СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ТРЕЩЕН ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА
SYSTEM AND METHOD FOR SIMULATION AND PLANNING OF FRACTURE NETWORK USING PULSE RESERVOIR FRACTURING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[01] В общем, это раскрытие относится к области разрыва подземного пласта в стволе скважины и, в частности, к способам и системам для усовершенствования технологий разрыва пласта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[02] Обычной технологией, используемой для максимизации добычи из коллекторов с ограниченной проницаемостью, является разрыв пласта. Разрыв пласта включает в себя образование трещин в пласте, по которым газ, нефть или соляной раствор могут перемещаться в скважину. К разрыву пласта наиболее общего вида относится гидравлический разрыв пласта, который часто включает в себя нагнетание в пласт под высоким давлением жидкости, смешанной с песком и химическими веществами. В общем случае гидравлический разрыв пласта включает в себя приложение с относительно небольшой скоростью нагрузки к окружающей породе и в результате этого образование конфигураций двукрылых трещин, которыми ограничивается контактная поверхность коллектора. Хотя гидравлический разрыв пласта является наиболее общим видом используемых разрывов, он может не быть наиболее эффективным. Например, обычно только около 20-30% нагнетаемой жидкости, используемой для гидравлического разрыва пласта, извлекают во время очистки, что делает процесс очень неэффективным.
[03] Для исключения некоторых ограничений технологий гидравлического разрыва и дальнейшего увеличения контактной поверхности коллектора могут быть рассмотрены альтернативные технологии разрыва пласта, такие как туннелирование или кавитационное разрушение, газовый разрыв, топливный разрыв, взрывной разрыв или термический разрыв. Однако в данной области техники успешно используют только некоторые из этих альтернативных технологий, поскольку каждой технологии присущи свои трудности и ограничения.
[04] Например, альтернативная технология разрыва пласта, известная как взрывной разрыв, включает в себя очень быстрое приложение нагрузки к пласту и в результате этого одновременное распространение многочисленных трещин. Однако вследствие экстремального напряжения и теплоты, выделяющейся во время взрыва, область вблизи ствола скважины может находиться в зоне действия пластического течения или предела уплотнения.
[05] Таким образом, технологии разрыва пласта, используемые в настоящее время, имеют недостатки, которые могут быть устранены благодаря выявлению других технологий разрыва. В нижеследующем раскрытии устранены эти и другие проблемы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ
[06] В одном варианте осуществления предложено нетранзиторное устройство хранения программы, доступное для чтения процессору. Нетранзиторное устройство хранения программы включает в себя команды, сохраняемые в нем, для побуждения одного или нескольких процессоров к приему множества входных параметров, при этом каждый входной параметр относится к коллекторному пласту, к построению зависящей от давления и скорости модели разрушения и к моделированию распространения сети трещин импульсного разрыва в коллекторном пласте при применении одной или нескольких технологий импульсного разрыва пласта для максимизации протяженности сети трещин при минимизации повреждения вблизи ствола скважины.
[07] В другом варианте осуществления предложен способ планирования операции импульсного разрыва пласта. Способ включает в себя прием множества входных параметров, при этом каждый входной параметр относится к стволу скважины в коллекторном пласте, построение зависящей от давления и скорости модели разрушения на основании принимаемых входных параметров и моделирование распространения сети трещин импульсного разрыва в коллекторном пласте при применении одной или нескольких технологий импульсного разрыва пласта для максимизации протяженности сети трещин при минимизации повреждения вблизи ствола скважины.
