СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА В СКВАЖИНЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURE CRACK POSITION IDENTIFICATION IN WELL (EMBODIMENTS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области стимулирования подземного пласта с помощью операции гидравлического разрыва (ГРП) пласта, в частности, к способам идентификации положения трещин гидроразрыва при многозональном стимулировании пласта.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В уровне техники известны решения, описывающие микросейсмику для характеризации трещин ГРП, например, US8369183 (Schlumberger Technology Corporation), WO2014055931 (Halliburton Energy Services), и т.д.
Известны решения, описывающие применение акустических инструментов и компьютерных моделей для описания геометрии трещин ГРП, например, WO2012087796 (Schlumberger Canada limited).
Также в известных решениях применяют температурные измерения для характеризации трещин ГРП, например, WO2014193577 (CONOCOPHILLIPS COMPANY).
Соответственно, в уровне техники имеется потребность в создании простого способа определения положения открытой трещины ГРП при многозональном стимулировании пласта, при использовании простых и доступных средств измерения.
СУЩНОСТЬ
В настоящем раскрытии описывается новый подход к идентификации положения трещин ГРП при многозональном стимулировании пласта. Способ основан на локальном изменении вязкости и/или плотности жидкости, закачиваемой в скважину.
В некоторых вариантах осуществления настоящее раскрытие относится к способу идентификации положения трещины ГРП в скважине. В соответствии с заявленным способом закачивают жидкость ГРП в скважину при давлении выше давления образования трещины для создания, по меньшей мере, одной трещины ГРП. Затем закачивают маркерный пульс в скважину. Далее закачивают вновь жидкость ГРП в скважину. При входе маркерного пульса в, по меньшей мере, одну из трещин ГРП наблюдают регистрируемый отклик давления, и положение трещины ГРП определяют по объему жидкости ГРП, закаченной после маркерного пульса. Маркерный пульс представляет собой порцию жидкости, отличающуюся вязкостью и/или плотностью от жидкостей ГРП, закачиваемых до и после маркерного пульса.
В других вариантах осуществления настоящее раскрытие относится к способу идентификации положения трещины ГРП в скважине в сочетании с операциями кольматирования (закупоривания), по меньшей мере, одной трещины ГРП из уже существующих трещин ГРП.
В других вариантах осуществления настоящее раскрытие относится к способу идентификации положения трещины ГРП в скважине в сочетании с операциями создания, по меньшей мере, одной дополнительной (новой) трещины ГРП в новой зоне стимуляции пласта.
Другие аспекты настоящего раскрытия станут понятными из последующего описания и прилагаемой формулы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 схематически иллюстрирует прохождение потока жидкости в перфорацию или отверстие муфты ГРП через сужение.
На Фиг.2 представлена схема примера реализации способа.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
При выполнении многостадийных операций ГРП на нефтяных и газовых скважинах требуется понимание того, куда именно закачивается жидкость. Настоящее раскрытие описывает способ идентификации трещины в скважине, имеющей одну или несколько трещин ГРП, которые были инициированы в продуктивном пласте, и определение какая из существующих трещин ГРП принимает жидкость в конкретный момент времени.
Настоящее раскрытие опирается на фундаментальные законы течения жидкости через объекты различной геометрии (труба, прямоугольный слот и т.д.). Основная идея, описанная в вышеперечисленных фундаментальных законах, заключается в том, что перепад давления при течении жидкости через трубу или прямоугольный слот зависит от плотности жидкости и ее вязкости.
Из гидродинамики известна формула Дарси-Вейсбаха для разности давления при потоке вязкой жидкости через трубу с диаметром Dr.
(1)
Формула Дарси-Вейсбаха (1) описывает связь между давлением трения (Δpтр) жидкости, текущей в трещине, вязкостью жидкости (учтена в гидродинамическом коэффициенте λ), плотностью жидкости (ρ) и линейной скоростью (ω0).
При потоке жидкости через трубу постоянного диаметра (обсадная труба) поток через локальное сужение (например, через отверстия перфораций в трубе или отверстия муфты ГРП) переходит в объем трещины ГРП. Если мы выбираем две точки по разные стороны от места сужения, то разница давления между двумя точками описывается формулой (1). Как видно, резкое изменение одного из коэффициентов формулы (плотности и/или вязкости жидкости) вызывает изменение давления выше по течению.
