Геомеханическое моделирование разреза месторождения cахалинского шельфа под задачи бурения скважин

УДК 550.8.01

Геомеханическое моделирование разреза месторождения cахалинского шельфа под задачи бурения скважин

Т.Ю. Лукина1*, А.Г. Потапов1, О.Е. Богданова1, О.А. Потапов2

1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1

2 ПАО «Лукойл», Российская Федерация, 101000, г. Москва, Сретенский бульвар, д. 11 * E-mail: T_Lukina@vniigaz.gazprom.ru

Тезисы. В статье рассмотрена методика оценки параметров одномерной геомеханической модели для проектируемых эксплуатационных наклонно направленных скважин газоконденсатного месторождения Сахалинского шельфа. Основой построения модели послужила информация, полученная при бурении вертикальной разведочной скважины, принятой в качестве эталонной.

В результате выполненных расчетов в интервалах разреза эталонной скважины получены и рекомендованы для дальнейшего бурения плотности бурового раствора, оптимальные c точки зрения предотвращения образования каверн на стенках скважин, гидроразрывов пласта и т.п. Анализ устойчивости горных пород, выполненный по методике Н.В. Рабиновича, показал возможность бурения наклонно направленных скважин со сложной технической конструкцией в разрезе месторождения при условии соблюдения рекомендованных параметров бурения.

В заключение для проведения при последующем бурении рекомендованы геофизические и гидродинамические исследования, необходимые для уточнения существующей одномерной модели и построения трехмерной геомеханической модели месторождения.

Разработка и эксплуатация месторождений на материковых шельфах - сложный и дорогостоящий процесс. С целью оптимизации затрат на месторождениях проектируются скважины сложного профиля. Их строительство сопряжено с рядом проблем не только вследствие бурения в условиях моря, но и в связи с нестандартным геологическим строением вскрываемого разреза, присутствием слабосцементированных пород в разрезе, аномально высоким пластовым давлением (АВПД) и другими трудностями. Геомеханическое моделирование в процессе бурения существенно повышает эффективность эксплуатации месторождений за счет снижения затрат и рисков при бурении и освоении скважин. Оно помогает определить оптимальные параметры: траекторию скважины, плотность бурового раствора и эквивалентную плотность циркуляции, глубины спуска обсадной колонны, а также градиенты гидроразрыва пласта и обрушения пород, интервалы нестабильности и потери циркуляции и т.д.

На исследуемом месторождении сахалинского шельфа продуктивными являются отложения дагинского горизонта, а именно его верхней части - верхнедагинско-го подгоризонта. Отложения представлены переслаиванием различных типов тер-ригенных пород: песчаников и алевролитов с подчиненными прослоями аргиллитов. По результатам изучения гранулометрического состава пород установлено, что к продуктивным коллекторам верхнедагинского подгоризонта относятся алевролиты светло-серые крупнозернистые песчанистые, песчаники светло-серые мелкозернистые, в том числе алевритистые. Пористость отложений меняется от 2,5 до 25,8 %, проницаемость - от 0,01 до 3107,2 мД.

Отход забоя проектируемых газовых скважин от устья по горизонтали составляет приблизительно 2000 м. Как правило, длина горизонтального отхода забоя ограничивается техническими возможностями бурения и зависит от геологических условий залежи.

Далее в статье освещаются работы, выполненные с целью оценки параметров бурового раствора и бурения, оптимальных с точки зрения минимизации рисков обрушения ствола скважины и поглощений при бурении эксплуатационных наклонно направленных скважин.

Ключевые слова:

шельф Сахалина,

газоконденсатное

месторождение,

проектирование

наклонно

направленных

скважин,

одномерная

геомеханическая

модель,

анализ

устойчивости

горных пород,

оптимальная

плотность бурового

раствора.

