СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗОН ПОГЛОЩЕНИЙ БУРОВОГО РАСТВОРА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНОЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ТЕКТОНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
METHOD FOR PREDICTING DRILLING MUD ABSORPTION ZONES WHEN DRILLING WELLS BASED ON THREE-DIMENSIONAL GEOMECHANICAL MODEL AND TECTONIC MODEL OF DEPOSIT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам строительства скважин при бурении интервалов с зонами осложнений.
Интерес к возможности прогнозирования зон осложнений при бурении обусловлен растущей долей сложно построенных месторождений, бурение на которых осложнено литологическими и тектоническими факторами, ведущими к удлинению цикла строительства скважины, росту непроизводительного времени, дополнительными затратами на бурение и поздним вводом скважины в эксплуатацию.
Практически на всех месторождениях существуют проблемы, связанные с поглощением бурового раствора различной степени интенсивности, как в трещиновато-кавернозных отложениях, так и в поровых. Поэтому необходимо разработать способы как превентивного (опережающего) характера, так и меры с учетом сложившейся ситуации. Кроме того, при бурении горизонтальных и пологих скважин большой протяженности существует проблема с очисткой ствола скважин, особенно при углах наклона ствола скважины 55-70°.
Известны различные технологические способы предупреждения поглощений бурового раствора в процессе строительства скважины, которые включают следующие приемы:
- бурение с промывкой буровыми растворами, содержащими кольматанты;
- бурение с использованием аэрированных пенных буровых растворов;
- бурение с использованием аэрированных афронсодержащих жидкостей.
Недостатками известных способов бурения и предупреждения поглощений является то, что после ввода буровых растворов возможно ухудшение работы забойных двигателей из-за забивания фильтров, практически становится невозможной работа телеметрической системы, система очистки бурового раствора.
Из уровня техники известен Способ управления предварительно заданным риском во время буровых работ на скважине (Заявка на изобретение №2016110570, основанная на заявке РСТ US 2013/066856 (25.10.2013) WO 2015/060865 (30.04.2015) Способ заключается в создании графического интерфейса пользователя для отображения i) каждого прогноза предварительно заданного риска в одной из множества зон риска, каждая из которых связана с предварительно заданными приращением времени и уровнем риска, с предварительно заданным интервалом предупреждения во время буровых работ; и ii) предварительно заданной рекомендации по изменению буровых работ на основе одного из прогнозов предварительно заданного риска;
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа прогноза зон потенциальных поглощений при бурении скважин в карбонатных и терригенных резервуарах характеризующегося повышенной точностью и достоверностью.
Технический результат заключается в снижении степени поглощения бурового раствора за счет прогноза зон поглощений бурового раствора в пространстве и корректировки траектории проектных скважин.
Наличие возможности корректировки проектных скважин обеспечит безаварийное строительство скважин, значительное сокращение времени на строительство скважины.
Техническая проблема решается, технический результат достигается тем, что способ прогноза зон поглощений бурового раствора при бурении горизонтальных, наклонно-направленных, вертикальных скважин в терригенных и карбонатных коллекторах, включает проведение комплекса геофизических исследований, включающих проведение сейсморазведочных работ, бурение опорных скважин, запись комплекса каротажей в опорных скважинах, отбор и исследование керна на механические свойства.
В результате сейсморазведочных работ получают сейсмический куб амплитуд отраженных волн, на основе которого проводится выделение основных отражающих горизонтов.
Для выделения разрывных нарушений на основе сейсмического куба амплитуд отраженных волн, строится куб сейсмического атрибута Ant-tracking, который указывает на изменения волновой картины для обнаружения разломов, трещин и других линейных аномалий внутри сейсмического куба амплитуд отраженных волн. Полученный куб сейсмического атрибута Ant-tracking подчеркивает все потенциальные разрывные нарушения (разломы, трещины).
Следующим шагом является расчет одномерной геомеханической модели и модели устойчивости ствола скважины для опорных скважин.
Для этого необходимо, чтобы на опорных скважинах была записан определенный комплекс каротажей: гамма-каротаж, плотностной каротаж, акустический каротаж и каверномер. Расчет упруго-прочностных свойств проводят по стандартным формулам и калибруют на данные, полученные из исследований керна на механические свойства, каверномер, а также на данные FIT и LOT.
