СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ТРЕЩИН ПРИ ГИДРОРАЗРЫВЕ ПЛАСТА (ГРП)
METHOD FOR DETERMINING GEOMETRY OF FRACTURES DURING FORMATION HYDRAULIC FRACTURING (HFF)

Изобретение относится к нефтегазовой области, операциям гидроразрыва, в частности к средствам идентификации трещин.
Изобретение может быть использовано для точного определения геометрии трещины ГРП, определении ее длин на разных высотах.
Известен «Способ определения геометрических характеристик трещины гидроразрыва пласта» по патенту РФ №2550770.
Способ определения геометрических характеристик трещины ГРП, включает расстановку сейсмических датчиков на поверхности, регистрацию микросейсмических сигналов и обработку зарегистрированных сигналов. Расположение сейсмических датчиков производят на поверхности в окрестности скважины гидроразрыва, в которой отношение «интенсивность сейсмического сигнала образования трещины гидроразрыва» / «интенсивность сейсмического шума» является максимальным, расстояния между датчиками выбирают из набора значений λ(n+1/2), где λ - длина волны Релея рабочей частоты, n - неотрицательное целое число, таким образом, чтобы при используемом при мониторинге гидроразрыва количестве датчиков они образовывали кольцо вокруг скважины с наружным радиусом порядка глубины проводимого ГРП.
В соответствии с изобретением координаты событий вычисляются на основе косвенных вычислений. Координаты получаются со значительной погрешностью, особенно по высоте. Сами микросейсмические события не обязательно происходят около трещины ГРП, и имеют лишь косвенное отношение к росту трещины ГРП. Общее число достоверных микросейсмических событий невелико и не покрывает с достаточной плотностью трещину ГРП. Таким образом, метод указывает длину и направление трещины лишь приближенно, а к определению высоты неприспособлен.
Для повышения эффективности добычи углеводородов из продуктивных пластов, и особенно из пластов с низкой пористостью и/или низкой проницаемостью, широко применяются технологии искусственного формирования трещин с помощью разрыва (гидроразрыва) продуктивного пласта. При выполнении традиционной операции гидроразрыва в скважину закачивают флюиды под высоким давлением, которые вызывают растрескивание породы пласта вокруг скважины, в результате чего образуются проходы, обеспечивающие высокую проницаемость, что способствует улучшению притока углеводородов из пласта в скважину. Такие операции гидроразрыва могут выполняться в горизонтальных, наклонных, а также в вертикальных скважинах, причем на любых интервалах необсаженных скважин, или на перфорированных интервалах обсаженных скважин.
Например, в вертикальных обсаженных скважинах флюиды, выходящие под высоким давлением через перфорации в обсадной колонне и окружающий слой цемента, вызывают растрескивание породы пласта, в результате чего формируются тонкие пластинчатые трещины, направленные по вертикали, в более глубокозалегающих пластах, в которых обычно находится нефть и газ. Эти искусственно созданные трещины обычно отходят вбок в окружающие пласты на достаточно большое расстояние от скважины и проходят по вертикали, пока не достигают пластов, находящихся выше/ниже интервала гидроразрыва, которые трудно поддаются разрыву. Направления максимального и минимального напряжений по горизонтали внутри пласта определяют азимутальное направление искусственно создаваемых трещин. Если флюид, закачиваемый в скважину, не содержит твердых частиц, которые могут оставаться в трещинах после снижения давления флюида, то трещины закрываются, в результате чего проницаемость породы пласта уменьшится.
Эти частицы составляют твердую фазу расклинивающего наполнителя (проппанта) и обычно представляют собой крупицы песка или керамические частицы, и флюид, используемый для подачи частиц в трещины пласта, обычно имеет достаточную вязкость, чтобы частицы проппанта хорошо захватывались флюидом и подавались в сформированные трещины. Перед выполнением гидроразрыва специальные материалы ("брейкеры"), закачиваемые в скважину вместе с флюидом для гидроразрыва, через некоторое время снижают вязкость флюида, так что флюид может быть удален из трещин, когда начинается добыча углеводорода, а частицы проппанта при этом остаются в созданных трещинах, не давая им закрываться, чтобы проницаемость породы пласта не снижалась.
Частицы проппанта могут также доставляться в созданные трещины в процессе гидроразрыва флюидом с низкой вязкостью, например, жидкостью на водной основе (водный гидроразрыв). В этом случае флюид для гидроразрыва представляет собой воду, содержащую небольшое количество полимера или другие добавки. Преимущество водного гидроразрыва заключается в меньшей стоимости используемого флюида. В случае водного гидроразрыва флюид не имеет поперечных связей, и поэтому получаемый результат не зависит от эффективности разрушителей.