Обобщение, анализ и подготовка исходных данных для построения геомеханической модели

Для построения качественной геомеханической модели необходима кондиционная исходная информация. Качество первичных данных

влияет на достоверность проводимых построений и, как следствие, на достоверность самой модели. В первую очередь, требуются качественные замеры данных акустического

Рис. 1. Пример скважины с интервалом нарушения целостности ствола, по данным ГИС

и плотностного гамма-гамма (ГГКп) каротажей - основных методов геофизических исследований скважин (ГИС), дающих информацию о механических свойствах горных пород.

На момент выполнения работы на месторождении были пробурены одна поисковая, две разведочные и три эксплуатационные скважины. Анализ исходных материалов показал, что не во всех скважинах выполнены исследования, необходимые для изучения упругих свойств; в основном это касается отсутствия замеров интервального времени пробега поперечной волны, или *-волны. Кроме того, в большинстве скважин в вышележащей части разреза качество выполненных исследований низкое, что связано с плохим состоянием ствола скважины. В таких интервалах по данным каверномера регистрируются интервалы увеличенного диаметра (рис. 1). Как следствие, информативность методов ГИС, особенно плот-ностного каротажа, снижена.

Таким образом, анализ исходной информации, полученной методами ГИС, показал наличие полного комплекса кондиционных данных об упругих свойствах пород только для разведочной скважины Р-3. Ее и выбрали в качестве эталонной при дальнейших расчетах.

Оценка упругих свойств пород на образцах керна

Помимо методов ГИС упругие свойства горных пород дагинских отложений месторождения изучались на насыщенных моделью пластовой воды образцах керна из двух разведочных скважин. В результате получены значения скоростей распространения продольных (р-) и *-волн, проходящих через образец керна [1], и расчетные значения интервального времени. Для определения упругих констант - модуля Юнга (Е), коэффициента Пуассона (V), модуля объемного сжатия (К) - использовались соотношения [1]:

„ 8вУ,2

Е = -

V =

V2 - К2 р *

Ур - 2У/ 2у2- уУ

к =

3Ур - 4У*2

где 5в - плотность водонасыщенной породы; у, У* - скорости распространения р- и *-волн соответственно.

Анализ результатов определения механических параметров в пластовых условиях показал следующие диапазоны их изменения: интервальное время пробега продольной волны - в пределах 255-317 мкс/м; Ур,У* - в пределах 3150-3914 и 1700-2352 м/с соответственно; Е - от 18,03 до 31,80-109 Па; V - от 0,218 до 0,34. Разброс значений определяется плотностью и литологическим составом образцов.

Построение геомеханической модели

На первом этапе по имеющейся геолого-геофизической информации в скважинах на всем интервале проведения ГИС выделены литотипы пород: песчаники, алевролиты, глины, плотные карбонатизированные песчаники (плотные пропластки). Основной метод лито-логического расчленения разреза - построение каротажных диаграмм, а именно кривых гамма каротажа (ГК), ГГКп и нейтронного каротажа (НКТ). Песчаники определялись по низким показаниям на кривой ГК, пониженным значениям ГГКп, сужению фактического ДС по ка-вернометрии вследствие образования на стенках скважины фильтрационных глинистых корок; глины - по высоким показаниям кривой ГК. Среди песчаников выделены алевролито-вые пропластки, характеризующиеся повышенными показаниями ГК и пониженными значениями НКТ. Плотные пропластки выделялись по высоким значениям ГГКп, низким показаниям радиоактивности по ГК и высоким значениям удельного электрического сопротивления.

В основу геомеханической модели легли данные акустического и плотностного каротажей выбранной эталонной скважины. Распределения градиентов давлений в скважине рассчитывались исходя из наличия данных гидродинамических исследований по месторождению, а также априорной информации из справочных источников. Градиент пластового давления принят на основании фактических замеров в разведочной скважине, учитывались также данные замеров пластовых давлений в недавно пробуренной скважине соседнего месторождения.

3

го

го о

Рис. 2. Геомеханическая модель в интервале 2200-2800 м эталонной скважины

Поровое давление (Рпор) прогнозировалось методом Итона с использованием данных акустического каротажа [2]:

Р™ = Р -(Р -Рл )ехр

Г V Л

V

\ норм у

где Рпл - пластовое давление; Рг - горное давление; V¡ - замеренная скорость продольной волны; V - тренд нормального уплотнения.