Следующим шагом является перенос и распространение упруго-прочностных свойств в межскважинном пространстве с использованием методов геостатистики. В качестве тренда для распространения упруго-прочностных свойств, могут быть использованы кубы упруго-прочностных свойств, полученные в результате сейсмической инверсии. Полученные кубы упруго-прочностных свойств, впоследствии, используются при расчете методом конечных элементов, результатом которого, является трехмерная геомеханическая модель. Трехмерная геомеханическая модель включает в себя полный тензор напряжений, кубы упруго-прочностных свойств и кубы основных напряжений.
Затем производится построение тектонической модели месторождения на основе ранее выделенных разрывных нарушений и информации с опорных скважинах. После построение тектонической модели, производится расчет драйвера тектонической модели, на основе которого производится построение дискретной сети трещин в пределах сектора моделирования, где делается вывод вероятности поглощения бурового раствора на основе пересечения большого количества трещин траекторией проектной скважины (в том случае, если траектория скважины не пересекается с разломом).
В каждой точке на поверхности разрывных нарушений рассчитывается критерий разрушения Мора-Кулона. Для расчета используются ранее рассчитанные кубы основных напряжений и кубы упруго-прочностных свойств. По результатам расчета элементы разрывных нарушений могут быть разделены на 2 группы: активные и неактивные. Определение критически нагруженного состояния (активного состояния) элемента разрывного нарушения основывается на том что, данный элемент по критерию Мора-Кулона, должен преодолеть полосу хрупкого разрушения, для того чтобы стать активным (потенциально флюидопроводящим).
Вывод о наличии зоны поглощений делают на основе попадания траектории скважины в «активную» область разлома, характеризующуюся более низкими эффективными напряжениями и близостью к азимуту максимального горизонтального напряжения и/или попаданием траектории скважины в область с высокой трещиноватостью, определенную на основе построенной дискретной сети трещин и/или попадания траектории проектной скважины в область растяжения, рассчитанную на основе тектонической модели месторождения и/или наличия интервалов с низким градиентом ГРП, которые ведут к авто-ГРП при условии некорректно подобранного веса бурового раствора.
Производится расчет зон растяжения или сжатия на основе существующих напряжений и палеонапряжений, где делается вывод о предрасположенности конкретной области к поглощениям бурового раствора при бурении.
Проводится построение модели устойчивости ствола проектной скважины и выявление зон авто-ГРП путем наложения программы промывки скважины на модель устойчивости ствола проектной скважины, где делается вывод о необходимости корректировки программы промывки скважины.
Изобретение поясняется чертежами и фотографиями, где на Фиг. 1 представлена схема критерия разрушения Мора-Кулона, где введены следующие обозначения: по оси абсцисс показаны эффективные нормальные напряжения (в МПа), по оси ординат показаны касательные напряжения (в МПа), диагональная линия соответствует прочности породы, красные точки, расположенные выше прочности породы показывают разрушение горной породы и, следовательно, активную область разлома - область через которую возможна фильтрация флюида и серые точки, показывающие неактивную область разлома. Учитывая тот факт, что азимут и угол наклона разлома может меняться вдоль его оси, некоторые области на нем становятся активными, то есть способными пропускать флюид, на Фиг. 2 представлен общий вид разломов с использованием критерия разрушения Мора-Кулона, где областям с зеленой заливкой соответствуют неактивные области разломов, красной заливке соответствуют активные области разлома; скважины, попавшие в красные «активные» области характеризуются катастрофическими поглощениями бурового раствора, длинными циклами строительства скважин и их высокой стоимостью, на Фиг. 3 - показана модель дискретной сети трещин, построенная на основе драйвера тектонической модели, где попадание траектории скважины в высоко трещиноватую зону сопровождается поглощениями бурового раствора (без пересечения разломов), на Фиг. 4 - показаны зоны растяжения и сжатия, полученные на основе напряженно-деформированного состояния среды и тектонической модели месторождения, где поглощения при бурении наиболее характерны для зон растяжения, а затяжки и посадки при бурении - для зон сжатия, на Фиг. 5 - показан расчет модели устойчивости ствола скважины для проектной траектории. Красным окном показан интервал авто-ГРП при текущей (показана зеленым пунктиром) плотности бурового раствора.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
На месторождении проводится комплекс геофизических исследований исследований, включающий в себя проведение сейсморазведочных работ, бурение опорных скважин, запись комплекса каротажей на опорных скважинах, отбор и исследование керна на механические свойства.
