Способ (варианты) и система (варианты) определения траектории бурения скважины
METHOD (VERSIONS) AND SYSTEM (VERSIONS) FOR DETERMINATION OF WELL DRILLING TRAJECTORY

Изобретение относится к способу и системе определения оптимальной траектории бурения скважины, в частности для определения траектории ствола скважины как до начала бурения, так и осуществление корректировки траектории в процессе бурения. Изобретение может быть использовано для увеличения нефтеотдачи разрабатываемых залежей нефти за счет повышения активности трещин, например естественных, обнаруженных вдоль коридора траектории бурения скважины, с помощью определения оптимального положения ствола скважины относительно плоскости трещин.
Известен способ для коррекции направления ствола скважины по патенту RU 2496003 «Система и способ коррекции направления ствола скважины на основе поля напряжений» (дата публикации: 20.10.2013, МПК Е21В 47/0224, Е21В 44/00), при котором осуществляется стимулирование напряжения в пласте вокруг ствола скважины для образования в нем характерной особенности, связанной со стимулированным напряжением. Далее осуществляют проведение измерений, отражающих геометрию ствола скважины, с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК), вращаемой в стволе скважины, геометрия которого отображает стимулированные напряжения в пласте. Затем создают изображение ствола скважины на основании проведенных измерений его геометрии, оценку азимутальной вариации стимулированного напряжения в пласте по глубине скважины и изменение параметра режима бурения для КНБК с использованием оценки азимутальной вариации по глубине скважины стимулированного напряжения в пласте. Общими признаками известного и заявляемого способов являются обработка имеющихся данных по пласту для получения модели напряжений, обработка данных модели напряжений, проведение бурения с контролируемыми параметрами.
По данному патенту RU 2496003 известна система оценки пласта пород, включающая: модуль с датчиками и по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: создания изображения ствола скважины на основании проведенных измерений его геометрии, оценки азимутальной вариации по глубине скважины. Общими признаками является наличие процессора, выполненного с возможностью обработки сейсмических данных для определения и корректировки траектории бурения скважины.
Также из данного патента известен машиночитаемый носитель, представляющий собой по меньшей мере один из носителей, включающих постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), выполняющий способ коррекции направления ствола скважины. Общими признаками является наличие программируемого постоянного запоминающего устройства (компьютерную программу), выполняющего корректировку (определение) траектории бурения скважины.
Недостатком известных способа, системы и машиночитаемого носителя является отсутствие возможности уточнения траектории бурения скважины с обеспечением проведения линии траектории при обеспечении максимальной активации естественных трещин.
Известен способ определения траектории бурения по патенту RU 2670302 «Автоматизированное проектирование оптимальной траектории направленного бурения» (дата публикации: 22.10.2018, МПК Е21В 44/00), при котором выполняют бурение по направлению к конечному местоположению по траектории бурения. После чего обновляют модель траектории бурения на основании по меньшей мере данных, полученных на этапе бурения по направлению к конечному местоположению, формируют измененную траекторию бурения по направлению к конечному местоположению на основании по меньшей мере указанной модели траектории бурения в реальном времени во время выполнения этапа бурения по направлению к конечному местоположению по указанной траектории бурения. В результате выполняют бурение по направлению к конечному местоположению по указанной измененной траектории бурения. Причем формирование измененной траектории бурения ограничено рабочим пространством, которое обновляют по меньшей мере на основании данных, полученных на этапе бурения по направлению к конечному местоположению. Указанная модель траектории бурения может содержать функцию оптимизации, содержащую функцию прогнозирования траектории бурения и функцию оптимизации траектории. Указанная функция прогнозирования траектории бурения может выполнять сравнение входных данных каротажа и/или геофизических исследований и выходных данных оптимизации траектории. Общими признаками известного и заявляемого способов являются формирование измеренной траектории, ограниченной рабочим пространством, оптимизация траектории бурения, выполнение бурения с учетом спрогнозированной траектории бурения, полученной на основании геофизических исследований.
Кроме того, по патенту RU 2670302 известна система автоматизированного бурения, содержащая: систему обработки информации, причем указанная система обработки информации содержит программу автоматизированного бурения, выполненную с возможностью обновления модели траектории бурения на основании по меньшей мере данных, полученных от указанного бурового снаряда, и формирования измененной траектории бурения по направлению к конечному местоположению на основании по меньшей мере указанной модели траектории бурения в реальном времени в процессе бурения. Общими признаками известной системы с заявленной является возможность определения траектории в реальном времени по полученным данным во время бурения, а также обеспечение возможности обновления траектории бурения.