Градиент поглощения бурового раствора рассчитан методом Митчелла [2]:

V

<?П0ГЛ <?пор ^ 1 ^

где £пор и gг - градиенты порового и горного давлений соответственно. Градиент gг рассчитан по данным ГГКп как сумма геостатических давлений каждой формации, входящей в интервал глубин.

На рис. 2 представлен фрагмент геомеханической модели и расчетные упругие характеристики пород в интервале 2200-2800 м эталонной скважины.

Анализ построенной одномерной геомеханической модели показал следующие результаты:

• плотность используемого бурового раствора оказалась недостаточной для предотвращения обвала стенок скважины (см. кривую ДС на рис. 2);

• признаков поглощений промывочной жидкости не наблюдается, что также подтверждается результатами бурения;

• при бурении новых наклонно направленных скважин для предотвращения обвала их стенок в интервале от 1500 м до кровли продуктивного пласта плотность бурового раствора необходимо увеличить приблизительно до 1,4 г/см3.

Расчет предельных напряжений на стенке ствола наклонно направленной скважины

С учетом полученной информации по эталонной скважине в продуктивном пласте применительно к проектируемым наклонно направленным скважинам выполнен анализ устойчивости ствола. Конструкция скважин достаточно сложная: максимальный горизонтальный отход забоя в скв. Э-5 составляет 2000 м, в скв. Э-6 ~ 950 м (рис. 3).

При решении задач устойчивости горных пород в скважинах Н.Р. Рабинович использовал критерий прочности для изотропных тел [3], который является частным случаем общего критерия Шлейхера - Надаи и часто используется для оценки прочности горных пород и цементного камня:

3(а -1) 2ст

+ —--ст =——,

и . 1 . 1 а + 1 а + 1

ст

где си - интенсивность напряжений; а = —— (ссж и ср - пределы прочности на сжатие

стр

и растяжение соответственно); с - среднее нормальное напряжение [3]. Для наклонной скважины:

1) сти = ДРГсти, сти =43

. _ с + 2а + \мЪ 2) ст = ДРгст, ст =--з-,

АР

где д = —- - приведенное давление в скважине (ДРС = Рс - Рпл, ДРг = Рг - Рпл, Рс -АРг

давление в скважине). Коэффициенты а, Ъ, с и А являются функциями зенитного угла ствола скважины [3].

Горизонтальный отход забоя от устья скв., м Горизонтальный отход забоя от устья скв., м

а б

— кровля продуктивного пласта — профиль ствола

Рис. 3. Проектируемые скв. Э-5

Подставив значения си и с, рассчитанные по формулам (7) и (8), в уравнение (6) и приняв а = о = 9, Н.Р. Рабинович получил следующий диапазон изменения величины ч для наклонных скважин [3]:

а,

q

где а - коэффициент; а*(а0) [0,2 + 0,8(с + 2а + 4уЬ)]2 - (с - а + 4уЬ)2 - 3й2. Используя предельное условие (9), можно записать:

= а + 0,577а,

Г пл

Отсюда получим:

Р - а

В левой части уравнения (11) определяется напряжение на стенке скважины как разность между Рс и боковым распором горных пород, поскольку при а0 = 0 коэффици-

V

ент а равен коэффициенту бокового распора 5 =-. В правой части уравнения

1-V

представлена функциональная зависимость напряжения от физико-механических свойств горных пород и зенитного угла наклона ствола скважины.

Если разделить обе части уравнения (11) на глубину анализируемого интервала, получим зависимость предельных градиентов напряжения (AgCT, кПа/м) на стенках скважин от gr и gYm, зенитного угла а и физико-механических свойств изотропных горных пород:

max AgCT = gnn + 0,577a,

min AgCT = gnn -Ö,577a,

На рис. 4 представлены результаты расчета изменений минимального и максимального напряжений в зависимости от зенитного угла. Зависимости получены для пород продуктивного пласта с использованием осредненных значений £пор и gn0TR. Коэффициент v принимался равным 0,28, отношение предела прочности на сжатие к пределу прочности на растяжение - равным 9.