[08] В еще одном варианте осуществления предложена система. В одном варианте осуществления система включает в себя запоминающее устройство, дисплейное устройство и процессор, при работе связанный с запоминающим устройством и дисплейным устройством и адаптированный для выполнения программного кода, сохраняемого в запоминающем устройстве. Программный код выполняется для приема множества входных параметров, при этом каждый входной параметр относится к стволу скважины в коллекторном пласте, для построения зависящей от давления и скорости модели разрушения и для моделирования распространения сети трещин импульсного разрыва в коллекторе при применении одной или нескольких технологий импульсного разрыва пласта для максимизации протяженности сети трещин при минимизации повреждения вблизи ствола скважины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
[09] фиг. 1А - пример распространения двукрылой трещины и повреждения вокруг ствола скважины, создаваемого при применении операции гидравлического разрыва пласта;
[10] фиг. 1В - пример сети искусственных трещин и повреждения вокруг ствола скважины, создаваемых при применении операции взрывного разрыва пласта;
[11] фиг. 1С - пример сети искусственных трещин, создаваемой при применении оптимизированной операции импульсного разрыва пласта;
[12] фиг. 2 - блок-схема последовательности действий, иллюстрирующая процесс оценивания сети искусственных трещин, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[13] фиг. 3 - ранговый список возможных входных параметров, используемых для построения модели разрушения коллекторного пласта, и график, показывающий состояния хрупкости, перехода от пластичности к хрупкости и пластического разрушения;
[14] фиг. 4А-4В - графики, иллюстрирующие разработанные модели разрушения, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[15] фиг. 5А-5В - графики, иллюстрирующие влияние скорости деформации на сгруппированные поверхности разрушения, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[16] фиг. 6А-6В - графики, иллюстрирующие влияние параметров прочности на сгруппированные поверхности разрушения, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[17] фиг. 7А-7В - графики, иллюстрирующие моделирование входных параметров с учетом реакции на уплотнение коллекторного пласта, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[18] фиг. 8 - график примера удовлетворяющей специальным требованиям динамической нагрузки при импульсном разрыве, прикладываемой к стволу скважину, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[19] фиг. 9А-9С - графики, иллюстрирующие различные технологии импульсного разрыва пласта и получающиеся в результате сети трещин, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления;
[20] фиг. 10А - график, показывающий многочисленные циклы приложения импульсов, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления; и
[21] фиг. 10В - конфигурация сети сложных и связных искусственных трещин вокруг горизонтального ствола скважины, полученной при применении многочисленных циклов приложения нагрузки в процессе импульсного разрыва пласта, согласно одному или нескольким раскрытым вариантам осуществления.
ОПИСАНИЕ РАСКРЫТЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[22] В нижеследующем описании многочисленные конкретные подробности изложены для пояснения изобретения, чтобы обеспечить полное понимание концепции изобретения. Для исключения затруднения понимания изобретения на некоторых чертежах этого раскрытия представлены в качестве части этого описания структуры и устройства в виде блочных схем. В этом раскрытии ссылка на «один вариант осуществления» или на «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описываемая применительно к варианту осуществления, включена в по меньшей мере один вариант осуществления изобретения, а многочисленные ссылки на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» не следует понимать как необходимость обращения только к одному и тому же варианту осуществления.
[23] Следует понимать, что при разработке любой фактической реализации (как и при выполнении любой опытно-конструкторской работы) многочисленные решения должны приниматься для достижения конкретных целей разработчика (например, в соответствии с системными и связанными с деловой деятельностью ограничениями) и что эти цели будут изменяться от одной реализации к другой. Кроме того, следует понимать, что такие опытно-конструкторские работы могут быть сложными и требующими много времени, но тем не менее должны быть обычным делом для специалистов в области обработки данных, имеющих выгоду от этого раскрытия.
[24] Применительно к коллекторам с ограниченной проницаемостью одна из важнейших задач операции разрыва пласта заключается в образовании протяженной и с хорошей связностью сети трещин, которые могут оставаться открытыми во время добычи. Гидравлический разрыв пласта представляет собой наиболее широко используемую технологию образования трещин в геологической среде. Процесс гидравлического разрыва пласта обычно включает в себя приложение с относительно низкой скоростью нагрузки к коллекторному пласту и один цикл подачи (закачивания и остановки) в течение одного или многочисленных этапов. Однако не все пласты хорошо реагируют на разрыв этого вида. Например, низкая скорость приложения нагрузки может приводить к картинам двукрылых трещин и ограниченной контактной поверхности коллектора в некоторых пластах. Кроме того, при гидравлическом разрыве пласта обычно образуется одна отдельная трещина, расположенная на одной линии с максимальным главным направлением пластового напряжения. На фиг. 1А показана двукрылая трещина, образованная при использовании гидравлического разрыва пласта. Как можно видеть, образованы только две трещины 105 и 110, распространившиеся на расстояние от ствола 100 скважины, а вследствие медленного приложения нагрузки при гидравлическом разрыве повреждение ограничено раскрытием трещин.