По результатам сейсморазведочных работ проводится пикирование основных отражающих горизонтов и выделение разрывных нарушений.
Выделение основных отражающих горизонтов проводится по стандартной методике. Для выделения разрывных нарушений строится куб сейсмического атрибута Ant-tracking, который подчеркивает изменения волновой картины для обнаружения разломов, трещин и других линейных аномалий внутри сейсмического куба. Для более четкого и контрастного выделения разрывных нарушений построение куба сейсмического атрибута Ant-tracking, производится определенным образом: из исходного сейсмического куба амплитуд отраженных волн в глубинном домене производится построение куба сейсмического атрибута Chaos - атрибута показывающего меру хаотичности сейсмического сигнала. Параметрами окна для расчета (х, у, z) задаются значения 1.5, 1.5, 1.5. Затем, из куба сейсмического атрибута Chaos производится построение куба сейсмического атрибута Ant-tracking в режиме Passive. Полученный сейсмический куб подчеркивает все потенциальные разломы и неоднородности. Для снижения зашумленности сигнала полученный куб сейсмического атрибута Ant-tracking Passive подается на вход алгоритма Ant-tracking, но на этот раз в режиме Aggressive. Данный режим подчеркивает наиболее вероятные тектонические нарушения и неоднородности. Полученный куб сейсмического атрибута Ant-tracking Aggressive заново подается на вход алгоритма Ant-tracking в режиме Aggressive, получая в итоге куб сейсмического атрибута Ant-tracking Aggressive II. Данная манипуляция необходима для более контрастного подчеркивания тектонических нарушений и снижения шума. Пикирование разрывных нарушений, в зависимости от их сложности и геометрии, проводится в ручном, либо автоматическом режиме.
Следующим шагом рассчитывают одномерную геомеханическую модель и модель устойчивости ствола скважины для опорных скважин. Для этого необходимо, чтобы на опорных скважинах была записан определенный комплекс каротажей: гамма-каротаж, плотностной каротаж, акустический каротаж и каверномер. Расчет упруго-прочностных свойств проводят по стандартным формулам и калибруют на данные, полученные из исследований керна на механические свойства.
Далее проводят распространение упруго-прочностных свойств в межскважинном пространстве методами геостатистики, при этом оставляя одну или несколько скважин, не участвующих в распространении свойств, для проверки качества апскелинга каротажей и качества распространения свойств. Предпочтительным соотношением сторон сектора моделирования является 1:1. Также в модель включают ранее выделенные тектонические нарушения.
Затем проводится нагружение трехмерной геомеханической модели граничными условиями, полученными на основе одномерной геомеханической модели и расчет напряжений методом конечных элементов. Результатом расчета является полный тензор напряжений в секторе моделирования, а также кубы упруго-прочностных свойств и кубы основных напряжений.
В течение геологического времени разрыв может вступать как в активную, так и в пассивную фазу тектонического развития. Процесс активизации разрывных нарушений означает его переход в критически-напряженное состояние, преодоление полосы хрупкого разрушения, то есть, когда касательные напряжения, действующие в конкретной точке на поверхности разлома (разрыва), превышают эффективные нормальные напряжения.
Возникновение новых и активизация существующих разрывных нарушений интерпретируется по закону Мора-Кулона и графически отображается с помощью трехмерной диаграммы. После создания новой трещины, происходит сброс касательных напряжений на плоскость разрыва, также изменяется и напряженное состояние после активизации трещины. (Фиг. 1). Каждая точка на поверхности разлома рассчитывается на основе критерия разрушения Мора-Кулона, который учитывает азимут, зенитный угол, угол внутреннего трения, когезию, азимуты максимального и минимального напряжений, поровое давление, а также рассчитанный тензор напряжений, полученный методом конечных элементов.
Ниже приведены две формулы: (1) - для предельного состояния в момент возникновения разлома, (2) - для предельного состояния в момент активизации разлома.