В качестве проппантов для гидроразрыва обычно используется частицы песка, частицы песка, покрытые смолой, и керамические частицы. Керамические проппанты обычно изготавливают из природных материалов, таких как каолиновые и бокситовые глины, и такие материалы обладают по сравнению с частицами песка (покрытыми смолой или без такого покрытия) рядом достоинств и преимуществ, которые обусловливаются высокой прочностью на сжатие керамических частиц и их формой, близкой к сферической.
Существует потребность в способах определения конфигурации и размеров трещин в пласте, которые по меньшей мере частично устраняют некоторые из вышеуказанных проблем, ограничений и недостатков, связанных с известными способами определения результатов гидроразрыва.
Известен способ определения местонахождения и высоты трещины в подземном пласте с использованием прибора импульсно-нейтронного каротажа по патенту РФ №2572871 Способ включает: получение набора каротажных данных до выполнения гидроразрыва; выполнение гидроразрыва пласта с использованием суспензии, которая содержит жидкость и проппант, содержащий материал, поглощающий тепловые нейтроны; получение набора каротажных данных после выполнения гидроразрыва; сравнение наборов каротажных данных, полученных до и после гидроразрыва, для определение местонахождения проппанта; и установление соответствия местонахождения проппанта и глубины измерений в скважине для определения местонахождения и высоты трещины.
Указанные наборы каротажных данных получают, выполняя следующие стадии: опускают в скважину, проходящую через подземный пласт, прибор нейтронного каротажа, содержащий источник непрерывного или импульсного потока нейтронов и один или несколько детекторов нейтронов или гамма-излучения; обеспечивают излучение нейтронов источником нейтронов в скважину и пласт; и измеряют в зоне скважины поток тепловых нейтронов или захватное гамма-излучение, возникающее в результате реакций нейтронов, излучаемых источником, с химическими элементами в зоне скважины и в подземном пласте.
В соответствии с некоторыми вариантами используемый проппант содержит материал, поглощающий тепловые нейтроны, в количестве от примерно 0,025 вес. % до примерно 4,0 вес. %. В соответствии с некоторыми вариантами проппант содержит борсодержащий материал, поглощающий тепловые нейтроны, в количестве от примерно 0,1 вес. % до примерно 4,0 вес. %. В соответствии с некоторыми вариантами проппант содержит материал, содержащий соединение гадолиния, поглощающий тепловые нейтроны, в количестве от примерно 0,025 вес. % до примерно 1,0 вес. %.
В процессе изготовления проппантов в них может быть добавлен материал, поглощающий тепловые нейтроны, в результате чего может быть получен проппант, который будет пригоден для использования в некоторых вариантах осуществления изобретения. Керамический проппант может быть изготовлен таким образом, чтобы в его зернах возникала пористость. В этом случае материал, поглощающий тепловые нейтроны, импрегнируют в поры зерен проппанта в концентрации от примерно 0,025 вес. % до примерно 4,0 вес. %.
Операция гидроразрыва включает смешивание на площадке скважины воды с гелем для получения вязкой жидкости гидроразрыва. В полученную вязкую жидкость гидроразрыва добавляют проппант, включающий материал, поглощающий нейтроны, и полученную суспензию закачивают в скважину с использованием насосов высокого давления. Суспензия продавливается под высоким давлением в трещины, создаваемые в пласте, и возможно также в зоны скважины, прилегающие к трещинам. Частицы проппанта подаются вместе с жидкостью (суспензией гидроразрыва) в скважину и создаваемые трещины, а также в зоны скважины, прилегающие к местам, от которых отходят трещины, проникающие в окружающий пласт.
Способ идентификации трещин, создаваемых в результате гидроразрыва, с использованием проппанта, содержащего материал, поглощающий тепловые нейтроны, и измерений с помощью приборов нейтрон-нейтронного включает:
- Изготовление доппанта, содержащего материал, поглощающий тепловые материалы, причем проппант изготавливают из исходных материалов, которые включают материал, поглощающий тепловые нейтроны.
- Выполнение каротажных работ с использованием приборов нейтрон-нейтронного или компенсированного нейтрон-нейтронного каротажа, включая приборы с одним или несколькими детекторами, или приборов импульсно-нейтронного каротажа по сечению захвата для получения данных до гидроразрыва в потенциальных зонах осуществления гидроразрыва, а также предпочтительно в зонах, охватывающих сверху и снизу потенциальные зоны гидроразрыва.