[25] Альтернативной технологией разрыва пласта, иногда используемой, является взрывной разрыв пласта, часто включающий в себя быстрое приложение нагрузки к пласту, которое может инициировать одновременное распространение многочисленных трещин. Однако вследствие напряжения и теплоты, которая часто выделяется в избыточных количествах во время взрыва, область вблизи ствола скважины может находиться в зоне действия пластического течения и предела уплотнения, что может препятствовать росту трещин на расстоянии от ствола скважины. Таким образом, в трещинах, образующихся при взрывном разрыве пласта, может иметься пиковое давление, которое на порядки величины выше пластовых напряжений и может вызывать уплотнение вокруг ствола скважины. На фиг. 1В показаны уплотнение и повреждение вокруг ствола скважины, обусловленные взрывчатыми веществами высокой энергии, используемыми при взрывном разрыве пласта. Как показано, напряжения, вызываемые взрывом, могут приводить к обширному повреждению ствола 120 скважины. В этом случае напряженное состояние может определять общее повреждение, и может происходить обрушение ствола скважины. Следовательно, несмотря на образование большего количества трещин, взрывному разрыву пласта присущи свои недостатки. Таким образом, имеется необходимость в технологии разрыва пласта с использованием скорости приложения нагрузки, которая выше, чем при гидравлическом разрыве пласта, но ниже, чем при взрывном разрыве. Импульсный разрыв пласта может представлять собой такое решение.
[26] Скорости приложения нагрузки и пиковые нагрузки при импульсном разрыве пласта (обычно создаваемые газом высокой энергии или компонентами топлива, сжигаемого внутри ствола скважины) могут быть удовлетворяющими специальным требованиям, чтобы они занимали промежуточное положение по отношению к гидравлическому и взрывному разрывам пласта. Таким образом, технологии импульсного разрыва пласта присуща возможность разрыхления пластичного глинистого сланца путем инициирования перехода от пластичности к хрупкости при оптимизированных значениях скорости приложения импульсов и пиковой нагрузки, при определенных условиях коллектора, и в то же время возможность минимизации повреждения вблизи ствола скважины, в результате чего исключаются ограничения, присущие как гидравлическому, так и взрывному разрыву пласта.
[27] При импульсном разрыве пласта может создаваться нагрузка, величина которой приблизительно на порядок больше уровня пластового напряжения, но может оставаться ниже предела пластичности и/или уплотнения коллекторного пласта, поскольку многочисленные радиальные трещины развиваются и распространяются вокруг ствола скважины. На фиг. 1С показан пример сети искусственных трещин, образованных применением оптимизированного импульсного разрыва пласта. Как можно видеть, многочисленные радиальные трещины, распространяющиеся на расстояние от ствола 130 скважины, образованы приложением импульсной нагрузки, а повреждение вблизи ствола скважины является минимальным.
[28] При применении импульсного разрыва пласта сеть искусственных трещин можно улучшить, используя геомеханическую и коллекторную модели для прогнозирования образуемых сетей трещин, для количественного определения продуктивности и эффективности этих сетей искусственных трещин и для адаптации способа разрыва пласта в соответствии с прогнозируемыми результатами.
[29] Возможность образования искусственных трещин в коллекторной породе, также известная как способность к образованию трещин или развитию хрупкости, может быть определена как возможность образования в породе высококачественных, обширных и сложных сетей трещин, которые могут оставаться открытыми во время добычи. При высокой возможности образования трещин возрастает эффективность операций разрыва или повторного разрыва пласта. Поэтому прогнозирование этой возможности является важным необходимым условием для различных технологий разрыва пласта, в которых успех зависит от качества сети искусственных трещин. Возможность разрыва пласта обычно определяется различными переменными. Эти переменные включают в себя зависящие от скорости свойства материала, пластовое напряженное состояние и условия приложения нагрузки, текстуру или характеристики естественных трещин вмещающей породы и доступные технологию и оборудование. Поскольку некоторые из этих переменных можно изменять для улучшения процесса разрыва пласта, точное знание этих переменных может быть полезным для усовершенствованной технологии разрыва пласта. Например, свойства или поведение материала могут изменяться при взаимодействиях породы и жидкости, регулировании скоростей приложения нагрузки, циклов приложения нагрузки или импульсов нагрузки, или при использовании экстремальных температур, при которых может инициироваться переход в стекловидное состояние. Пластовое напряженное состояние и анизотропию напряжения можно регулировать или корректировать, например, используя снижение и/или повышение изменений наведенного напряжения, импульсы или взрывы с высокой частотой повторения, термические эффекты или затенения напряжений, обусловленные многоступенчатыми трещинами. Характеристики естественных трещин и текстура породы могут с трудом поддаваться модификации, но возможность реактивации их все же можно максимизировать. Усовершенствования конструкции оборудования дают возможность использовать технологию повышения давления накачиванием, которая может способствовать преодолению некоторых ограничений, накладываемых пластовыми свойствами и напряженным состоянием. Поэтому при использовании надлежащих технологии и конструкции возможность образования искусственных трещин в данном коллекторном пласте можно корректировать.
