СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА В ПЛАСТАХ, СОДЕРЖАЩИХ ПРИРОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ
METHOD OF CONTROL OVER HYDRAULIC FRACTURING PATH IN FORMATIONS WITH INTRINSIC FRACTURES

Область техники
Изобретение относится к способам управления, контроля и оптимизации параметров трещины гидравлического разрыва (гидроразрыва) пласта (далее - ГРП) при проведении ГРП в нефте- и газоносных резервуарах с существующей сетью природных (геологических) трещин и может найти применение на соответствующих нефтяных и газовых месторождениях.
Предшествующий уровень техники
ГРП представляет собой широко используемый способ интенсификации притока углеводородов из пласта в нефтяных или газовых скважинах. Для достижения наилучшего экономического результата операции ГРП разрабатывается расчетная модель операции. Такая модель основывается на механических характеристиках пласта, таких как пластовые наряжения, упругие и пластические модули породы, трещиностойкость, проницаемость и проч., а также подборе оптимальных параметров закачки жидкости ГРП в пласт, в частности, выбор надлежащей жидкости ГРП, расклинивающих агентов, режима закачки и проч. Расчетная модель разрыва играет достаточно важную роль, состоящую в том, чтобы гарантировать, что реальные параметры геометрии трещины совпадут с прогнозируемыми значениями, а выбранная жидкость ГРП и расклинивающий агент, их количество, скорость закачки и программа изменения концентрации расклинивающего агента в различных порциях жидкости разрыва приемлемы для успешной реализации самого процесса ГРП.
Большинство расчетных моделей, предлагаемых в настоящее время для коммерческого использования (STIMPLAN, NSI Technologies; FracProPT, Pinnacle Technologies; MFRAC, Meyer and Associates; и т.п.), а также информация, содержащаяся в ссылках 1-9, основываются на предположении, что в обрабатываемой породе создается единственная плоскость гидравлического разрыва. Разрыв начинается от ствола скважины и увеличивается со временем по длине и высоте по мере закачивания жидкости гидроразрыва и расклинивающего агента. Напряженное состояние в пласте резервуара таково, что обычно имеется минимальное напряжение в одной из трех компонент напряжения, и созданный гидравлический разрыв стремится распространяться в плоскости, перпендикулярной к минимальному напряжению. Это предположение об единственном плоскостном разрыве обычно приемлемо для операций гидроразрыва в пласте, состоящем из горизонтально однородных слоев.
Однако, в последнее время стало увеличиваться количество операций ГРП, выполняемых на нестандартных нефтеносных пластах. В случае сложных пластовых резервуаров, например, содержащих сланцевый газ, в которых имеется сеть природных (геологических) трещин, предположение о том, что трещина ГРП имеет планарную геометрию, становится не обоснованным. В таких пластах наблюдается проникновение жидкости гидроразрыва в так называемые, соединительные ветви, в результате чего создается сложная сеть пересекающихся разрывов.
Стало очевидным, что традиционные средства разработки оптимальных стратегий выполнения операции гидроразрыва пласта, основанные на планарном распределении, не дают необходимого эффекта в применении в продуктивных слоях сложной объемной конфигурации.
В таких случаях требуются новые средства разработки для определения оптимальных стратегий выполнения операции ГРП.
Так, с учетом назначения, а именно, выполнения ГРП в пластах, содержащих природные (геологические) трещины, наиболее близким к заявленному изобретению является способ гидроразрыва породы, содержащей природные трещины (WO 2008093264, Е21В 43/26, опубл. 07.08.2008). Способ реализуется для проведения процесса ГРП в пластах, содержащих геологические трещины. Согласно указанному способу осуществляют: а) получение геомеханических свойств слоя подземного пласта, данных о заканчивании скважины и пластовом резервуаре для подземного пласта и описания сети геологических разрывов в подземном пласте; b) моделирование операции гидроразрыва пласта, заключающееся во вводе полученных данных в модель, которая моделирует продвижение сети ветвей разрыва с использованием деления ветвей разрыва на множество элементов, чтобы образовать сетку разрыва, с) определение и приготовление оптимального состава жидкости гидроразрыва для достижения цели операции гидроразрыва, d) закачивание жидкости гидроразрыва в ствол скважины под давлением, достаточным для разрыва подземного пласта.