При этом снижение разницы давлений по формуле (1) вызывает отрицательный отклик давления, а повышение разницы давлений по формуле (1) (повышение вязкости в пульсе) проявляет себя в виде положительного отклика давления в скважине.
Применительно к стимуляции нефтяных и газовых скважин, течение жидкости через трещину представляет собой процесс, технологически идентичный течению жидкости через узкую прямоугольную щель (Фиг.1). Поток жидкости через перфорацию или отверстие муфты (порта) ГРП идентичен потоку через локальное сужение.
В общем варианты осуществления способа идентификации положения трещины ГРП в скважине могут быть представлены следующей последовательностью операций:
1. Закачать жидкость ГРП в скважину, имеющую несколько открытых муфт (портов) ГРП или интервалов перфораций, где возможно инициировать трещину ГРП;
2. Превысить давление инициации и, таким образом создать трещину ГРП;
3. Закачать маркерный пульс с отличающейся вязкостью и/или плотностью от жидкости ГРП;
4. Закачать жидкость ГРП и продавить ею маркерный пульс до перфораций или муфт ГРП;
5. Обнаружить отклик давления;
6. Сопоставить момент наблюдаемого отклика давления с объемом закачанной жидкости ГРП;
7. Исходя из объема закачанной жидкости ГРП, определить положение перфорационного интервала или положение соответствующей муфты ГРП, где была инициирована трещина до которой был доставлен маркерный пульс (п.4).
Существенным этапом настоящего раскрытия является закачивание в скважину «маркерного пульса». В практике нефтегазовой промышленности, пульсом жидкости называют порцию флюида, которая является стабильно отличимой от остальной жидкости по физическим свойствам. Отличительным свойством «пульса жидкости» может быть плотность жидкости, вязкость жидкости, концентрация добавок и прочее. Пульс жидкости в скважине или трубе можно создать на стандартном оборудовании, соединяя в одной трубе потоки жидкостей с существенно различными свойствами. Например, при технологии канального гидроразрыва в обсадную колонну закачивают попеременно «чистые пульсы» и «грязные пульсы» жидкости ГРП, которые сохраняются при транспортировке до отверстий перфорации. «Грязные пульсы» - это порции вязкой жидкости, содержащие проппант, а «чистые пульсы» -порции жидкости без проппанта. Известно также применение «пульсов жидкостей» для обработки пласта, а также закачивание пульсов (порций) жидкости с различными рН.
В рамках раскрытого способа понятие «маркерный пульс» означает порцию жидкости, которую закачивают в ствол скважины с физическими свойствами, отличными от остальной жидкости ГРП. Признак «маркерный» означает, что состав и размер пульса такие, что доставка пульса в скважину не вызывает существенных изменений в геометрии и положении трещин ГРП. Подобный «маркерный пульс» является источником информации при определении положения трещин ГРП. Другими словами, закачивание «маркерного пульса» не может повлиять на положение и геометрию трещин ГРП, созданных до этого пульса. Средний специалист в нефтегазовой области должен понимать ограничения, которые следует применять при закачивании в скважину «маркерного пульса», чтобы он не вызывал существенных изменений в геометрии трещин ГРП или в проводимости трещин. В частности, физическими свойствами, которые отличают маркерный пульс от порций жидкости ГРП являются эффективная вязкость и (или) плотность жидкости.
-1
В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия жидкость маркерного пульса имеет вязкость, существенно отличающуюся от вязкости жидкости ГРП. Для жидкостей ньютоновоского типа (вода, солевые растворы) вязкость жидкости не зависит от скорости сдвига потока - в большей степени она зависит от температуры. Жидкости неньютоновоского типа демонстируют иное поведение. В случае закачивания жидкости неньютоновского типа (вязкость меняется вместе со скоростью сдвига потока) - это приводит к уменьшению эффективной вязкости жидкости. Такие жидкости характеризуют графиком зависимости вязкости (сПз) от скорости сдвига (единицы сек). Многие рабочие жидкости для скважин основаны на загущающих водорастворимых полимерах, которые относят к классу неньютоновских жидкостей (в частности, это ʺshear-thinning fluidsʺ). Эту особенность реологии жидкостей следует учитывать при рассмотрении существенного признака «вязкость жидкости». Под вязкостью мы понимаем кинематическую (или динамическую) вязкость, измеренную именно в условиях «узкого места» или «высокой скорости сдвига».
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия жидкость маркерного пульса имеет вязкость выше, чем вязкость жидкости ГРП в 10 (или более) раз. Такое различие в вязкости достигают, когда в качестве жидкости ГРП выбирают низковязкую (стандартную) жидкость ГРП, а для маркерного пульса выбирают жидкость, загущенную высокой концентрацией полимера. Как правило, жидкость, загущенная полимером, относится к классу неньютоновских жидкостей. В качестве варианта вязкой жидкости, водорастворимый загущающий полимер дополнительно сшивают сшивающим агентом. В практике нефтяной индустрии, можно получать загущенные жидкости с вязкостью в сотни и тысячи сантипуаз.
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия жидкость для маркерного пульса представляет собой загущенную нефтяную жидкость. При этом загущенная нефтяная жидкость плохо смешивается с водной жидкостью ГРП, что позволяет сохранять высокую разность вязкости между жидкостью ГРП и маркерным пульсом на нефтяной основе.
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия жидкость маркерного пульса имеет вязкость меньше, чем вязкость жидкости ГРП в 10 и более раз. Такая комбинация жидкостей будет получена, если в качестве жидкости ГРП используют воду, загущенную водорастворимым полимером (водонабухающие полисахариды, полиакриламидные полимеры, карбоксиметил целлюлоза и другие загустители), а порция маркерного пульса, напротив, представляет собой водную жидкость без загущающих добавок («невязкий пульс»).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия жидкость маркерного пульса имеет плотность выше, чем плотность жидкости ГРП. Намеренное повышение плотности жидкости известно из практики бурения или проведения ГРП (для обеспечения нужного давления гидростатического столба жидкости, который прямо пропорционален высоте столба жидкости и плотности жидкости). Для повышения плотности жидкости добавляют частицы солей с высокой плотностью. Например, утяжеляющим агентом являются такие минералы как барит, гематит и другие агенты-утяжелители. На практике возможно увеличение плотности жидкостей в 1,1-1,5 раза.
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия плотность маркерного пульса существенно ниже, чем плотность порции жидкости ГРП. Это достигают введением облегчающего материала. Например, облегчающий материал представляет собой добавку для уменьшения плотности маркерного пульса, например, полые алюмосиликатные микросферы, или полимерные полые шарики.
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия жидкость маркерного пульса отличается от жидкости ГРП в большую сторону одновременно по плотности и по вязкости (за счет добавок утяжеляющего или загущающего агентов). Например, маркерный пульс будет иметь повышенную вязкость (в 10 и более раз), и повышенную плотность (в 1,1 и более раз).
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия в жидкость маркерного пульса добавляют измельченные волокна в концентрации выше 0,5%. Известно, что добавка волокон в одну или обе контактирующие жидкости повышает стабильность границы раздела контактирующих жидкостей (жидкость маркерного пульса и жидкость ГРП). Это сохраняет контраст вязкости маркерного пульса, текущего по трубе до места входа в трещину.
После формирования маркерного пульса представим генерацию отклика давления как реакцию на прохождение маркерного пульса через узкие места потока жидкостей.
При прохождении маркерного пульса в зону открытой трещины ГРП, происходит отклик давления. Отклик давления распространяется вверх по флюиду, заполняющему скважину. Отклик давления (положительный или отрицательный прирост давления) регистрируют датчиками давления, расположенными в скважине или на поверхности (в устье скважины).
3
Местом расположения одного или нескольких регистрирующих датчиков давления могут быть выбраны различные позиции в скважине: например, в устье скважины или в стволе скважины. Поскольку при прохождении жидкого маркерного пульса в открытую трещину ГРП возникает отклик давления (пик давления), такой отклик легко регистрируют на диаграмме записи давления, если при этом при работе скважины не происходит иных событий, влияющих на давление в стволе скважины (таких как закрытие трещины, остановка насоса, установка пакера и прочее). Поэтому вариантом осуществления способа является последовательное закачивание жидкости ГРП и маркерного пульса при неизменной скорости расхода жидкостей (м/сек). Именно при неизменной скорости расхода жидкостей (постоянная работа насосов для ГРП) на диаграмме записи давления возможно идентифицировать отклик давления, связанный с прохождением маркерного пульса.
Амплитуда отклика давления зависит от места расположения датчика давления, от уровня шумов в скважине, и от метода записи и обработки сигнала давления. В большинстве случаев полезный сигнал, идентифицирующий событие прохождения маркерного пульса в трещину ГРП может составлять значение выше 0,1 бар, что уверенно регистрируется датчиками давления.
В момент идентификации отклика давления от прохождения маркерного пульса происходит измерение (с помощью расходомера) объема жидкости ГРП, закаченного после маркерного пульса. При известном диаметре (сечении) труб и известной постоянной скорости закачки жидкости ГРП этот объем жидкости ГРП указывает на координату положения маркерного пульса вблизи идентифицируемой трещины ГРП и соответственно координату трещины относительно устья скважины (Фиг. 2).
Варианты осуществления способа различают для различных вариантов заканчивания скважины (варианты создания и поддерживания трещины ГРП). По одному варианту заканчивания, в наклонной или горизонтальной скважине с помощью перфорационных устройств создают кластеры (зоны) перфорации, которые приходятся на зоны пласта, которые нуждаются в стимуляции. Затем с помощью поверхностных насосов закачивают в скважину жидкость ГРП при давлении, превышающем давление гидроразрыва пласта, что приводит к открытию одной или нескольких трещин ГРП. Поскольку механические напряжения в зоне стимуляции пласта отличаются для различных кластеров перфорации, то трещины ГРП инициируются и распространяются в пласт с различной эффективностью.
По другому варианту заканчивания, в наклонной или горизонтальной скважине располагают на трубе одну или насколько муфт ГРП. Закачивание жидкости через муфты ГРП (или порты ГРП) отличается от закачивание через традиционные перфорационные отверстия, проделанные в обсадной колонне. Муфты ГПР делают ненужной операцию формирования перфорационных отверстий с помощью системы зарядов перфорации. Вместо этого, в муфте ГРП присутствуют готовые отверстия. Промышленность также применяет более удобные варианты муфты, в которых набор отверстий можно не только открывать на нужной глубине, но и закрывать, чтобы ограничить сообщение потоков между пластом и насосно-компрессорной трубой (НКТ). При повышении давления жидкости ГРП (этап закачки), происходит гидроразрыв породы (образование трещин) вблизи муфты ГРП. Но при этом вновь образованные трещины формируются в местах «слабой» породы, и эти места могут не совпадать с положениями отверстий муфты ГРП (трещина ГРП смещена относительно муфты ГРП). Для такой конфигурации также целесообразно определение реального положения трещины ГРП.
В описанных вариантах заканчивания скважины с формированием трещин ГРП, появляются узкие места для перетока жидкости ГРП. Это могут быть перфорационные отверстия кластеров перфорации или зона трещины ГРП, близкая к стволу скважины. Признаком такого узкого места повышенная скорость сдвига потока.
При этом отверстия перфораций в трубах могут выполняться в различных вариантах. Перфорационные отверстия для входа жидкости могут быть получены известными в индустрии способами.
В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия способ идентификации положения трещины ГРП в скважине сочетают с другими скважинными операциями, например, с созданием новой трещины (refract), например, в следующей последовательности в соответствии с выбранным графиком закачивания: или кольматирование существующих трещин ГРП.
(a) закачивание жидкости ГРП в скважину, имеющую, по меньшей мере, одну трещину ГРП, и зону инициирования новой трещины ГРП;
(b) превышение давления выше давления образования трещины и создание, по меньшей мере, одной новой трещины ГРП;
(c) закачивание маркерного пульса в скважину;
(d) закачивание жидкости ГРП в скважину.
При этом при входе маркерного пульса в, по меньшей мере, одну из трещин ГРП наблюдают регистрируемый отклик давления, и положение трещины ГРП определяют по объему жидкости ГРП, закаченной на этапе (d).
В практике многозональной стимуляции пласта возникает потребность перенаправить потоки рабочих жидкостей из одной трещины в другую трещину ГРП. Для этого проводят изолирование нужного участка скважины посредством закачки ʺизолирующей пачкиʺ или ʺблокирующей пачкиʺ.
Поэтому в некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия способ идентификации положения трещины ГРП в скважине сочетают с другими скважинными операциями, например, с кольматированием уже существующих трещин ГРП, например, в следующей последовательности в соответствии с выбранным графиком закачивания:
(a) закачивание в скважину жидкости ГРП при давлении выше давления образования трещины и создание, по меньшей мере, одной трещины ГРП;
(b) кольматирование, по меньшей мере, одной трещины ГРП в скважине;
(c) закачивание в скважину жидкости ГРП при давлении выше давления образования трещины и создание, по меньшей мере, одной новой трещины ГРП;
(d) закачивание маркерного пульса в скважину;
(e) закачивание жидкости ГРП в скважину.
При входе маркерного пульса в, по меньшей мере, одну из трещин ГРП наблюдают регистрируемый отклик давления, и положение трещины ГРП определяют по объему жидкости ГРП, закаченной на этапе (e).
Между этапами (а) и (b) могут быть достаточно долгие временные интервалы для осуществления скважинных операций.
Кольматирование трещин(ы) ГРП на этапе (b) осуществляют любым известным способом, например, используя деградируемые материалы.
Варианты осуществления настоящего раскрытия позволяют проводить идентификацию положения трещин ГРП, принимающих жидкость ГРП, без привлечения сложного скважинного оборудования, распределенных датчиков давления, нагрузки, температуры и пр. Измерения отклика давления проводят с помощью стандартного датчика давления, имеющегося на скважине.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Пример демонстрирует закачивание маркерного пульса, возникновение отклика давления, регистрируемого в устье скважины при вхождении маркерного пульса в трещину ГРП, и далее по объему закаченной жидкости ГРП определение положения трещины ГРП в скважине.
На Фиг.2 показано прохождение вязкого маркерного пульса через участок горизонтальной скважины с несколькими муфтами (портами) ГРП. Скважина имеет постоянный диаметр трубы. Насосы на поверхности (не показаны) создают постоянный расход жидкости ГРП, который поступает в скважину и расходуется через одну или несколько открытых трещин ГРП. Обозначены положения трех муфт ГРП (1-ая, 2-ая, 3-ья).
В определенный момент времени устройство подачи жидкости ГРП в скважину переключают на емкость с вязкой жидкостью (образованный «маркерный пульс»). В каждом конкретном случае вязкость маркерного пульса находится в пределах, например, от 10 до 100 раз превышающей вязкость жидкости ГРП. После введения порции маркерного пульса вентиль подачи жидкости переключают на подачу прежней жидкости ГРП.
При транспортировке вязкого маркерного пульса по стволу скважины маркерный пульс остается в виде единой порции между двумя низковязкими жидкостями ГРП.
Поскольку закачивание жидкостей происходит при давлении выше давления гидроразрыва пласта (P> Pfrac) и при постоянной скорости расхода жидкости, то момент (время) прохождения маркерным пульсом вблизи одной из муфт ГРП пропорционально связана с объемом закачанной жидкости ГРП после закачивания маркерного пульса. Прохождение маркерного пульса через узкое место возле муфты ГРП (или входа в трещину ГРП) вызывает локальное изменение разницы давления из-за сужения потока, это изменение в режиме течения жидкости проявляется в виде положительного отклика давления, которое регистрируют с помощью датчика давления, который расположен в устье скважины.
Пример 2
3
3
3
3
Выполняя многостадийную ГРП на одной из скважин в России была выполнена последовательность операций для идентификации положения трещины ГРП в скважине. При выполнении этапа (закачать маркерный пульс) использовалась жидкость в объеме 2 м (сшитый гель с концентрацией гелирующего агента 7,2 кг/м) с вязкостью в 460 раз превышающей вязкость жидкости ГРП на других этапах. Маркерный пульс продавили продавочной жидкостью ГРП (линейный гель с концентрацией гелирующего агента 3,6 кг/м) при постоянной скорости расхода жидкости. Объем продавочной жидкости ГРП до получения отклика давления в 60 бар составил 16 м, что соответствует объему до муфты ГРП № 5.
Пример 3
Выполняя многостадийную ГРП по примеру 2, закачали маркерный пульс вязкостью в 460 раз превышающей вязкость жидкости ГРП на других этапах.
3
3
3
3
3
При выполнении этапа (закачать маркерный пульс) использовалась жидкость в объеме 2 м (сшитый гель с концентрацией гелирующего агента 7,2 кг/ми добавлен утяжелитель (барит) до эффективной плотности маркерного пульса 1250 кг/м) с вязкостью в 460 раз превышающей вязкость жидкости ГРП на других этапах. Маркерный пульс продавили продавочной жидкостью ГРП (линейный гель с концентрацией гелирующего агента 3,6 кг/м) при постоянной скорости расхода жидкости. Объем продавочной жидкости ГРП до получения отклика давления в 80 бар составил 15,4 м, что соответствует объему до муфты ГРП № 6.
Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний раскрытия. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанные выше способы и, без отхода от принципов раскрытия, заявленного в формуле.