[30] При хрупком разрушении коллекторный пласт может реагировать разрывом на деформирование. В противоположность этому, для пластического разрушения может требоваться согласование материала с относительной деформацией через деформацию текучести или пластическую деформацию (то есть, через низкое отношение (отношения) упругой деформации к пластической деформации). То есть, при пластическом разрушении большее количество энергии может поглощаться по мере повышения сопротивления развитию трещины. Этим явлением разрушения можно управлять путем сочетания параметров, которые включают в себя напряженное состояние, скорость приложения нагрузки и характеристики разрушения породы (например, критическую скорость высвобождения энергии, сцепление, угол внутреннего трения, прочность на сжатие и растяжение).
[31] Некоторые полевые наблюдения наводят на мысль, что глинистый сланец больше всего подходят для разрыва, если он имеет высокий модуль Юнга и небольшой коэффициент Пуассона. Однако как модуль Юнга, так и коэффициент Пуассона являются параметрами упругости. Как независимые параметры они не относятся к разрыву пласта и разрушению. Хотя эти параметры могут показывать, каким образом напряжения изменяются упруго, они содержат мало информации о возможности разрыва пласта после пикового значения. То есть, упруго-мягкий материал (например, с низким модулем Юнга и большим коэффициентом Пуассона) также может подвергаться хрупкому разрушению. Поэтому параметры упругости не всегда можно считать индикаторами хрупкости или пластичности.
[32] При использовании параметров прочности для прогнозирования возможности образования трещин (то есть, значений прочности на растяжение или прочности при неограниченном сжатии) получают подобные характеристики. Прочность представляет собой способность выдерживать нагрузку и поэтому может изменяться в зависимости от уровня обжатия и скорости приложения нагрузки. Таким образом, прочность как независимый параметр не дает достаточной информации для описания поведения пород после пикового значения. В действительности, породы, которые имеют аналогичные значения прочности на сжатие или растяжение, могут иметь разное поведение после пикового значения или разную величину падения напряжения.
[33] Экспериментальные наблюдения показывают, что породы, погруженные на небольшие глубины (то есть, с низким напряжением, создаваемым горным давлением), или приподнятые/эродированные, все же могут проявлять хрупкое разрушение независимо от содержания минеральных веществ, если это следует из напряженного состояния. То есть, циклическое приложение нагрузки на небольших глубинах может приводить к обширному разрыву в пласте, который в других отношениях должен классифицироваться как хрупкий, в частности, если классификации основана только на содержании минеральных веществ.
[34] В соответствии с этим возможность образования трещин нельзя прогнозировать на основании отдельных параметров. Для точного прогнозирования возможности образования трещин следует использовать алгоритм, в котором учитываются различные параметры и условия. В одном варианте осуществления это можно делать, используя этапы процесса 200, показанного на фиг. 2 в виде блок-схемы последовательности действий. Как показано, процесс может начинаться с приема (блок 205) входных данных от многочисленных источников. Эти источники могут включать в себя, полевые данные и данные, обеспечиваемые кернами или каротажными диаграммами. Принимаемые данные могут включать в себя информацию об упругости, информацию о прочности при неограниченном сжатии (ПНС), данные, относящиеся к содержанию минеральных веществ, анизотропии пласта (характерным вариациям, степени ламинации) и анизотропии напряжения, сцеплению, углу трения, пластовому сопротивлению развитию трещины, характеристикам пластичности и разрушения, зависимости от скорости и потенциалу реактивации естественных трещин целевого пласта.
[35] Затем принимаемые данные можно ранжировать и снабжать весами (блок 210) в соответствии с определенной системой, которой количественно определяется степень влияния и/или надежность принимаемых данных. Например, информации об упругости можно придавать меньшую ранговую оценку, чем анизотропии напряжения, поскольку данные об упругости могут определяться с меньшей надежностью или могут оказывать меньшее влияние на результаты анализа. Аналогично, информация об анизотропии напряжения может получать меньшую ранговую оценку, чем данные о сцеплении или об угле трения, вследствие того, что информация определяется с меньшей надежностью, чем данные о сцеплении или об угле трения. Это ранжирование показано на фиг. 3.