Вместе с тем, известный способ имеет недостатки, выраженные в том, что предлагаемый способ имеет большую ресурсоемкость вычислений, что увеличивает капиталозатраты на осуществление. Вместе с тем, в способе отсутствует корректировка расчетной модели за счет сравнения расчетных и полученных измерений, что увеличивает ошибку эксперимента и ведет к низкой точности способа в целом.
Раскрытие изобретения
Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении эффективности и точности управления процессом ГРП, а именно, траекторией распространения трещины ГРП в пластах, содержащих природные (геологические) трещины, а также в снижении капиталозатрат на его реализацию.
Технический результат достигается за счет реализации следующих операций:
а) предварительно создают матрицу взаимосвязи между множеством исходных параметров о пласте, закачке и трещине и прогнозируемым приращением траектории трещины гидроразрыва пласта,
б) инициируют процесс гидроразрыва пласта,
в) осуществляют измерение действительных исходных параметров образующейся трещины гидроразрыва,
г) осуществляют поиск и получение по матрице прогнозируемого приращения траектории трещины в зависимости от действительных исходных параметров образующейся трещины,
д) измеряют действительное приращение траектории образующейся в процессе гидроразрыва трещины,
е) осуществляют сравнение действительного приращения траектории образующейся трещины с прогнозируемым приращением траектории трещины,
ж) и в случае их расхождения осуществляют изменение действительных исходных параметров образующейся трещины.
Матрицу взаимосвязи между множеством исходных параметров о пласте, закачке и трещине и прогнозируемым приращением траектории трещины гидроразрыва пласта создают путем численных расчетов и/или экспериментов.
Исходные параметры о пласте, закачке и трещине включают параметры пласта и природных трещин, параметры закачки жидкости гидроразрыва, параметры начальной траектории трещины.
В качестве параметров пласта и природных трещин используют механические напряжения в пласте, коэффициенты сцепления на поверхностях раздела, коэффициенты трения на поверхностях раздела, относительный угол между трещиной гидроразрыва и природным разломом в точке их контакта, параметр, характеризующий месторасположение природных трещин, параметр размера природных трещин.
В качестве параметра закачки жидкости гидроразрыва пласта используют вязкость закачиваемой жидкости гидроразрыва, скорость закачки жидкости гидроразрыва, усредненное давление жидкости в трещине гидроразрыва.
В качестве параметра начальной траектории трещины используют длину трещины, зазор между концом трещины гидроразрыва пласта и поверхностью раздела.
Исходные параметры о пласте, закачке и трещине и прогнозируемое приращение траектории трещины гидроразрыва пласта в матрице представлены в виде нормированных величин.
Операции в), г), д), е), ж) выполняют в режиме реального времени процесса гидроразрыва пласта.
Операции в), г), д), е), ж) выполняют с помощью устройства управления.
Устройство управления снабжено функцией конвертирования действительных измеряемых величин в нормированные величины и наоборот.
Действительные исходные параметры образующейся трещины гидроразрыва измеряют с помощью средств измерения.
Действительное приращение траектории образующейся трещины гидроразрыва измеряют с помощью средств измерения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Схематичное изображение основных параметров при приближении гидравлического разрыва к поверхности раздела.
Фиг.2 - Схематичное изображение возможных вариантов распространения траектории трещины ГРП при ее взаимодействии с поверхностью раздела.
Фиг.3 - Схематичное изображение трех возможных базовых вариантов распространения трещины ГРП при взаимодействии с природной трещиной.
Фиг.4 - Фрагмент матрицы взаимосвязи нормированных параметров и характеристики смещения трещины ГРП на поверхности раздела.
Варианты осуществления изобретения
Существует много факторов, управляющих сложностью геометрии гидравлического разрыва. В случае гидроразрыва, вступающего во взаимодействие с коллекторным слоем, естественным разрывом или разрывным нарушением, образовавшимся при трении (все они далее называются «поверхность раздела»), гидравлический разрыв может продолжиться прямо сквозь поверхность раздела, или же закончиться на поверхности раздела, или же продолжить свое распространение на некотором смещении вдоль раздела (Фиг.3).