£25

та

20

15

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

а, град.

] возможен гидроразрыв

] возможно обрушение стенок скважины

] безопасный коридор бурения

— g — min Де

— е — тах Де

°ПЛ ÖCT

Рис. 4. Зависимость градиентов напряжений на стенке ствола скважины от зенитного угла для продуктивных пород дагинских отложений

5

Е S3

ГО о

0 ДС ном

ГО _а § ü [5 X о ГО 1_ >s _Q X

^ о S во s го о

С го 0_

а, град.

Градиенты давлений:

порового, бар

0 25

напряжений (макс, допустимый), МПа

бурового раствора, бар

AT

гидроразрыва пласта, бар

Рис. 5. Изменение градиентов напряжений на стенке ствола наклонно направленной скв. Э-4 в зависимости от ее зенитного угла в продуктивном интервале

25

25

25

250

300

500

Е 8 го

а,град

а, град.

Градиенты давлений:

порового, бар

напряжений (макс, допустимый), МПа

бурового раствора, бар

поглощения, бар

Градиенты давлений:

порового, бар

напряжений (макс, допустимый), МПа

бурового раствора, бар

поглощения, бар

Л

гидроразрыва пласта, I

шдроразрыва пласта, бар

Рис. 6. Изменение градиентов напряжений на стенках стволов проектируемых наклонно направленных скв. Э-5

в зависимости от их зенитных углов в продуктивном интервале

С использованием геомеханической модели разведочной скв. Р-3 по модели Н.Р. Рабиновича [3] рассчитаны поточечные кривые предельных Лgст с учетом фактических значений а для пробуренной эксплуатационной наклонно направленной скв. Э-4 и проектных значений а для проектируемых эксплуатационных скв. Э-5 и Э-6 (рис. 5, 6). Видно, что зенитный угол а определяет проблемы, возникающие при строительстве наклонно направленных скважин. С ростом а минимально допустимое значение Лgст приближается к максимально допустимым градиентам напряжений (гидроразрыва) и gг, ограничивая пределы варьирования гидростатических и гидродинамических нагрузок на пласт (см. рис. 5).

Узкий коридор между градиентами давлений - порового, горного и гидроразрыва пласта - при а > 70° приводит к тому, что бурение ведется на грани гидроразрыва пласта и обрушения породы, а в интервале продуктивных отложений - к возникновению газопроявлений. Поскольку сумма гидростатических и гидродинамических нагрузок на пласт близка, а иногда и превышает давление гидроразрыва, то создаются условия для сильного загрязнения продуктивных отложений. Эти проблемы необходимо учитывать при разработке технико-технологических решений по бурению интервалов с большими зенитными углами и особенно при вскрытии продуктивных отложений.

Полученные результаты геомеханического моделирования показывают, что расчетные свойства горных пород разреза на разбуриваемой площади допускают безопасную проводку проектируемого профиля наклонно направленных скважин с отходом до 2000 м при условии соблюдения рекомендованных параметров бурения.

Рекомендации для дальнейших построений геомеханической модели

Выполненные построения носят оценочный характер и должны уточняться при подготовке проекта бурения скважин. Кроме того, в дальнейшем для целей проводки наклонно направленных скважин, а также решения задач прогноза зон АВПД, разуплотненных и нарушенных зон, оценки просадки дна в процессе эксплуатации месторождения рекомендуется выполнять построение трехмерной модели механических свойств горных пород и расчет напряженно-деформированного состояния среды.