- Осуществление операции гидроразрыва в скважине путем закачивания в нее суспензии гидроразрыва, содержащей проппант, в состав которого входит материал, поглощающий тепловые нейтроны.
К недостаткам данного способа можно отнести его сложность, косвенность проведенных измерений, наличие при использовании способа радиационного фона и шумов, достаточно слабая амплитуда отраженного сигнала при отражении от отдаленных участков трещины, низкая проникающая способность нейтронов в пласт.
Технической проблемой является определение геометрии трещин ГРП: длины, высоты, направления.
Техническим результатом является повышение точности измерений геометрии трещин за счет прямого замера параметров (высоты, длины, направления).
Способ измерения геометрии трещин гидроразрыва пласта заключается в том, что в процессе ГРП в жидкость ГРП вместе проппантом подают замешанные металлические кольца, диски или шарики, диаметром 0,5-1,5 мм, толщиной 0,1-0,5 мм (в случае дисков) в таком соотношении, чтобы их плотность в трещине на единицу поверхности была от 10^5 до 10^6 штук на м^2, или же около 1-2 тонн на 50 тонн проппанта.
После проведения ГРП в скважину спускают геофизический прибор, включающий радиопередатчик и приемник. Геофизический прибор ориентируют в предполагаемом направлении трещины ГРП, излучающий фазово-модулированный сигнал в диапазоне частот 100КГц-10МГЦ, и осуществляют поворот геофизического прибора на полный или половинный оборот. Далее измеряют углы с самым большим отраженным сигналом и определяют направление трещины. Измерение угла осуществляется с помощью гироскопа входящего в состав геофизического прибора. После нахождения направления трещины формируют данные по спектру принятого сигнала. С учетом спектра радиопередатчика и спектра приемника, находят спектральную отражающую способность трещины ГРП, наполненной металлическими кольцами или дисками. Замеры повторяют на нескольких глубинах. Глубины, на которых отраженный сигнал пропадает, соответствует вертикальным границам трещины. Получают спектральную отражающую способность трещины на этих глубинах. Геофизический прибор поднимают на поверхность. Проводят обработку переданных данных о мощности принятого сигнала, его спектре в зависимости от угла и высоты геофизического прибора. Уточняется угол направления трещины, а по анализу минимума и максимума спектра на разной высоте - длина трещины на разной высоте. Указанные выше обработанные данные характеризуют геометрию трещины.
Аналогичный способ позволяет получить параметры трещины ГРП в горизонтальном стволе, когда трещины перпендикулярны стволу скважины. Сначала движением геофизического прибора вдоль ствола определяется координата наибольшего отклоненного сигнала, соответствующая точке инициации трещины. Измеряется спектр отраженного сигнала, по которому определяется длина трещины, аналогично тому, как это делалось для вертикального ствола. После чего поворотом прибора вокруг своей оси осуществляется измерение спектра по различным углам. Исходя из измерений спектра под разными углами поворота, находится длина трещины под разными углами, а значит, и форма трещины.
3
3
3
Типовой проппант делается как правило из керамзита, имеет примерно сферическую форму, диаметр в диапазоне 0,5 мм -1,5 мм, плотность в диапазоне 2,3 г/см - 3 г/см, выдерживает давление от 50 МПа до 100 МПа. Например, проппант типа 16/20 Boroprop имеет средний диаметр 1,04 мм, плотность 2,89 г/см, сферичность 0,9, и сохраняет до 89% гранул при приложенном давлении в 100 Мпа.
Разработанный способ заключается в том, что вместе с проппантом в смесь ГРП добавляются кольца, диски или шарники диаметром 0,5-1,5 мм, толщиной 0,1-0,5 мм (в случае с дисками), сопоставимые с размером проппанта. Диски или шарики должны быть сделаны из магнитомягкого железа, например из карбонильного железа, марки Р-10, Р-20, Р-100Ф2 (ГОСТ 13610-79); из альсифера, марки ТЧ-90, ТЧК-55; из пермаллоев П-250, П-160. Также металл может быть вспенен, для уменьшения объемной плотности колец и дисков, что улучшит увлекаемость колец проппантом, но также увеличит их электросопротивление.
5
6
2
Кольца, диски или шарики примешиваются в такой процентной концентрации, чтобы в трещине на единицу площади их приходилось от 10 до 10 штук на м, или же около 1-2 тонн на 50 тонн проппанта.