- касательное напряжение на площадки n;
- нормальное напряжение на площадки n;
ƒ
τ - прочность сцепления образца (когезия);
ƒ
K - коэффициент внутреннего трения образца;
s
K - коэффициент сухого трения;
ƒl
p - давление флюида;
Для расчета напряжений, действующих на разлом, требуется знать значения главных напряжений и направляющие косинусы нормали к трещине в пространстве главных напряжений. (3); (4)
l, n - первый и третий направляющие косинусы нормали к трещине в пространстве главных напряжений;
В ходе анализа критически-напряженного состояния также необходимо учесть кинематику разрывного нарушения и его ориентацию относительного азимута максимального горизонтального напряжения и азимута скважины.
Активные области разломов способны пропускать флюид и являются причиной поглощений бурового раствора. Таким образом, выделяют области разломов, характеризующиеся потенциальными поглощениями бурового раствора и проводят корректировку траектории проектной скважины.
В пределах сектора моделирования проводится построение тектонической модели месторождения квазиклассическим методом, а именно посредством построения инверсионной модели напряжений. Для построения тектонической модели используют все тектонические нарушения в пределах сектора моделирования. Кондиционность тектонической модели и рассчитанного драйвера тектонической модели, проверяют сопоставлением полученных геометрических характеристик трещин (угол и азимут падения) с характеристиками трещин, записанными специальными геофизическими приборами - имиджерами. На основе тектонического моделирования и вероятностной оценки трещин выявляют драйвер тектонической модели и получают необходимые параметры для построения тектонической модели трещиноватости, а именно 3Д тренд плотности, углов и азимутов падения трещин. В областях с высокой трещиноватостью делают вывод о потенциальных зонах поглощения бурового раствора (Фиг. 3).
На основе тектонической модели проводят расчет относительных перемещений и деформаций горных пород. При этом перемещения и деформации оценивают по трем направлениям: х, у, z. В областях, где происходит разнонаправленное перемещение горных пород образуются зоны растяжения, соответственно, в областях, где перемещение направлено друг к другу, образуются зоны сжатия. За счет тектонического движения горных пород происходит перераспределение пустотного пространства в горных породах, что ведет к образованию областей, склонных к провалу инструмента при бурении и поглощениям бурового раствора (Фиг. 4).
Используя рассчитанные кубы упруго-прочностных свойств и кубы основных напряжений из трехмерной геомеханической модели, проводят перенос свойств и напряжений на плановые траектории скважин. Для плановых траекторий скважин делают расчет модели устойчивости ствола скважины (Фиг. 5) и делают вывод о необходимости корректировки программы промывки скважины.
Эффективность предлагаемого способа была проверена на 45 скважинах Царичанского + Филатовского лицензионного участка Оренбургской области. Для исследования брались скважины как вертикальные, так наклонно-направленные и горизонтальные. Анализ проводился как на участках с разрывными нарушениями, так и на участках, удаленных от разломов. Исследования на исторических данных бурения показали, что поглощения были вызваны одним (или несколькими) механизмами поглощения. Дальнейшее бурение проводилось с учетом корректировок проектных траекторий скважин, что позволило значительно сократить время бурения скважины и снизить ее стоимость. Это еще раз подтверждает справедливость предположения о том, что именно тектоническая составляющая несет высокий вклад в распределение областей потенциальных поглощений бурового раствора при бурении, а своевременная корректировка траектории скважины позволяет избежать проблем при бурении. Кроме того, обнаружилась заметная роль качества исходного сейсмического куба амплитуд отраженных волн - его низкое качество затрудняет выделение и прослеживание тектонических нарушений, ведет к недооценке или переоценке тектонических нарушений.
Результаты проведенных исследований показали, что одновременное использование четырех механизмов снижения рисков поглощений при бурении ведет к высокому синергетическому эффекту, позволяющему эффективно бороться с поглощениями бурового раствора, корректируя траектории проектных скважин и выдавая рекомендации по плотности бурового раствора для каждого интервала бурения.
Использование предложенного способа позволяет значительно сократить время строительства скважины за счет сокращение времени на борьбу с поглощениями, такими как, установки цементных мостов, прокачка блокирующих составов, перебур части ствола скважины для обхода зоны поглощений.
Таким образом, скважины, пробуренные без поглощения бурового раствора (или с минимальными поглощениями бурового раствора), проведены в неактивных областях разломов (либо вне разломов), в зонах с минимальной трещиноватостью и статических областях (не в зонах растяжения или сжатия), где программа промывки индивидуально подобрана для каждой скважины, а наиболее аварийные скважины встретили один или несколько механизмов поглощения бурового раствора.