[36] После снабжения весами и ранжирования всех принимаемых данных пласт можно качественно описать (блок 215) на основании принимаемых данных о хрупкости или пластичности. Затем на основании данных можно построить (блок 220) модель разрушения. В одном варианте осуществления эта модель разрушения представляет собой усовершенствованную определяющую модель, в которой многочисленные режимы разрушения объединены на основании ранжированных и взвешенных данных для получения зависящей от давления и скорости поверхности разрушения, которая может количественно определять поведение трещины коллекторного пласта с последствиями, связанными с альтернативными технологиями разрыва пласта, такими как импульсный разрыв пласта. Например, на основании модели разрушения можно прогнозировать (блок 220) поверхности разрушения и также прогнозировать вид повреждения (то есть, разрушение при растяжении, сдвиге и уплотнении). Кроме того, в модели можно моделировать уплотнение пор, деформационное разупрочнение при растяжении и сжатии и зависящее от скорости деформации упрочнение при сжатии.
[37] В одном варианте осуществления параметры, используемые для построения модели разрушения, включают в себя модуль сдвига, прочность на сжатие, прочность на растяжение, прочность на сдвиг, сцепление цельной породы, угол трения цельной породы, меридиональное отношение растяжение/сжатие, переход от хрупкости к пластичности, отношение поверхностей упругости и пластичности, сцепление трещиноватой породы, угол трения трещиноватой породы, экспоненту скорости деформации сжатия, экспоненту скорости деформации растяжения, максимальный коэффициент сопротивления разрушению, постоянную регулирования повреждения, минимальную деформацию разрушения, остаточную часть модуля сдвига, главное напряжение разрушения при растяжении и энергию разрушения. Далее модель разрушения можно использовать для постановки (блок 225) задачи импульсного разрыва пласта, чтобы моделировать и прогнозировать (блок 230) разрыв пласта и повреждение вокруг ствола скважины. На основании оценивания протяженности трещин и повреждения (блок 235) условия приложения нагрузки (повышение скорости импульсного разрыва пласта и пиковую нагрузку) для определенного пласта можно скорректировать, чтобы оптимизировать сложность, протяженность и связность трещин при минимизации повреждения вокруг ствола скважины (блок 240). Затем эту оптимизированную модель можно использовать при планировании операций импульсного разрыва пласта для будущих скважин.
[38] На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий пример прогнозирования разрушения при растяжении, сдвиге и уплотнении. Как видно, на этом графике количественно определены зоны пластичности, хрупкости и перехода от пластичности к хрупкости, и тем самым дается информация, которая может быть использована при моделировании импульсного разрыва пласта и прогнозировании результирующей сети трещин. На поверхности разрушения при сдвиге объединены пластичность и повреждение, при которых предельное девиаторное напряжение в материале может быть ограничено поверхностью разрушения, определяемой конкретной формулой. Кроме того, на фиг. 3 показано ранжирование входных параметров данных, основанное на надежности, в возрастающем порядке. Таким образом, на этом приведенном для примера чертеже входными параметрами в порядке от наименьшей надежности до наибольшей надежности являются: упругость; прочность при неограниченном сжатии (ПНС); содержание минеральных веществ; анизотропия пласта/напряжения; сцепление (С), угол трения (УТ), пластовое сопротивление развитию трещины (ПСРТ); зависимость от скорости, естественные трещины и составная поверхность разрушения. Показанные входные параметры и порядок ранжирования их используются для построения графика прогнозирования разрушения при растяжении, сдвиге и уплотнении.
[39] В одном варианте осуществления модель может быть модульной по природе и может быть построена так, что отдельные составляющие свойства материала могут быть активированы и деактивированы. Например, зависимость от скорости, повреждение или размягчение могут анализироваться отдельно. В одном варианте осуществления графики могут использоваться для отображения характера разрушения коллекторного пласта. Например, как показано на фиг. 4А, поверхность текучести вместе с поверхностями предельного сверху упругого разрушения и разрушения при сдвиге могут быть нанесены на график среднего напряжения в зависимости от пространства дифференциального напряжения. Как показано на чертеже, при повышении скорости деформирования поверхности разрушения раздуваются и перемещаются на расстояние от оси среднего напряжения. Таким образом, на фиг. 4А кривые предела упругости в случае верхнего предельного состояния растяжения, предела упругости в случае верхнего предельного состояния сжатия, состояния растяжения поверхности разрушения, состояния сжатия поверхности разрушения показаны на графике среднего напряжения в зависимости от девиаторного напряжения. В одном варианте осуществления поверхность разрушения при сдвиге может зависеть как от скорости, так и давления и может изменяться, когда это диктуется напряженным состоянием и скоростью. После превышения пиковой прочности можно вычислить приращение повреждения при сдвиге и поверхность разрушения при сдвиге можно постепенно снижать от пиковой до остаточной поверхности или поверхности трения. В одном варианте осуществления сочетание испытаний на циклические статические трехмерные сжатия-растяжения и испытаний с помощью составного стержня Гопкинсона можно использовать, чтобы получать важные входные данные для зависящих от скорости и давления поверхностей разрушения, вычисляемых при анализе.
[40] Разрушение при растяжении можно моделировать на основании ограничивающих критериев растягивающего напряжения и модели размягчения, в которой повреждение локализуется. Параметры, используемые для моделирования разрушения при растяжении, могут включать в себя наряду с другими прочность на растяжение и скорость высвобождения критической энергии материала. Предельная граница поверхности растяжения может определяться прочностью на растяжение, тогда как изменение во времени повреждения может определяться скоростью высвобождения критической энергии или сопротивлением развитию трещины.
[41] На фиг. 4В показан пример графика, который иллюстрирует наложение поверхности разрушения при растяжении на зависящую от скорости и давления поверхность разрушения при сдвиге в пространстве главного напряжения. Поверхность, которая служит границей напряженного состояния, представляет собой поверхность разрушения при сдвиге или растяжении, которая является поверхностью, ближайшей к гидростатической оси (пунктирной линии). Поверхность 410 разрушения при сдвиге (темно-серая поверхность на фиг. 4В) имеет форму параболоида в пространстве главного напряжения и образует равные углы с тремя осями главного напряжения. Поверхности 420 разрушения при растяжении пересекают параболоид и образуют на нем три уплощенные поверхности. Поверхности 420 разрушения при растяжении перпендикулярны к трем осям главного напряжения и не зависят от давления, тогда как поверхность 410 разрушения при сдвиге зависит как от давления, так и скорости. На фиг. 4В показан случай, когда образована относительно четко выраженная поверхность растяжения, которая пересекает поверхность сдвига. Кроме того, возможны другие варианты. Поверхность 430 на фиг. 4В представляет напряженное состояние, когда при разрыве и разрушении прочность материала снижается от пикового до остаточного уровня.
[42] На фиг. 5А-5В показаны примеры, иллюстрирующие влияние скорости деформации на сгруппированные поверхности разрушения, а на фиг. 6А-6В показаны примеры взаимозависимых параметров прочности материала, таких как прочность при неограниченном сжатии, сцепление, угол трения и прочность при растяжении, на конфигурации поверхности разрушения при сдвиге. При сравнении фиг. 5А и 5В видно, что с повышением скорости деформации, начиная от гидравлического разрыва пласта (то есть, низкой скорости) и кончая импульсным разрывом пласта (то есть, высокой скоростью), поверхность разрушения при растяжении в некоторых местах может становиться доминирующей и приближаться к гидростатической оси 510 (прямой линии), и поэтому это может приводить к низкому среднему давлению. Кроме того, как показано на фиг. 6А-6В, при высокопрочной породе (то есть, имеющей высокие значения прочности при неограниченном сжатии, сцепления, угла трения или прочности на растяжение) может возрастать вероятность проявления хрупкости. Это очевидно из зависимостей растяжения от взаимодействий поверхностей разрушения при сдвиге и близости их к гидростатической оси на фиг. 6А-6В. То есть, если это определяется скоростью и напряженным состоянием, для траектории напряжения на фиг. 6В может иметься повышенная вероятность достижения поверхности 620 разрушения при растяжении, тогда как эта вероятность на фиг. 6А снижается вследствие близости поверхности 610 разрушения при сдвиге к гидростатической оси.
[43] Изобретатели этого раскрытия обнаружили, что при импульсном разрыве пласта переход хрупкость-пластичность может не только определяться поверхностью разрушения при растяжении, но также может включать в себя участки зависящей от скорости и давления поверхности разрушения при сдвиге и участки встречи и взаимодействия ее с поверхностью растяжения. Таким образом, при наличии значений постоянных материала и конкретного напряженного состояния, которое сообщается, можно определить, какой из нескольких режимов имеется, пластического, хрупкого или переходного разрушения. В одном варианте осуществления это может быть сделано моделированием различных сценариев импульсного разрыва пласта при различных напряженных состояниях и скоростях для различных свойств материала. Поскольку при импульсном разрыве пласта переход пластичность-хрупкость происходит на различных уровнях, результаты таких моделирований соответственно можно использовать при выполнении специализированной операции импульсного разрыва пласта.