К основным параметрам, которые управляют выбором одного из перечисленных вариантов прохождения трещины, относятся, в частности: скорость закачки жидкости ГРП (Q), вязкость жидкости ГРП (µ), разность напряжений на бесконечности (σ1-σ3), свойства поверхности раздела, такие как трение (φ), сцепление (С), угол подхода (β) трещины ГРП к поверхности раздела и зазор (d) между ближайшим концом гидравлического разрыва и поверхностью раздела (Фиг.1).
На Фиг.2 показаны возможные варианты распространения трещины ГРП при пересечении поверхности раздела. На Фиг.1 и Фиг.2 поверхность раздела изображена в виде тонкой горизонтальной линии, разрезающей каждый рисунок пополам, "Mat 1" и "Mat 2" указывают потенциально отличающиеся материалы на каждой стороне поверхности раздела, а трещина подходит с нижней части рисунка. Для схематичного указания возможной траектории распространения трещины ГРП для данных рисунков предполагалось, что разрыв имеет плоскостную геометрию, хотя процесс можно расширить и на трехмерную модель.
При помощи независимого варьирования каждого из этих управляющих параметров посредством проведения серии физических экспериментов или численного моделирования имеется возможность определить условия, при которых наиболее вероятны различные сценарии (варианты) пересечения поверхности раздела, т.е. характер и направление трещины ГРП, показанные на Фиг.2. Для этого может потребоваться большое количество сценариев (серий экспериментов), в зависимости от требующейся разрешающей способности, но в случае численного моделирования с использованием современных вычислительных устройств (компьютеров) это вполне осуществимо и промышленно применимо.
Полученные результаты могут быть сведены в матрицу (база данных, справочная таблица или иные массивы информации), содержащую ключевые данные, определяющие, будет ли гидроразрыв при закачивании жидкости иметь тенденцию быть более плоскостным в одном крайнем случае, или он будет иметь тенденцию к ветвлению на много разрывов, покрывающих большой объем резервуара в другом крайнем случае, или распространяющийся гидравлический разрыв прекратит рост на поверхности раздела без дальнейшего распространения. Такая матрица может быть создана путем численных расчетов и/или физических экспериментов.
Вместе с тем, также требуется информация о геометрической сложности распространения гидравлического разрыва через сеть уже существующих естественных разрывов. Эта информация может основываться на результате взаимодействия между гидравлическим разрывом и уже существующим естественным разрывом или поверхностью раздела. Известный результат этого взаимодействия с естественным разрывом может налагаться, чтобы дать результирующую траекторию распространения разрыва через последовательность естественных разрывов в трещиноватом пласте. Здесь и далее, изменение траектории трещины ГРП, учитывающее ее характеристики, такие как характер трещины, геометрия и направление трещины, будет считаться «приращением» трещины.
Таким образом, первый шаг в предлагаемом способе состоит в том, чтобы получить решение задачи о взаимодействии трещины ГРП с уже существующим природным разломом и сохранить полученное решение для его дальнейшего использования.
Так как результат распространения разрыва через поверхность раздела зависит от таких параметров, как: 1) параметры пласта и природных трещин, 2) параметры закачки жидкости ГРП, 3) параметры начальной траектории трещины, то считаем, в рамках заявленного изобретения, что указанные параметры образуют «исходные» параметры о пласте, закачке и трещине.
Так, «исходные» параметры, в частности, включают:
- параметры (свойства) пласта и природных трещин:
механические напряжения в пласте в этом месте, коэффициенты сцепления и трения на поверхностях раздела, относительный угол их наклона относительно трещины ГРП, местоположение и размер природных трещин,
- параметры (свойства) закачки жидкости ГРП: вязкость закачиваемой жидкости гидроразрыва и скорость ее закачки, или усредненное давление жидкости в трещине ГРП,
- параметры (свойства) начальной траектории (геометрии) трещины: длина трещины, зазор между концом трещины ГРП и поверхностью раздела (если он существует), и проч.
