадки породи, в результаті чого відбувається помітне зменшення мінімального горизонтального напруги навколо тріщини (стиснення за рахунок ефекту зміни горизонтального напруги за рахунок зміни температури). Поровое тиск, навпаки, збільшується, що призводить до збільшення загального мінімального горизонтального напруги навколо тріщини (розширення за рахунок зміни напруги через зміну тиску). На рис. 5 наводиться схематичне зображення тріщини ГРП, оточеній зонами з різною мобільністю флюїду (вид зверху). До тріщині безпосередньо примикає зона пласта, пошкоджена глибоким проникненням забрудненої води. Далі розглянемо цю зону докладніше. Охолоджена зона пласта триває за межами пошкодженої зони. Площа охолодженої зони залежить від теплового балансу, т. Е. Кількість тепла, поглиненого холодної нагнітається водою, має дорівнювати кількості тепла, відібраного холодної нагнітається водою з охолоджувальної зони пласта. За межами охолодженої зони знаходиться зона теплою нагнітається води, далі якої знаходиться нефтенасищенная зона пласта (при заводнении) або законтурний водоносна область (при скиданні води в водоносний горизонт).

    Модель PWRI-FRAC розраховує зміни горизонтального напруги від зміни тиску і зміни горизонтального напруги від зміни температури на основі геометрії, наведеної на рис. 4. Формули розрахунку наступні:

    Аа

    poro-elastic

    Аа

    thermo-elastic

    = Ap (Pfrac = At ​​(Tra

    - Pi) gp (L H, Виш),

    e "T) gt (L H, Bemp front) |

    Мал. 2. Аналіз перепаду тисків (DSA): а) схема; б) DSA - Sole pit sandstone - аналіз перепаду тисків - піщаник

    де Ap - коефіцієнт зміни горизонтального напруги в залежності від зміни пластового тиску, pfmclur.e - тиск трещінообрзова-ня, pf - пластовий тиск, Tfradure - температура в охолодженої зоні пласта безпосередньо навколо тріщини, T - пластова температура, gp, gt - геометричні коефіцієнти , які залежать від L, H і глибини проникнення фронту нагнітається води (Bi4frJ або фронту охолодженої зони (BcmledfrJ (рис. 4), At - коефіцієнт скорочення напруги за рахунок різниці температур закачується флюїду і породи (стандартне значення 100 кПа / ° С), і може бути виражений залежністю:

    _ E ^ - а, Т 1 - v

    де а - теплове розширення / коефіцієнт стиснення (° C-1).

    Слід зазначити, що величини L, Ні Bi4fmJBc залежать від тривалості закачування [1].

    Мал. 3. Гвомвтрія частково стримуваної тріщини

    Мал. 4. околоскважінном зони

    А, пропорційний Е, таким чином, при однаковому значенні коефіцієнта теплового розширення (а), в більш твердій породі в результаті охолодження ТЕРМОПРУЖНОСТІ напруги будуть вище, ніж в

    м'якій породі. Цей висновок, в цілому, підтверджується фактичними промисловими даними [1].

    При ГРП із закачуванням расклинивающего агента короткої тривалості, поровое тиск і глибина проникнення температури в пласт менше, що має незначний вплив на пластовий напруга. Навпаки, при ГРП з тривалої закачуванням води, поровое тиск і глибина проникнення температури значні, і викликають суттєві зміни пороупругіх і термопружних напруг навколо тріщини [3, 4].

    Чисте зміна пластового напруги обумовлено співвідношенням зрослого порового тиску і знизити температуру. Зміна пластового напруги, в цілому, є результатом додавання окремих змін, що виражаються в зниженні температури і в підвищенні порового тиску. Ці дії проілюстровані на рис. 5, де показані зміни загальної напруги за рахунок зниження температури і зростання порового тиску на прикладі високопроникних пісковиків шельфу Північного моря через два роки після початку інтенсивної закачування води.

    В даному випадку, вплив температури переважає над впливом порового тиску, і загальне зменшення пластового напруги становить приблизно 10% від розрахункової величини початкового мінімальної напруги, рівного 500 ата [3]. На рис. 6 наведено приклад вертикального розподілу зміни загального пластового напруги за рахунок охолодження породи, який вказує на те, що цей вплив температури, в цілому, залишається приуроченим до пласту-колектору, завдяки низькій теплопровідності щільної покришки і корінної породи підошви поклади. Цей ефект еквівалентний бар'єра на кордонах між колектором і його покришкою і підошвою, який може стати перепоною на шляху розвитку тріщини.