[44] Что касается опять фиг. 2, то этапы процесса 200 включают в себя такое моделирование (блок 230). Поэтому после построения модели разрушения в процессе 200 можно моделировать распространение и взаимодействие трещин в сети искусственных трещин. На основании имеющегося плана моделированием можно прогнозировать сеть трещин. Например, различные формы разрушения (например, при растяжении, сдвиге и уплотнении) можно моделировать при различных условиях приложения нагрузки, чтобы определять наилучшие условия для образования сети трещин. При моделировании можно использовать различные входные параметры, чтобы получать поведение при уплотнении, поверхности сдвига, остаточных параметров и растяжения для точного представления результирующих картин трещин, вызванных приложением импульса.
[45] Для моделирования поведения при уплотнении может потребоваться график давления в зависимости от плотности, на котором показана траектория уплотнения, и график скорости звука в зависимости от плотности, на котором показана упругая объемная жесткость материала при уплотнении. Для этого на фиг. 7А показан пример графика 700 давления в зависимости от плотности. В соответствии с показанным на графике можно видеть траекторию 710 уплотнения, упругую реакцию 720 до уплотнения, упругую реакцию 730 зерен породы и траекторию 740 без нагрузки. На фиг. 7В показаны изменения упругих свойств и плотности в зависимости от скорости звука. Таким образом, на графике 750 из фиг. 7В изображены объемная скорость 760 звука и коэффициент 770 Пуассона.
[46] В общем случае конфигурация инициирования и распространения системы трещин зависит от времени нарастания давления, скорости спада, максимального пикового давления, достигаемого во время импульсного события, и свойств коллекторного пласта. Кроме того, разрыхление пласта, разветвление и утечка вдоль радиально распространяющихся трещин (то есть, под углом к полю пластового напряжения) могут инициировать механизм саморасклинивания. Таким образом, путем использования моделей, раскрытых в этой заявке, параметры импульсной нагрузки можно оптимизировать, чтобы получать наиболее обширную сеть трещин и в то же самое время минимизировать повреждение вблизи ствола скважины. Например, чтобы получать желаемую картину трещин, величина пиковой нагрузки и скорости нарастания и спада импульсной нагрузки могут быть удовлетворяющими специальным требованиям в зависимости от свойств коллектора. Кроме того, удовлетворяющие специальным требованиям условия приложения нагрузки можно использовать для содействия минимизации нанесения ущерба пористости и проницаемости.
[47] В одном варианте осуществления удовлетворяющий специальным требованиям динамический импульс, который может быть приложен к стволу скважины, может быть представлен линейным нарастанием давления с последующим экспоненциальным спадом. Это показано на графике из фиг. 8. В этом варианте осуществления пиковая нагрузка и время нарастания могут изменяться, тогда как экспонента спада поддерживается постоянной.
[48] Удовлетворяющий специальным требованиям динамический импульс может быть порядка миллисекунд, чтобы многочисленные трещины создавались и распространялись на расстояние от ствола скважины. Как показано на фиг. 9А, по прошествии интервала нарастания импульса, который может создавать многочисленные первичные трещины, могут быть выполнены несколько сценариев после пика. В первом сценарии может использоваться источник импульсов (например, многочисленные компоненты топлива), который обеспечивает повышенное время спада и непрерывное проникновение газа после пика. Этот процесс можно отнести к процессу с продолжительным спадом импульса (ПСИ). В ином случае ограниченное количество газа может быть подано для просачивания в образованные первичные трещины. Этот случай можно отнести к быстрому спаду импульса (БСИ). Кроме того, газ можно закачивать со значительно сниженной скоростью в первоначально образованную сеть трещин (после приложения импульсной нагрузки) в течение длительного времени. Этот случай можно отнести к растягиваемому газом импульсу (РГИ). Каждый из этих процессов может приводить к образованию отличающейся характерной сети трещин. Поэтому каждый процесс можно моделировать, чтобы исследовать результаты для определения, какой процесс лучше всего удовлетворяет требованиям операции разрыва пласта.
[49] Это показано на фиг. 9А-9С, на которых сценарии продолжительного спада импульса, растягиваемого газом импульса и быстрого спада импульса показаны для нахождения оптимума скорости импульса и пика, чтобы максимизировать сложность и связность трещин. Как показано на чертеже, путем моделирования различных вариантов и исследования их характеристик может быть выбран оптимизированный вариант импульса, показанный на графике из фиг. 9В, и может быть спрогнозирована конечная сеть искусственных трещин, показанная на фиг. 9С.