Полученные результаты для каждого исследуемого параметра могут быть сохранены в соответствующем массиве информации (справочной таблице, базе данных или электронной таблице), т.е. матрице взаимосвязи, где для каждого конкретного набора (множества) исходных параметров, полученных в числовых расчетах или физическом эксперименте, получена и сохранена соответствующая прогнозируемая траектория, т.е. приращение распространения трещины ГРП.
Таким образом, матрица взаимосвязи должна быть создана для независимого набора параметров, чтобы избежать чрезмерных: объема данных, продолжительности создания базы данных и времени окончательного поиска. После того, как набор параметров определен, должна быть задана оптимальная разрешающая способность значений параметра для каждого из независимых параметров.
Далее, реализуют процесс гидроразрыва и осуществляют реальные измерения исходных параметров (пласта и природных трещин; закачки жидкости ГРП; начальной траектории трещины) образующейся трещины ГРП, т.е. действительные измерения исходных параметров образующегося разрыва.
Так, ряд параметров образующейся трещины ГРП и пласта, осуществляются с помощью измерительных приборов (например, датчиков, распределенных по соответствующим зонам пласта, сейсмических и акустических измерительных приборов, наклонометра и т.д.), т.е. с помощью средств измерения. Так, указанные параметры определяются в режиме реального времени, что позволяет осуществлять постоянный мониторинг операции гидроразрыва и повысить эффективность управления процессом ГРП.
Для осуществления возможности использования указанной матрицы взаимосвязи в процессе реализации заявленного способа необходимо применение программного устройства с возможностью выполнения операций по измерению параметров и логической обработки данных.
В качестве такого устройства возможно применение устройства проектирования, известного из WO 2008093264, Е21В 43/26, опубл. 07.08.2008). Такое комбинированное средство может быть применимо для разработки операций гидроразрыва, их мониторинга и управления операциями в режиме реального времени, а также для оценки результатов операции гидроразрыва пласта в соответствующем пласте, в котором имеются естественные разрывы или разрывные нарушения.
Устройство проектирования должно иметь способность обращаться к матрице взаимосвязи для определения местоположения возобновления разрыва или другой траектории (приращения) распространения разрыва.
Так, первоначально, в ходе осуществления гидроразрыва, устройству проектирования должны быть предоставлены реальные (действительные) исходные параметры, характеризующие пласт и природные трещины, закачку жидкости ГРП и начальную траекторию трещины, которые измеряются, как указано выше, датчиками или в ходе специальных измерений. Далее, в процессе реализации ГРП указанные измеряемые параметры также предоставляются устройству проектирования в режиме реального времени.
Далее, эти действительные измеряемые параметры необходимо преобразовать в независимые параметры (нормированные величины), поскольку значения параметров в матрице взаимосвязи представлены в виде нормированных (безразмерных) значений. Таким образом, указанное устройство проектирования снабжено функцией конвертирования реальных измеряемых в процессе гидроразрыва параметров в нормированные величины (и наоборот).
Вместе с тем, устройство проектирования реализует функции по обращению и поиску в матрице взаимосвязи прямого сценария (траектории) или сценария (траектории), получаемого интерполяцией между двумя или более сценариями, которые и являются прогнозируемым приращением траектории роста трещины ГРП в зависимости от измеренных действительных исходных параметров образующейся трещины ГРП.
После этого, по матрице взаимосвязи устройство проектирования определяет результирующую траекторию распространения трещины - прогнозируемое приращение трещины - с соответствующими ее характеристиками (параметрами), например, смещение возобновления разрыва вдоль поверхности раздела на ее противоположной стороне. И далее, осуществляет проконвертирование нормированных параметров в единицы измеряемых физических величин (например, к реальному расстоянию смещения).
В ходе реализации ГРП и роста трещины осуществляют измерение действительного приращения траектории этой образующейся трещины с помощью датчиков или измерительных методов, позволяющих определить ее необходимые характеристики. Указанные данные предоставляются устройству проектирования.
Выполняют операцию сравнения действительного приращения траектории образующейся трещины с прогнозируемым приращением траектории трещины, которая реализуется устройством управления.