После проведения ГРП в скважину опускают геофизический прибор, включающий радиопередатчик мощностью в диапазоне 5-15кВт, и излучающий фазово-модулированный сигнал в диапазоне частот 100КГц-10МГЦ (30 м - 300 м).
Антенна радиопередатчика должна представлять из себя вытянутую в длину металлическую кювету, ориентированную вертикально, имеющей сечение порядка 5 см × 5 см и длину порядка 1-3 м. Кювета должна быть заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью от 100 до 1000, например, диоксидом титана или титанатом бария. На стенки кюветы должно прилагаться переменное фазово-модулированное напряжение с частотой в диапазоне 1МГц-10МГЦ.
Указанный диапазон волн выбран из соображений интерференции волн при отражении, для этого разница в длине волны и длины препятствия не должна расходиться более, чем на порядок. При указанном диапазоне волн, обеспечивается работа в той области спектра, где спектральная отражающая способность трещины будет резко меняться из-за минимумов интерференции.
Радиопередатчик при описанной конфигурации будет обеспечивать излучение преимущественно в одном направлении - в телесный угол не более четверти от сферы. Сигнал может быть поляризован так, что магнитное поле будет ориентированно горизонтально, это будет оптимальным для дисков. Для шариков направление поляризации будет не принципиальным.
В одной компоновке с радиопередатчиком в скважину, на трубе с кабелем или на кабеле, опускается приемник радиосигнала, находящийся выше или ниже по вертикальному прибору на расстоянии порядка метра или меньше.
Опционально данный прибор должен быть способен вращаться вокруг своей продольной оси на измеримый угол. Прием и передача данных к приемнику и передатчику осуществляется по кабелю. Для измерения азимута также в компоновку может быть добавлен гироскоп.
При излучении электромагнитного поля, в кольцах или дисках будут индуцироваться индуктивные ЭДС, и кольца, диски или шарики начнут излучать обратное излучение как переменные электрические магнитные диполи. Это отраженное излучение будет измерять приемник.
При вращении прибора вокруг своей продольной оси, максимальный отклик будет получаться при совпадении направления прибора и трещины.
При перемещении по вертикали, по уменьшению отклика с изменением вертикальной координаты, можно измерять высоту трещины и длину трещины.
Длина измеряется в центральной по вертикали координате на основе анализа спектра отраженного сигнала. Из-за излучения источника в достаточно широком спектре, и сопоставимостью длины волны и длины трещины, на приемнике будет наблюдаться интерференция волн, отраженных от разных участков трещины. По частотам минимумов и максимумов спектра отраженного сигнала, а также интервалам между ними, на основе линейной зависимости вычисляется длина трещины.
ПРИМЕР
Для вертикальной скважины
3
3
3
В пласте проводится ГРП проводится под забойным давлением 500 атмосфер, с закачкой жидкости ГРП в количестве 200 кубометров, тип M0-30/WG-30 (на водной основе) с загеливающим агентом WG-46 в концентрации 4 кг/м, сшивателем DBXL-90/WGXL-8.1 в концентрации 2 л/м и брейкером типа WbCAP-LT концентрации 0,5 кг/м, а также с замешанными в жидкость ГРП около 50 тонн сферического керамзитного осмоленного проппанта типа 16/20 Boroprop, с средним диаметром 1 мм, и 1 тонной металлических дисков или шариков диаметром 0,5 мм, толщиной 0,1 мм (в случае дисков) из железа марки Р-20.
После проведения ГРП выжидается 2 часа для схлопывания трещины. Для проведения исследований по разработанному способу используется геофизический прибор включающий набор устройств: радиопередатчик мощностью 15 кВт с вертикальной антенной имеющей сечение 5 см × 5 см и длиной 3 м, состоящий из металлической кюветы с титанатом бария в качестве диэлектрика, приемник с идентичной антенной, гироскоп, измеряющий азимутальный угол отклонения прибора. Прибор излучает фазово-модулированный радиосигнал в диапазоне 1МГц-10МГЦ (30 м -300 м).