Также по патенту RU 2670302 известен машиночитаемый носитель, который запрограммирован на выполнения функций способа, описанного в данном документе, с использованием методов программирования, известных в данной области техники. Общими признаками известного и заявляемого машиночитаемого носителя является возможность формирования траектории бурения скважины, а также ее корректировки в реальном времени при получении исходных данных о пласте.
Недостатком известных способа, системы и машиночитаемого носителя является отсутствие возможности построения траектории бурения скважины с обеспечением максимальной активации естественных трещин.
Технический результат заключается в определении и корректировке траектории бурения скважины с целью повышения нефтеотдачи разрабатываемых залежей нефти за счет активации трещин, например естественных, при проведении ствола скважины через трещины под определенными углами (ориентации скважины). При реализации способов ствол скважины ориентируют таким образом, чтобы при прохождении максимального количества трещин, обнаруженных в коридоре траектории бурения, обеспечивалось повышение притока флюида при отработке скважины за счет достижения максимальной активации естественных трещин.
Технический результат достигается за счет того, что при использовании первого варианта способа определения траектории бурения скважины, осуществляют:
- получение данных о напряжениях в породе и об ориентации трещины;
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещины под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины.
n0
0
Таким образом, напряжения, вносимые скважиной, переводят напряжения трещины из первоначального состояния (σ - начальное нормальное напряжение на трещине; τ - начальное тангенциальное напряжение на трещине) в состояние, при котором трещина становится активной либо ее активность повышается.
При исполнении способа могут осуществлять:
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины и соблюдении условия активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины.
Также технический результат достигается при использовании второго варианта способа определения траектории бурения скважины, при котором осуществляют:
- получение данных о напряжениях в породе и об ориентации трещин;
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, ) ориентации скважины;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещин под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещин с учетом ограничений по построению траектории скважины между трещинами.
При исполнении данного способа могут осуществлять:
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, ) ориентации скважины и соблюдении условия активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещины:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины.
Также технический результат достигается за счет того, что система по первому варианту определения траектории бурения скважины по первому варианту содержит по меньшей мере один процессор и программный код, под управлением которого процессор выполняет следующие операции:
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины на основе полученных данных о напряжениях в породе и об ориентации трещины;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещины под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины.
Система по данному варианту может содержать по меньшей мере один процессор и программный код, под управлением которого процессор выполняет следующие операции:
а
моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины и соблюдении условия активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины.
Также технический результат достигается за счет того, что система определения траектории бурения скважины по второму варианту содержит по меньшей мере один процессор и программный код, под управлением которого процессор выполняет следующие операции:
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, ) ориентации скважины на основе полученных данных о напряжениях в породе и об ориентации трещин;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещин под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещин с учетом ограничений по построению траектории скважины между трещинами.
Система по данному варианту может содержать по меньшей мере один процессор и программный код, под управлением которого процессор выполняет следующие операции:
а
моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, ) ориентации скважины и соблюдении условия активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещин:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины.
Нормальное напряжение по меньшей мере одной трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
при этом
- составляющие тензора напряжений скважины в породе, которые определяют как:
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины,
rr
θr
zr
rθ
θθ
zθ
rz
θz
zz
σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ - составляющие тензора напряжений, создаваемых скажиной в породе, полученные по результатам моделирования;
2
2
m, n - направляющие косинусы площадки трещины.
Направляющие косинусы площадки по крайней мере одной трещины для способов и систем могут быть определены как:
ω - угол между азимутом падения трещины и направлением максимального горизонтального напряжения;
β - угол падения трещины;
i - угол наклона скважины относительно вертикали;
а
- угол между осью X (горизонталью) и азимутом скважины.
Составляющие тензора напряжений, создаваемых скажиной, для способов и систем могут определяться как:
w
p - внутрискважинное давление;
w
R - радиус скважины;
r - расстояние от оси скважины до рассматриваемой точки;
ϑ - коэффициент Пуассона;
- составляющие тензора напряжений в породе.
Составляющие тензора напряжений в породе для способов и систем могут определяться как:
- направляющие косинусы углов между скважиной и трещиной,
h
σ - минимальное горизонтальное напряжение в породе;
H
σ - максимальное горизонтальное напряжение в породе;
v
σ - вертикальное напряжение в породе.
Направляющие косинусы углов между скважиной и трещиной для способов и систем могут определяться как:
Система по любому варианту исполнения может содержать дисплей, на котором программный код отображает по меньшей мере траекторию скважины.