    я 20

    t ?

    Зміна дотичного напруження при зміні температури ............ Зміна дотичного напруження при зміні тиску

    | 20 |

    -15 S

    .10 |

    -s i

    X 0 | s

    --5 6

    про

    - -10 S

    |-20 Я

    Про 20 40 60 80 ПО 120 140 160 180 200 220 240 Радіус від стовбура свердловини, м

    Мал. 5. Залежність зміни дотичного (окружного) напруги від зміни порового тиску / температури (піщаник)

    Зворотною ситуацією вищенаведеному прикладу є ситуація, коли закачування води здійснюється в колектор, складений щільними карбонатами. В цьому випадку, загальне пластовий напруга може збільшитися за рахунок зростання порово-го тиску, яке переважає над впливом, що надаються зниженням термопружного на-

    напруги (рис. 7). Тоді будь-який бар'єр на шляху поширення пластового напруги, який міг спочатку існувати між колектором і покришкою, може бути подоланий після тривалої закачування води в пласт.

    7. Пошкодження пласта навколо тріщини в результаті закачування пластових вод.

    Незважаючи на численні спроби створити модель, що дозволяє прогнозувати ступінь пошкодження пласта, викликаного закачуванням попутної пластової води, що містить вуглеводні і тверді домішки, на сьогоднішній день такої моделі не існує. Тому в моделі PWRI-FRAC запропоновано використовувати найпростішу модель ушкодження пласта, що включає в себе ряд параметрів, які можна адаптувати за результатами промислових випробувань. Негативний вплив на пласт в результаті закачування попутної води з тиском вище тиску ГРП враховано за допомогою наступних параметрів:

    1. Пошкоджена зона навколо тріщини (рис. 4), що характеризується рівною мірою ушкодження пласта.

    2. Кірка відфільтрованої твердої фази з рівним розподілом проникності.

    3. Закупорка каналу тріщини.

    Нижче детально розглянемо кожен з цих факторів.

    Пошкоджена зона. Пошкоджена зона (рис. 4) - це зона пласта, безпосередньо примикає до тріщини, яка пошкоджується в результаті проникнення в неї забрудненої домішками закачуваної води [1]. Лабораторними дослідженнями, що проводилися в рамках спільного проекту PWRI, встановлено, що погіршення колектор-ських властивостей навколо тріщини практично повністю обумовлено закачуванням попутної води з вмістом нафти. Тверді частинки в пласт не проникають. Заміряна залишкова водопроникність пласта в пошкодженій зоні виявилася дорівнює граничному значенню відносної водопроникності. Таким чином, граничне значення відносної водопроникності дозволяє досить точно визначити «коефіцієнт пошкодження» цієї зони пласта, який є одним з вихідних параметрів в моделі PWRI-FRAC.

    Кірка відфільтрованої твердої фази на стінках тріщини. Лабораторні дослідження в рамках проекту PWRI показують, що містяться в закачуваної попутної воді тверді домішки утворюють кірку фільтрату, яка покриває стінки тріщини. Вимірами було встановлено, що проникність кірки фільтрату знаходиться в інтервалі від 5 до 20 мДарсі. У менш проникних породах і з водою, що містить важку нафту, проникність кірки фільтрату знижується.

    Закупорка каналу тріщини. Коли на стінках тріщини починається відкладення кірки фільтрату, перестають проникати в пласт, що примикає до тре-

    щині. У разі повільно зростаючої тріщини, товщина кірки фільтрату стає ширині тріщини, що веде до закупорки тріщини зсередини твердими частинками, а «ефективна» ширина тріщини наблизиться до нуля, що призведе до втрат тиску на тертя. У моделі PWRI-FRAC вплив кірки фільтрату на потік води в тріщині прийнято локалізованим в свищах, які формуються в кірці фільтрату. Формування свищів в кірці фільтрату істотно знижує втрати тиску на тертя. Ступінь закупорки каналу тріщини, в якій починають формуватися свищі, враховується в моделі шляхом введення змінної / сМ. Мінлива / сл визначається, як співвідношення між «ефективної» товщиною тріщини і загальною товщиною тріщини, при якій починається формування свищів.

    го-

    ? про.

    / /

    1

    1

    1 II 1 1 1 1 1

    1 + 1 Напруга

    |40

    .20 Про

    л

    і<

    -0 Р

    Сі

    1)

    -20 С ?