[50] Кроме того, импульсный разрыв пласта можно улучшить путем использования многочисленных циклов/этапов приложения импульсной нагрузки. Многочисленными циклами приложения импульсов можно увеличить охват трещинами вокруг ствола скважины, повысить сложность и взаимодействие трещин и поэтому максимизировать контактную поверхность коллектора. Это показано на фиг. 10А-В. На фиг. 10А показан график, демонстрирующий применение многочисленных циклов приложения импульсной нагрузки, и на фиг. 10В показаны результаты такого приложения нагрузки. На фиг. 10В показан горизонтальный ствол скважины. Как показано на фиг. 10В, при каждом цикле может создаваться обширная сеть трещин вокруг определенной области ствола скважины. При многочисленных циклах приложения импульсной нагрузки можно создавать многочисленные сети трещин на всем протяжении длины ствола скважины.
[51] Таким образом, импульсный разрыв пласта с использованием газообразной среды, с использованием импульсов высокой энергии представляет собой практически осуществимую альтернативу гидравлическому разрыву пласта, поскольку при определенных коллекторных и геомеханических условиях импульсный разрыв пласта можно оптимизировать, чтобы создавать многочисленные трещины, которые распространяются на расстояние от ствола скважины. Кроме того, сеть искусственных трещин можно продолжить в коллектор закачиванием газа с пониженной скоростью в течение длительного времени. Связывание картины образуемой сети трещин с моделью коллектора может также помочь количественно оценивать эффективность добычи из этих трещин, и она может служить основой для сравнения с эффективностью гидравлического разрыва пласта.
[52] Как рассматривалось выше, возможность образования искусственных трещин коллекторного пласта не является свойством материала, а скорее является комплексной функцией напряженного состояния, условий приложения нагрузки, скорости приложения нагрузки и свойств материала. Эта возможность может быть количественно определена в рамках объединенной модели. Такую модель можно использовать для составления плана операции импульсного разрыва пласта с удовлетворяющими специальным требованиям нарастанием импульса и циклами спада, которые можно планировать для оптимизации сложности и связности, инициирования перехода от пластичности к хрупкости и инициирования механизмов разветвления и саморасклинивания трещин.
[53] Следует отметить, что входные параметры, упоминаемые в этом раскрытии, являются примерами. На практике можно использовать любой параметр, который дает информацию о конкретном анализе. По существу, в альтернативных вариантах осуществления некоторые из параметров могут не использоваться, тогда как другие могут заменяться новыми параметрами, не упоминаемыми в настоящей заявке. Кроме того, в других вариантах осуществления дополнительные параметры могут быть добавлены к этому перечню.
[54] В приведенном выше описании конкретные подробности изложены с целью пояснения, чтобы обеспечить полное понимание раскрытых вариантов осуществления. Однако для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что раскрытые варианты осуществления могут быть применены на практике без этих конкретных подробностей. В иных случаях, структуры и устройства, показанные на блочных схемах, находятся в определенном порядке для исключения затруднения понимания раскрытых вариантов осуществления. Понятно, что ссылки на позиции без нижних индексов или верхних индексов относятся ко всем появлениям нижних индексов и верхних индексов, соответствующих позиционным обозначениям. Кроме того, язык, используемый в этом раскрытии, выбран прежде всего для обеспечения удобочитаемости и обучения, а не выбран для описания или детализации предмета изобретения, при этом для определения такого предмета изобретения следует обращаться к формуле изобретения. Ссылка в описании на «один вариант осуществления» или на «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная применительно к вариантам осуществления, включена в по меньшей мере один раскрытый вариант осуществления, а многочисленные ссылки на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» не следует понимать как необходимость обращения всегда к одному и тому же варианту осуществления.
[55] Кроме того, должно быть понятно, что приведенное выше описание предполагается иллюстративным, а не ограничивающим. Например, описанные выше варианты осуществления могут использоваться в сочетании друг с другом, а иллюстрирующие процесс действия могут выполняться в порядке, отличающемся от рассмотренного. Многие другие варианты осуществления станут очевидными для специалистов в данной области техники при анализе приведенного выше описания. Поэтому объем изобретения должен определяться при обращении к прилагаемой формуле изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, которые правомочны для такой формулы изобретения. В прилагаемой формуле изобретения термины «включающий» и «в каком» используются в качестве эквивалентов разговорного английского языка соответствующих терминов «содержащий» и «в котором».