В действительности, реальные измеренные данные распространения гидравлического разрыва могут отличаться от результатов вычислений устройством управления. Для сведения к минимуму ошибки при прогнозировании и улучшения окончательного результата операции гидроразрыва любые несоответствия между прогнозируемыми и измеренными данными могут использоваться для изменения почти в реальном времени действительных исходных параметров образующейся трещины (что, безусловно, позволяет оптимизировать весь способ в целом).
Такая операция включает в себя определенные исходные параметры корректируются (изменяются) во время осуществления гидроразрыва. Так, в режиме, близком к реальному времени, возможно, с учетом полученной погрешности при выполнении операции сравнения, изменять геометрию или давление, скорость закачивания и вязкость жидкости гидроразрыва.
Таким образом, добиваемся улучшения совпадения между прогнозируемыми и измеренными параметрами в процессе реализации способа, что, в свою очередь (в совокупности вышеперечисленными существенными признаками), приводит к повышению эффективности управления траекторией трещины ГРП.
Пример наилучшего воплощения изобретения
Сначала создается матрица взаимосвязи между множеством исходных параметров о пласте и природных трещинах, закачке жидкости ГРП и начальной траектории трещины до взаимодействия с разломом, с одной стороны, и и прогнозируемым приращением траектории трещины ГРП после взаимодействия с разломом, с другой стороны. Такая матрица может быть получена, например, с помощью численного решения задачи о механическом взаимодействии трещины ГРП под постоянным внутренним давлением и природным разломом в момент их соприкосновения, и представлена в виде таблицы, показанной на Фиг.4.
1
3
1
3
3
1
3
HF
m
1
3
Для сокращения числа независимых параметров задачи все величины в численной задаче нормируются, и решение, таким образом, оказывается функцией коэффициента трения на разломе λ, угла наклона разлома β, безразмерного дифференциального напряжения в пласте Δ=(σ-σ)/(σ+σ) и безразмерного избыточного давления в трещине ГРП П=2(р-σ)/(σ+σ). Далее принимая во внимание, что после столкновения с разломом трещина ГРП продолжит свое распространение, если новая трещина отрыва возникнет на обратной стороне разлома, в качестве характеристик приращения траектории трещины ГРП на разломе выбираются смещение максимума растягивающего напряжения вдоль линии разлома и его величина. В результате нормировки величина смещения будет нормирована на длину трещины ГРП L, а напряжение - на среднее напряжение в пласте σ=(σ+σ)/2.
1
3
HF
Далее, инициируют процесс ГРП и осуществляют измерение действительных исходных параметров пласта, закачки и образующейся трещины ГРП. На определенном этапе необходимо узнать об изменении траектории трещины ГРП после взаимодействия с встретившимся на ее пути разломом. При этом измеренные напряжения в пласте σ=6 МПа, σ=4 МПа, давление в трещине ГРП оценивается как р=5.5 МПа, а ее текущая длина L=100 м. Природная трещина имеет коэффициент трения 0.5. Далее, предположим два варианта ориентации природной трещины: а) 10° и b) 40°.
Используя правила нормировки, использованные в таблице, получаем λ=0.5, Δ=0.2, П=0.3, углы же для первого случая а) β=10°, а для второго случая b) β=40°.
Далее, осуществляют поиск и получение по матрице взаимосвязи прогнозируемого приращения траектории трещины, в частности смещения и величины пика напряжения, в зависимости от данных параметров. Для вышеприведенных параметров ищем значение характеристики приращения трещины ГРП и находим в первом случае смещение трещины 0.049, величина напряжения - 0.0163. Во втором случае смещение трещины 0.025, величина напряжения - 0.7929 (соответствующие строки в таблице на Фиг.4 выделены).
Далее, осуществляется преобразование нормированных значений в размерные единицы соответствующих характеристик. Получаем для случая а) смещение 4.9 м. и напряжение 0.08 МПа, для случая b) смещение 2.5 м. и напряжение 3.96 МПа.
Затем, на основании сравнения величины пика растягивающего напряжения и предела прочности породы на разрыв решается будет ли вторичная трещина образовываться на разломе, или нет. Пусть предел прочности равен 4 МПа, тогда в случае а) произойдет пересечение трещины разлома на расстоянии 2.5 м, а в случае b) персечения не произойдет и трещина остановится на этом разломе.