    «і

    н

    --40 До Я

    про

    Я

    а

    -|60 сл

    --80 До

    Про 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Відстань по вертикалі від центру резервуара, м

    Мал. 6. Температура і розподіл напруги внаслідок ефекту охолодження (піщаник)

    Радіус від стовбура свердловини ,. «

    Мал. 7. Зміна окружного напруги внаслідок поро-вого тиску / температури (вапняк)

    Значення порядку величини для розраховується з урахуванням сили, що діє на окрему частку кірки фільтрату на зовнішній поверхні. Закачується рідина створює зсувні зусилля, а рідина, що поглинається прилеглим пластом і поточна перпендикулярно поверхні тріщини в пласт, створює нормальні осьові зусилля. Під дією зсувних зусиль частки фільтрату прагнуть відокремитися від кірки фільтрату, а нормальні осьові зусилля прагнуть утримати їх на місці. Критичну ефективну товщину тріщини, при якій частка фільтрату

    почне відділятися від поверхні кірки фільтрату, можна розрахувати, застосувавши стандартний критерій ковзання до осьовим і зрушують зусиллям, чинним на цю частку [3]:

    Wcrit (r) =

    2 kL

    DpaJ

    -cos

    L У

    V У

    1 -

    z L v

    L

    V У

    де ^ - проникність кірки фільтрату, 0<r<L, Dpart - діаметр частинки кірки фільтрату, f - коефіцієнт ковзання.

    За результатами лабораторних досліджень в рамках спільного проекту PWRI була визначена величина / = 10-3 [3]. З наведеної вище формули видно, що критична ефективна ширина тріщини, при якій починається руйнування кірки фільтрату, збільшується пропорційно квадратному кореню довжини тріщини. Оскільки загальна ширина зростаючої тріщини (м ^), як правило, теж майже пропорційна квадратному кореню довжини тріщини, можна припустити, що

    значення коефіцієнта fcrit не залежить від довжини тріщини. Вказану формулу можна використовувати для розрахунку порядку величини коефіцієнта fcrit. При типовою проникності кірки фільтрату в 10 мДарсі довжина тріщини буде дорівнює 100 м, а розмір часток - 1 мкм. Отримуємо величину wcrit близько 1 мм. Для «стандартної» максимальної ширини тріщини в моделі PWRI, рівній приблизно 10 см, це відповідає значенню fcrit близько 0,01. Це відповідає значенню, отриманому шляхом адаптації моделі PWRI-FRAC до промисловим даним. Таким чином, рекомендоване значення коефіцієнта fcrii одно 0,01.

    Програмний продукт PWRI-FRAC, що є частиною інтегрованої системи Petroleum Expert, дозволяє виробляти моделювання тріщини для нагнітальних і поглинаючих свердловин при тиску закачування вище тиску гідророзриву пласта, оцінювати прогнозні параметри тріщини (довжина, висота, ширина) і прогнозувати можливі наслідки.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Ван ден Хоук П.Дж., Волчков Д., Бургос Г., Масфрі P.A. Застосування нового методу інтерпретації кривої падіння тиску для дослідження водонагнетательних свердловин, закачують в умовах утворення тріщин на шельфі о. Сахалін // SPE Російська Нафтогазова Технічна Конференція: Матер. 3-ій Всеросс. конф. SPE по розробці родовищ нафти і газу - м.Москва, 3-6 жовтня 2006 року - С. 34-43.

    2. Жидкова Н.А., Захарова А.А. Застосування програмного комплексу PWRI-FRAC для моделювання тріщини при тиску вище тиску ГРП в поглинаючих свердловинах. // Пріоритетні напрямки розвитку науки і технологій: Матер.

    Всеросс. науково-техн. конф. - р Тула, 25 листопада - 7 грудня 2QQ7. - С. 186-188.

    3. Van den Hoek P. J., Sommerauer G.S. Technical user guide for Water Injection above fracturing conditions using PWRI-FRAC // SI-EP 99-5662. - Rijswijk, 1999 - P. 65-78.

    4. Petroleum Experts. Integrated Production Modeling and Field Management Tools [Електронний ресурс] Режим доступу -http: //www.petex.com/products - Q5.Q8.Q8.

    Надійшла 26.09.2008 р.


    Ключові слова: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РОЗРИВІ ПЛАСТА / МЕТОДИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ нафтогазовидобутку / МОДЕЛЮВАННЯ / АЛГОРИТМИ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити