ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ТРЕЩИНЫ, ЗАПОЛНЕННОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИМ РАСКЛИНИВАЮЩИМ АГЕНТОМ
DETERMINATION OF PARAMETERS OF BOTTOMHOLE FRACTURE PART OF FRACTURE WITH USE OF ELECTROMAGNETIC WELDING OF BOTTOMHOLE FRACTURE PART OF FRACTURE FILLED WITH CONDUCTIVE PROPPANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области интенсификации добычи углеводородов с использованием гидравлического разрыва пласта.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В известном из уровня техники решении WO 2014004815 A1 описана закачка жидкости гидроразрыва пласта (ГРП), расклинивающего агента (проппанта) и добавки для зондирования в скважину для формирования трещины гидроразрыва пласта. Известное решение может также включать использование электропроводящей обсадной колонны таким образом, чтобы зондирующая добавка излучала электромагнитное поле, измерение этого электромагнитного поля и определение положения трещины на основе измеренного электромагнитного поля.
В известном из уровня техники решении US 5151658 А представлена трехмерная система детектирования трещин и их распределения в земной коре с использованием искусственного магнитного поля, которая включает: трассировщик, состоящий из магнитных частиц внедренный в трещины в земной коре, имеющий высокую магнитную проницаемость и удельный вес приблизительно равный удельному весу жидкости, находящейся в трещине, а также устройств для детектирования магнитного поля, подвешенных внутри скважин, пробуренных в земной коре и включающих в себя передатчики и приемники, работающие на определенной частоте.
В решении US 20140184228, A1 предложен способ обработки земных недр через скважину, включающий в себя закачку электропроводящих или электромагнитных волокон в земные недра в течение гидроразрыва пласта. Описаны подходящие металлические материалы, органические полимеры, а также органические полимеры, покрытые или содержащие электропроводящие или электромагнитные материалы. За обработкой следует измерение удельного сопротивления и/или электромагнитных свойств, в частности с помощью межскважинного электромагнитного просвечивания.
В решении US 20100147512, A1 предложен способ просвечивания трещины включающий: помещение электрически активного (ЭА) расклинивающего агента в трещину, зарядки этого расклинивающего агента с помощью электрического сигнала, детектирования электрического сигнала с помощью одной или нескольких антенн и получения изображения трещины с использованием зарегистрированного сигнала, причем расклинивающий агент включает в себя ЭА частички, ЭА жидкость гидроразрыва пласта или их комбинации.
В решениях, известных из уровня техники, не рассматривалось определение параметров трещины в ее призабойной части с закачиванием электропроводящего расклинивающего агента и применением электромагнитного каротажа из одной скважины.
Соответственно в уровне техники имеется необходимость в создании методики определения параметров трещины в ее призабойной части с закачиванием электропроводящего расклинивающего агента и применением электромагнитного каротажа из одной скважины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем описании раскрыт новый подход к определению параметров призабойной части трещины гидроразрыва пласта, таких как ширина, высота, угол падения и азимут трещины, а также длину призабойной части трещины.
В соответствии с заявленным изобретением раскрыт способ определения параметров призабойной части трещины гидроразрыва пласта, в котором обеспечивают обсаженную скважину с зацементированной колонной и с перфорационными кластерами в пределах заданной зоны гидроразрыва пласта или скважину с открытым стволом. Затем осуществляют электромагнитный каротаж до проведения гидроразрыва пласта в пределах заданной зоны продуктивного пласта для записи отклика от среды без трещины и определяют как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки. Осуществляют этап закачивания в скважину текучей среды гидроразрыва, не содержащей расклинивающий агент, используя как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки, с образованием трещины в пласте и осуществляют этап закачивания в скважину текучей среды гидроразрыва, содержащей неэлектропроводящий расклинивающий агент, используя как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки. После этого осуществляют этап закачивания в скважину текучей среды гидроразрыва, содержащей электропроводящий расклинивающий агент, причем объем текучей среды гидроразрыва, содержащей электропроводящий расклинивающий агент, зависит от заданной глубинности измерения электромагнитного каротажа и спрогнозированных высоты и ширины трещины гидроразрыва пласта в ее призабойной части, таким образом, чтобы длина призабойной части трещины гидроразрыва пласта, заполненной электропроводящим проппантом оказалась меньше чем глубинность измерения электромагнитного каротажа. После чего обеспечивают обратный ток текучей среды гидроразрыва пласта и очистку трещины. Затем осуществляют электромагнитный каротаж в пределах заданной зоны гидроразрыва пласта для записи измеренных откликов от призабойной части трещины гидроразрыва пласта, содержащей электропроводящий расклинивающий агент и определяют параметры призабойной части трещины гидроразрыва пласта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее варианты осуществления заявленного изобретения описываются более подробно, посредством чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация осуществления изобретения.
Фиг. 2 - каротаж в вертикальной обсаженной скважине.
Фиг. 3 а), б), в) - отклики от электропроводящих трещин в вертикальной обсаженной скважине для различных удалений источник-приемник HTR: а) 0.5 м, б) 1 м, в) 2 м.
Фиг. 4 - каротаж в горизонтальной обсаженной скважине.
Фиг. 5 а), б), в) - отклики от электропроводящих трещин в горизонтальной обсаженной скважине для различных удалений источник-приемник HTR: а) 0.5 м, б) 1 м, в) 2 м.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Гидравлическим разрывом пласта (ГРП) называется интенсификация добычи углеводородов из скважины путем создания зоны с высокой проницаемостью, заполненной расклинивающим агентом (проппантом). Эффективность ГРП, в конечном счете, определяемая приростом добычи зависит от размеров трещины, заполненной расклинивающим агентом (так называемой, площади контакта с пластом).
В настоящее время не существует коммерчески доступного способа по определению положения трещины, заполненной расклинивающим агентом. Даже наиболее широко используемый микросейсмический мониторинг, используемый для определения геометрии и размеров трещины ГРП, не дает представления о расположении расклинивающего агента внутри трещины. Таким образом, метод определения положения расклинивающего агента будет в высшей степени востребованным для оценки эффективности ГРП и, таким образом, для оптимизации как расписания закачки так и стратегии заканчивания скважины.
Идея придания расклинивающему агенту магнитных или электропроводящих свойств для определения его положения во всей трещине с помощью электромагнитных методов с высокой глубинностью исследования, широко представлена в анализе предшествующего уровня техники, приведенном выше. Основными трудностями, связанными с определением геометрии всей трещины являются: необходимость применения затратного электромагнитного метода с высокой глубинностью исследования, который может потребовать наличия дополнительной (мониторинговой) скважины и высокая стоимость производства больших объемов электропроводящего расклинивающего агента, необходимого для заполнения всей трещины целиком.
В настоящем изобретении также используется электропроводящий расклинивающий агент и электромагнитные измерения. При этом, в отличие от предшествующего уровня техники целью настоящего изобретения является оценка эффективности интенсификации в призабойной зоне путем определения ширины трещины, заполненной проппантом для диагностики нежелательной перепродавки, которая может оказывать негативное влияние на дебет. Кроме того, использование индукционного каротажа с использованием трехосных катушек может дать очень ценную информацию об азимуте и наклоне трещины вблизи скважины.
Обычно, эффективность стимуляции в призабойной зоне качественно оценивается с помощью закачки радиоактивных изотопов (трейсеров), с последующим проведением радиоактивного каротажа. При этом измеряемая интенсивность радиоактивного излучения пропорциональна ширине трещины в призабойной зоне. В данном изобретении используется схожий подход, но дающий не качественный, а количественный результат. Кроме того, он не требует использования опасных радиоактивных материалов.
Настоящее изобретение не затрагивает производство электропроводящих расклинивающих агентов. Смесь расклинивающего агента с электропроводящими полосками, защищенная патентом US6,725,930, или частички расклинивающего агента, покрытые металлом, могут послужить хорошими примерами таких материалов и быть использованы в данном изобретении.
На Фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация заявленного способа. Данное изобретение относится к методу определения параметров призабойной части (104) трещины (105) ГРП (на расстояниях до 10 метров от ствола (100) скважины), таких как ее ширина, протяженность, угол падения и азимут. Призабойная часть трещины заполняется небольшим объемом (~ 5% от полного объема закачанного расклинивающего агента) электропроводящего расклинивающего агента с электропроводностью > 10 См/м, который закачивается на самой последней стадии ГРП. Параметры призабойной части трещины определяются с помощью электромагнитных измерений, выполненных индукционным каротажным прибором (101) в скважине до и после ГРП в пределах заданной зоны (103) гидроразрыва пласта. Индукционный каротажный прибор включает в себя генераторную и несколько приемных катушек, состоящих из совмещенных трехосных антенн, представляющих собой магнитные диполи и работающих на частотах от 0 до 1 кГц. Удаление между генераторной и группой из приемных катушек может составлять от 3 до 100 метров. Вариант осуществления индукционного каротажного прибора представлен в патенте US 6,690,170 B2.
В соответствии с заявленным изобретением в скважину (100), планируемую для выполнения работ по гидроразрыву пласта, например обсаженную скважину с зацементированной колонной и с перфорационными кластерами в пределах заданной зоны (103) гидроразрыва пласта или скважину с открытым стволом, опускают каротажный прибор (102), например, указанный выше, и осуществляют электромагнитный каротаж до гидроразрыва пласта в пределах заданной зоны продуктивного пласта для записи отклика от среды без трещины. Затем для расчета необходимых объемов расклинивающего агента и текучей среды гидроразрыва определяют как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки используя следующие методики. Для традиционных месторождений используются модели плоской трещины гидроразрыва, такие как: PKN, KGD и P3D (J. Adachi, Е. Siebrits, A. Peirce, and J. Desroches, "Computer simulation of hydraulic fractures," Int. J. of Rock Mech. & Mining Sci., no. 44, pp. 739-357, 2007). Для моделирования сложной сети трещин гидроразрыва, образующихся при проведении гидроразрыва пласта в газовых песчанниках и сланцевых залежах можно воспользоваться моделью UFM (X. Weng, О. Kresse, С.Cohen, R. Wu, and Н. Gu, "Modeling of Hydraulic Fracture Network Propagation in a Naturally Fractured Formation," SPE 140253, 2011).
После этого осуществляют операции по проведению гидроразрыва пласта, такие как закачивание в скважину текучей среды гидроразрыва, не содержащей расклинивающий агент (буфера), используя как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки, с образованием трещины (105) в пласте. И затем закачивают в скважину текучую среду гидроразрыва, содержащую неэлектропроводящий расклинивающий агент, используя как спрогнозированные размеры трещины гидроразрыва пласта, так и объемы текучей среды и расклинивающего агента, необходимые для закачки.
Затем осуществляют этап закачивания в скважину текучей среды гидроразрыва, содержащей электропроводящий расклинивающий агент, причем объем текучей среды гидроразрыва, содержащей электропроводящий расклинивающий агент, зависит от заданной глубинности (102) измерения электромагнитного каротажа и спрогнозированных высоты и ширины трещины гидроразрыва пласта в ее призабойной части, таким образом, чтобы длина призабойной части трещины гидроразрыва пласта, заполненной электропроводящим проппантом оказалась меньше, чем глубинность измерения электромагнитного каротажа. При этом электропроводность электропроводящего расклинивающего агента является выше, чем электропроводность как непроводящего расклинивающего агента, так и чем электропроводность вмещающей среды.
После закачки в скважину текучей среды гидроразрыва, содержащей электропроводящий расклинивающий агент трещины обеспечивают обратный ток текучей среды гидроразрыва пласта и очистку трещины, например посредством открытия заслонки на устье скважины.
После очистки скважины осуществляют электромагнитный каротаж в пределах заданной зоны гидроразрыва пласта для записи измеренных откликов от призабойной части трещины гидроразрыва пласта, содержащей электропроводящий расклинивающий агент.
В одном из вариантов осуществления в отклик вносится поправка за обсадную колонну путем использования меньшей антенны, расположенной рядом с основными антеннами.
Так как прибор будет использоваться как в вертикальных, так и в наклонных скважинах, для того, чтобы определить структурные параметры, понадобится тензорный передаточный импеданс (Vij/Iij), полученный как отношение комплекснозначного напряжения в приемнике к комплекснозначному току в источнике для всех комбинаций трехосных антенн.
Для малых удалений «генератор-приемник» измеренный тензорный отклик будет инвертирован для получения значений Rh, Ry, угла падения и азимута слоев во вмещающей среде. Большие удаления «генератор-приемник» используются для определения ширины трещины, угла падения, азимута и ее длины. А также любые другие процессы, в зависимости от свойств вмещающей среды, обсадной колонны и трещины.
Для определения параметров трещины, заполненной расклинивающим агентом в призабойной части, сопоставляют результаты инверсии измеренных откликов от призабойной части трещины гидроразрыва пласта, содержащей электропроводящий расклинивающий агент с результатами инверсии откликов, измеренных от среды без трещины до проведения гидроразрыва пласта.
При этом инверсию измеренных откликов проводят посредством сравнения измеренных откликов с результатами решения прямой задачи, а результатом инверсии принимают такую модель среды в пределах заданной зоны гидроразрыва пласта, для которой различия между результатами решения прямой задачи и измеренными откликами не превышают заданного порогового значения.
Решение прямой задачи определяют как численное моделирование отклика электромагнитного каротажа для модели среды в пределах заданной зоны гидроразрыва пласта, с помощью метода конечных элементов. В качестве варианта осуществления, решение прямой задачи определяют с помощью численного моделирования электромагнитного поля в среде с тонкими проводящими объектами векторным методом конечных элементов на тетраэдральном разбиении на полном иерархическом базисе полного второго порядка с использованием модифицированной вариационной постановки.
Вышеуказанное численное моделирование выполняют с помощью одной из методик, раскрытых, например, в Garry Rodrigue, Daniel White. «A vector finite element time-domain method for solving Maxwell's equations on unstructured hexahedral grids» SIAM J. Sci. Comput. 2001. v. 35, p. 315-341; Нечаев O.B., Шурина Э.П. «Многосеточный алгоритм решения векторным методом конечных элементов трехмерного уравнения Гельмгольца» // Математическое моделирование. 2005. Т. ~ 17, № ~ 6. стр. 92-102; Webb J.P. «Edge elements and what they can do for you» / IEEE Transaction on magnetic, 1993, №2, p. 1460-1465; Nedelec J.C. Mixed Finite Elements in R3. - In: Numer. Math., №3, 1980, p. 315-341; Hiptmair R. «Multigrid methods for Maxwell's equations» // SIAM J. Nymer. Anal., 1998, №1, p. 204-225; Lars S. Andersen, John L. ((Hierarchical Tangential Vector Finite Elements for Tetrahedra». - IEEE Microwave and guide wave Letters, 1998, №3. p. 8.; Nechaev O., Shurina E., Botchev M. ((Multilevel iterative solvers for the edge finite element solution of the 3D Maxwell equation», Computers and Mathematics with Applications. №10 - 2008, p. 2346-2362; Эпов М.И., Шурина Э.П., Архипов Д.А. «Параллельные конечноэлементные вычислительные схемы в задачах геоэлектрики», Вычислительные технологии. - 2013. Т. 18. - №2. - стр. 94-112.
Примеры численного моделирования, приведенные ниже, иллюстрируют принципиальную возможность определить размеры трещины, заполненной расклинивающим агентом с помощью данной методики. Отклик прибора был смоделирован для каротажа, как в вертикальной, так и в горизонтальной обсаженной скважинах со следующими входными параметрами:
Удельная проводимость трещины σf: 1000 См/м
Проводимость вмещающей породы σb: 0.2 См/м
Полудлина трещины L: 2, 5, 95 м
Высота трещины Hfrac: 50 м
Ширина трещины Wfrac: 2.5, 5 мм
Удаление между генератором и приемником: HTR: 0.5, 1,2 м
Ток в генераторной катушке: 20 А
Частота сигнала: 100 Гц
Вертикальная обсаженная скважина, каротажный прибор и вертикальная трещина, прилегающая к стволу скважины, показаны на Фиг. 2, где представлен анализ чувствительности отклика в электромагнитном приборе к длине и ширине электропроводящей трещины, при проведении каротажа в вертикальной обсаженной скважине.
Графики на Фиг. 3 а) - Фиг. 3 в) показывают относительные отклики Efrac/Ebg от вертикальной трещины, измеренные в приемной катушке вдоль интервала каротажа в вертикальной обсаженной скважине, где Efrac и Ebg - значения электродвижущей силы (ЭДС) рассчитанных для моделей с трещиной и без трещины, соответственно. Графики построены в виде каротажных кривых, где вертикальная ось соответствует глубине, а горизонтальная ось - значению относительного отклика. Две горизонтальные линии А и В на графиках обозначают верхнюю и нижнюю границы трещины. Кривые относительных откликов от трещин с полудлинами в 2 и 5 метров иллюстрируют разрешающую способность метода в призабойной части трещины, тогда как трещина с полудлиной в 95 метров дает представление об отклике в дальней зоне.
На графиках видно, что как полудлина, так и ширина трещины могут быть легко различимы для малых удалений источник-приемник HTR, равных 0.5 и 1 метру показанных на Фиг. 3 а) и б) даже в ближней зоне. Для удаления источник-приемник HTR=2 м относительный отклик становится менее чувствительный к полудлине для тонкой трещины, однако более чувствительный к ширине трещины, как это показано на Фиг. 3 в).
На Фиг. 4 показаны горизонтальная обсаженная скважина, каротажный прибор и вертикальная трещина перпендикулярная стволу скважины.
Подобно результатам из предыдущего примера, на Фиг. 5 а) - 5 в) построены относительные отклики Efrac/Ebg для горизонтальной скважины, а линия А иллюстрирует положение трещины.
Из приведенных результатов видно, что отклик от трещины, перпендикулярной стволу скважины на два порядка выше, чем для случая, когда трещина прилегает к стволу скважины, благодаря эффекту электромагнитного взаимодействия с генераторной катушкой. Также можно заметить, что отклик более чувствителен к полудлине трещины, чем к ее ширине.
Заявленное изобретение имеет следующие преимущества:
- Закачка небольшого объема электропроводящего проппанта позволяет сделать обработку скважины дешевле
- Исследование призабойной части трещины позволяет обойтись недорогими методами с малой глубинностью, которые, к тому же, не требуют наличия дополнительной скважины
- Исследование призабойной зоны не требует большого контраста в электропроводности между проппантной пачкой и вмещающей породой, что также уменьшает затраты на производство электропроводящего проппанта
- И, наконец, сведения о ширине трещины, ее азимуте и наклоне в призабойной зоне могут оказаться решающими при исследовании ее продуктивности, а потому, очень востребованными.
Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний изобретения. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанные выше методику и, без отхода от принципов изобретения, заявленного в формуле изобретения.