Система определения траектории бурения скважины по любому варианту может содержать базу данных, содержащую по крайней мере сведения о напряжениях в породе и ориентации по меньшей мере одной трещины.
Также технический результат достигается за счет того, что машиночитаемый носитель содержит компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции:
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, а) ориентации скважины на основе полученных данных о напряжениях в породе и об ориентации трещины;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещины под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины.
Машиночитаемый носитель по данному варианту может содержать компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции:
а
моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины при соблюдении условия активации трещины на максимальном контуре пересечения поверхности скважины и трещины:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины; при этом
нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
а тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
где
- составляющие тензора напряжений скважины в породе, которые определяют как:
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины,
rr
θr
zr
rθ
θθ
zθ
rz
θz
zz
σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ - составляющие тензора напряжений, создаваемых скважиной в породе, полученные по результатам моделирования;
2
2
m, n - направляющие косинусы площадки трещины, которые определяются как:
ω - угол между азимутом падения трещины и направлением максимального горизонтального напряжения;
β - угол падения трещины;
i - угол наклона скважины относительно вертикали;
а
- угол между осью X (горизонталью) и азимутом скважины, при этом
составляющие тензора напряжений, создаваемых скажиной, определяются как:
w
p - внутрискважинное давление;
w
R - радиус скважины;
r - расстояние от оси скважины до рассматриваемой точки;
ϑ - коэффициент Пуассона;
- составляющие тензора напряжений в породе, которые определяются как:
- направляющие косинусы углов между скважиной и трещиной, которые определяются как:
h
σ - минимальное горизонтальное напряжение в породе;
H
σ - максимальное горизонтальное напряжение в породе;
v
σ - вертикальное напряжение в породе.
Также технический результат достигается за счет того, что машиночитаемый носитель содержит компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции:
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, а) ориентации скважины на основе полученных данных о напряжениях в породе и об ориентации трещин;
а
- построение траектории скважины с пересечением трещин под углами (i, ) ориентации скважины, выбранными по результатам моделирования, при которых достигается условие активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещин с учетом ограничений по построению траектории скважины между трещинами.
Машиночитаемый носитель может содержать компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции:
а
- моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещин при различных углах (i, ) ориентации скважины и соблюдении условия активации трещин на максимальном суммарном контуре пересечения поверхности скважины и трещин:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещин при воздействии на них скважины;
γ - угол внутреннего трения породы;
С - когезия при сдвиге;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины, при этом
нормальное напряжение трещин при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
а тангенциальное напряжение трещин при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
где
- составляющие тензора напряжений скважины в породе, которые определяют как:
где
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещин;
rr
θr
zr
rθ
θθ
zθ
rz
θz
zz
σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ - составляющие тензора напряжений, создаваемых скважиной в породе, полученные по результатам моделирования;
2
2
m, n - направляющие косинусы площадок трещин, которые определяют как:
ω - угол между азимутом падения трещины и направлением максимального горизонтального напряжения;
β - угол падения трещины;
i - угол наклона скважины относительно вертикали;
a
- угол между осью X (горизонталью) и азимутом скважины;
при этом составляющие тензора напряжений, создаваемых скажиной, определяются как:
w
p - внутрискважинное давление;
w
R - радиус скважины;
r - расстояние от оси скважины до рассматриваемой точки;
ϑ - коэффициент Пуассона;
- составляющие тензора напряжений в породе, которые определяют как:
- направляющие косинусы углов между скважиной и трещиной, которые определяют как:
h
σ - минимальное горизонтальное напряжение в породе;
H
σ - максимальное горизонтальное напряжение в породе;
v
σ - вертикальное напряжение в породе.
Таким образом, обеспечение траектории скважины при пересечении одной трещины (по первому варианту способа, системы или машиночитаемого носителя) или множества (по второму варианту способа, системы или машиночитаемого носителя) трещин, в частности естественных, по направлению к конечному местоположению определяется с учетом технических возможностей бурового инструмента углы входа (ориентация) ствола скважины в по меньшей мере одну трещину, при которых достигается ее максимально возможная активация. Причем во втором варианте формирование траектории бурения ограничено техническими возможностями бурового инструмента и максимально возможным радиусом кривизны траектории, т.к. в среднем интенсивность искривления траектории скважины составляет 2-3 град.
Под трещинами понимается обнаруженные трещины в породе, в том числе естественных.
Площадка трещины - плоскость, на которой расположена естественная трещина в породе.
Изобретение поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - схема модели породы;
фиг. 2 - схема модели естественной трещины в породе;
фиг. 3 - схема скважины, проходящей через естественную трещину в породе.
На фигурах обозначены:
1 - модель породы;
2 - естественная трещина в породе;
3 - ствол скважины;
4 - контур пересечения ствола скважины с естественной трещиной.
Также на фиг. схематично обозначены:
- напряжения в породе:
h
σ - минимальное горизонтальное напряжение в породе;
H
σ - максимальное горизонтальное напряжение в породе;
v
σ - вертикальное напряжение в породе;
- напряжения в трещине (на ее поверхности):
n0
σ - начальное нормальное напряжение на трещине;
0
τ - начальное тангенциальное напряжение на трещине;
- результирующие напряжения в породе (после внесение воздействия ствола скважины на трещину):
n
а
σ(θ, i, ) - результирующее нормальное напряжение на контуре пересечения ствола скважины и трещины в точке А;
а
τ(θ, i, ) - результирующее тангенциальное напряжение на контуре пересечения ствола скважины и трещины в точке А.
При определении траектории бурения скважины по первому варианту способа осуществляют: получение данных о напряжениях в породе и об ориентации трещины, например по сейсмическим данным.
а
а
Моделирование влияния создаваемых скважиной напряжений на напряжения трещины при различных углах (i, ) ориентации скважины может осуществляться путем итерационных вычислений при различных углах θ, i, .
а
Приведем пример одной из итераций, расчеты по которой показали сочетание углов (i, ), приводящих к активации трещины за счет воздействия на нее напряжений скважины.
i - угол наклона скважины относительно вертикали = 70 град.;
а
- угол между осью X (горизонталью) и азимутом скважины = -30 град. по азимуту = 180 град.
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины = 60 град.
В результате влияния напряжений, вносимых скважиной, в трещине формируются следующие напряжения.
т.е.
Результат вычислений был получен следующим образом.
Нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
Тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины определяют по формуле:
т.е.
а
τ(θ, i, )=16.789.
- составляющие тензора напряжений скважины в породе.
Составляющие тензора напряжений скважины в породе, которые определяют как:
При этом θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки А (фиг. 3) на контуре пересечения скважины и трещины = 60 град.;
rr
θr
zr
rθ
θθ
zθ
rz
θz
zz
σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ, σ - составляющие тензора напряжений, создаваемые скважиной;
2
2
m, n - направляющие косинусы площадки трещины.
Направляющие косинусы площадки трещины определяются как:
где
ω - угол между азимутом падения трещины и направлением максимального горизонтального напряжения = 5 град.;
β - угол падения трещины = 50 град.;
Составляющие тензора напряжений, создаваемые скважиной, определяются как:
w
p - внутрискважинное давление = 10 МПа;
w
R - радиус скважины = 0,1 м;
r - расстояние от оси скважины до рассматриваемой точки А (фиг. 3) = 0,1 м;
ϑ - коэффициент Пуассона = 0,24;
- составляющие тензора напряжений в породе, которые определяются как:
- направляющие косинусы углов между скважиной и трещиной, которые определяются как:
h
σ - минимальное горизонтальное напряжение в породе = 40 МПа;
H
σ - максимальное горизонтальное напряжение в породе = 50 МПа;
v
σ - вертикальное напряжение в породе = 60 МПа.
Проверяем условие активации:
а
a
n
τ(θ, i, )≥σ(θ, i, )tgγ+С, где
а
τ(θ, i, ) - тангенциальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины = 16.789 МПа;
n
а
σ(θ, i, ) - нормальное напряжение трещины при воздействии на нее скважины = 51.454 МПа;
γ - угол внутреннего трения породы = 30 град.;
С - когезия при сдвиге = 0 МПа;
θ - угол, определяющий положение рассматриваемой точки на контуре пересечения скважины и трещины = 60 град.
16,789≥51,454tg30.
Таким образом, условие активации соблюдается при углах ориентации скважины:
i - угол наклона скважины относительно вертикали = 70 град.;
а
- угол между осью X (горизонталью) и азимутом скважины = -30 град.
Следовательно, вносимые скважиной напряжения приведут к активации (дополнительной активации) трещины и обеспечат повышение нефтеотдачи.
При осуществлении способа по второму варианту построения траектории по результатам моделирования траектории скважины с пересечением множества трещин под углами их взаимной ориентации также обеспечивает достижение условия максимальной суммарной активации трещин.