Прибор спускают на трубе с кабелем, подающим питание к прибору, и с проводами для приема и передачи информации. Глубина спускания определяется по длине спущенной трубы. Прибор опускают на предполагаемую глубину центральной точки трещины, с углом, соответствующим предполагаемому азимуту трещины, после чего включают. Излучение будет идти так, что магнитное поле будет ориентировано преимущественно горизонтально. Переменное магнитное поле, перпендикулярное к плоскости дисков, вызывает в них токи Фуко. Переменные токи Фуко будут излучать как переменный магнитный диполь, с распределением интенсивности по сфере как показано на Рис. 1. Переменное электрическое поле вызовет перераспределение зарядов, которое придет к образованию изменяющегося во времени дипольного момента, который тоже будет излучать, как показано на Рис. 1. Плоскость каждого диска будет примерно сонаправлена плоскости трещины, и будет соответствовать плоскости максимальной интенсивности отраженного излучения. Часть излучения попадает на приемник, и отраженные сигналы от дисков в разных местах трещины интерферируют, как схематично показано на Рис. 2 Вид скважины с трещиной, где 1 - передатчик, 2 - приемник, 3 -трещина, 4 - спускаемая труба НКТ или ГНКТ, на которой крепится прибор, 5 - металлические диски в трещине, 6 - испускаемая магнитная волна, 7 - отраженная электромагнитная волна, 8 - вектор индукции магнитного поля.
В начале измерений прибор отклоняется на небольшие углы, после чего находится угол соответствующий максимальному принятому сигналу. Таким образом, измеряется точный азимут трещины. Отклонение от предполагаемого азимута не превышает 10°.
0
Далее, при выбранном угле максимального принятого сигнала происходят измерения спектра отраженного сигнала, который выглядит как на Рис. 3, где по оси ординат указано А(ω) - спектральная плотность отраженного сигнала на циклической частоте ω, по оси абсцисс  - частота, нормированная на частоту первого минимума ω.
Средняя величина интервала между минимумами спектра составила Δν = 1,25МГц, откуда полудлина закрепленной трещины .
На следующем шаге прибор спускается или подымается по скважине, и измерения спектра повторяются. Измерения делаются в нескольких глубинах, для каждой глубины получается свой спектр и своя полудлина. С приближением прибора к вертикальной границы трещины, мощность отраженного сигнала Р будет резко затухать, как на Рис. 4. По этому затуханию определяется высота трещины.
По набору длин для разных высот восстанавливается геометрия трещины ГРП, как на Рис. 4, где показана высота трещины h1, h2, h3 и длина трещины L1, L2, L3. Для горизонтальной скважины
ГРП в горизонтальной скважине происходит с проппантом, гелем и закачкой, аналогичной примеру для вертикальной скважине. В горизонтальный ствол на гибкой насосно-компрессорной трубе (ГНКТ) с помощью скважинного забойного трактора (ЗСТ) заводится радиоприемник и источник, со свойствами, аналогичными свойствам в предыдущем примере (пример для вертикальной скважины). Единственным опциональным отличием прибора может быть большая степень вращения - на половину или на полный оборот вдоль продольный оси, чтобы измерять профиль трещины по большому диапазону углов.
В горизонтальной скважине возможны два возможных случая, в зависимости от ориентации горизонтальных скважин относительно главных горизонтальных напряжений.
В случае ориентации трещины вдоль ствола, порядок измерений геометрических параметров трещины остается таким же, как и в примере для вертикальной скважины. В случае перпендикулярной ориентации трещины ГРП, как на Рис. 5, где 1 - передатчик, 2 - приемник, 3 - трещина, 4 - спускаемая труба НКТ или ГНКТ, на которой крепится прибор, 5 - металлические диски в трещине, 6 - испускаемая магнитная волна, 7 - отраженная электромагнитная волна, порядок измерений несколько изменится по сравнению с примером для вертикальной скважины.
В начале, прибор двигают вдоль ствола скважины, и определяют координату локального максимума отраженного излучения. С точностью до размеров установки (примерно нескольких метров) это определяет точку инициации трещины, как на Рис. 5. Около точки локального максимума сигнала измеряется спектр отраженного сигнала. Характерный вид спектра отраженного сигнала будет иметь вид, как на Рис. 3, длина трещины в измеренном направлении будет определяться по аналогичным формулам, через спектральные расстояния между минимумами интерференции.
После измерения спектра в одном направлении, прибор поворачивается, и проводится новое измерение спектра отраженного сигнала. По набору таких измерений для разных углов восстанавливается форма трещины в плоскости, перпендикулярной стволу скважины. После измерения по различному набору углов, прибор перемещается дальше вдоль ствола скважины, пока не достигнет следующей точки максимума отраженного сигнала, соответствующей точке инициации трещины на следующей стадии закачки.