Далее, предоположим что проводятся измерения характеристик приращения траектории образующейся в процессе ГРП, а именно персечения и смещения трещины в случае а), которые показали, что смещение равно в действительности 1.3 м.
Далее, осуществляют сравнение действительного приращения траектории образующейся трещины с прогнозируемым приращением траектории трещины. Так как значения оказались разные, осуществляют изменение действительных исходных параметров образующейся трещины. В этом случае значение давления жидкости корректируется. На основе поиска в матрице находится, что это значение для данной длины трещины ГРП соответствует безразмерному давлению 0.2. Пересчет в размерные величины дает новое значение давления в скважине 5 МПа, которое и будет использоваться при дальнейших применениях способа, как более точное.
Промышленная применимость
Промышленная применимость изобретения подтверждается также возможностью реализации способа при использовании широко известных в  настоящее время технологического оборудования и материалов, применяемых в нефтегазовой отрасли и других областях промышленности.
Раскрытые выше конкретные варианты осуществления изобретения приведены только в качестве иллюстраций, так как изобретение может модифицироваться и применяться на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, которые могут воспользоваться преимуществами изложенных в заявке идей. Кроме того, заявитель не имел намерений налагать какие-либо ограничения на детали показанных здесь конструкций или разработок, за исключением описанных в приведенной ниже формуле изобретения. Поэтому очевидно, что раскрытые выше конкретные варианты осуществления изобретения могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации считаются подлежащими охране в соответствии с объемом и характером изобретения. Таким образом, заявитель испрашивает данной заявкой правовую защиту в соответствии с приведенной ниже формулой изобретения.
В качестве информации, характеризующий предшествующий уровень техники, представлены следующие ссылки:
1) Thiercelin M. and Makkhyu E. (2007) Stress Field in the Vicinity of a Natural Fault Activated by the Propagation of an Induced Hydraulic Fracture, In Proceedings of the 1st Canada-US Rock Mechanics Symposium, Vancouver, Canada, 27-31 May 2007, eds. Erik Eberhardt, Doug Stead and Tom Morrison, 1617-1624 Leiden: Taylor and Francis/Balkema.
2) Thiercelin M.J. 2009. Hydraulic fracture propagation in discontinuous media. Proc.: International Conference on Rock Joints and Jointed Rock masses, Tucson, 4-10 Jan 2009. pp.12.
3) Daneshy A. (2003) Off-balance growth: A new concept in hydraulic fracturing. Journal of Petroleum Technology, 55, 4, April 2003: 78-85.
4) Zhang X. and Jeffrey R.G. (2006) The role of friction and secondary flaws on deflection and re-initiation of hydraulic fractures at orthogonal pre-existing fractures, Geophysical Journal International, 166: 1454-1465.
5) Zhang X., Jeffrey R.G. and Thiercelin M. (2007) Deflection of fluid-driven fractures at bedding interfaces: A numerical investigation, Journal of Structural Geology. 29 (3): 396-410.
6) Zhang X., Jeffrey R.G. and Thiercelin M. (2007) Effects of frictional geological discontinuities on hydraulic fracture propagation, paper SPE 106111, In Proceedings of the 2007 Hydraulic Fracturing Technology Conference, College Station, TX, USA, 29-31 January 2007: 268-278.
7) Zhang X., Jeffrey R.G. and Thiercelin M. (2008). Escape of fluid-driven fractures from frictional bedding interfaces: A numerical study, Journal of Structural Geology, 30 (4): 478-490.
8) Zhang X., Jeffrey R.G. (2008) Reinitiation or termination of fluid-driven fractures at frictional bedding interfaces, in press. Journal of Geophysical Research.
9) Jeffrey R.G., Vandamme L. and Roegiers J.-C. (1987) Mechanical interactions in branched or subparallel fractures, Paper SPE 16422, In Proceedings of the 1987 SPE/DOE Low Permeability Reservoirs Symposium, Denver, Colorado, 18-19 May 1987: 333-341.