Однако построение трехмерной геомеханической модели предъявляет высокие требования к полноте и качеству исходных данных. В частности требуются:

1) результаты измерений механических свойств горных пород при статическом наг-ружении образцов керна не только пород-коллекторов резервуара, но и пород из всех частей разреза;

2) кондиционные результаты ГИС-измерений скоростей распространения продольных и поперечных волн, а также плотности пород по всему разрезу;

3) кондиционные сейсмические данные в максимально широком диапазоне углов падения, а также детальное поле сейсмических интервальных скоростей;

4) детальные результаты измерений пластовых давлений вдоль стволов скважин, кондиционные результаты промыслово-геофи-зических испытаний, а также испытаний на приемистость (утечку в пласт, англ. leak-off test, LOT) и целостность (англ. formation integrity test, FIT) пласта.

5) данные об анизотропии механических свойств горных пород.

В свете изложенного и при текущем состоянии изученности рассматриваемого месторождения построение полноценной трехмерной геомеханической модели представляется маловероятным. Тем не менее новая информация, получаемая в результате бурения пилотных и эксплуатационных стволов, может быть использована для калибровки имеющихся одномерных моделей.

Список литературы

1. Меркулов В .П. Оценка пластовых свойств

и оперативный анализ каротажных диаграмм / В.П. Меркулов, А.А. Посысоев. - Томск: Томский политехнический университет, 2006. -176 с.

2. Муше Ж.-П. Аномальные пластовые давления в процессе бурения: происхождение -прогнозирование - выявление - оценка = Abnormal pressures while drilling: origins -prediction - detection - evaluation / Ж.-П. Муше, А. Митчелл; пер. с англ. - М.: Недра; Буссенс: Эльф-Акитен, 1991. - 287 с.

3. Рабинович Н.Р. Инженерные задачи механики сплошной среды в бурении / Н.Р. Рабинович. -М.: Недра, 1989. - 270 с.

Geomechanical modelling of a field column offshore Sakhalin aimed at tasks of well drilling

T.Yu. Lukina1*, A.G. Potapov1, O.Ye. Bogdanova1, O.A. Potapov2

1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation

2 Lukoyl PJSC, Bld. 11, Sretenskiy boulevard, Moscow, 101000, Russian Federation * E-mail: T_Lukina@vniigaz.gazprom.ru

Abstract. The article presents a procedure for estimating parameters of a one-dimensional geomechanical model aimed at designing operational deviating wells at a gas-condensate field located offshore the Sakhalin. Construction of the model was based on information obtained by drilling of a vertical exploratory well, accepted as a reference one.

As a result of calculations performed in the intervals of the reference well section the optimal mud densities were obtained and recommended for further drilling to prevent the formation of caverns on the borehole walls, hydraulic fracturing of a stratum, etc. The analysis of rock stability performed according to N.V. Rabinovich showed the possibility to drill deviating wells of complex technical design in the field column subject to the recommended drilling parameters.

In conclusion, geophysical and hydrodynamic studies recommended for later drilling are presented. They are necessary for further work on refinement of the existing one-dimensional model and construction of a three-dimensional geomechanical field model.

Keywords: shelf of the Sakhalin, gas-condensate field, design of deviating holes, one-dimensional geomechanical model, analysis of rock resistivity, optimal density of a drilling mud.

References

1. MERKULOV, V.P. and A.A. POSYSOYEV. Evaluation of reservoir properties and operative analysis of well-logging records [Otsenka plastovykh svoystv i operativnyy analiz karotazhnykh diagramm]. Tomsk: Tomsk Polytechnic University, 2006. (Russ.).

2. MOUCHET, J.-P. and A. MITCHELL. Abnormal pressures while drilling: origins - prediction - detection -evaluation [Anomalnyye plastovyye davleniya v protsesse bureniya: proiskhozhdeniye - prognozirovaniye -vyyavleniye - otsenka]. Translated from the English. Moscow: Nedra; Boussense: ELF Aquitaine, 1991. (Russ.).

3. RABINOVICH, N.R. Engineering tasks of continuum mechanics in drilling [Inzhenernyye zadachi sploshnoy sredy v burenii]. Moscow: Nedra, 1989. (Russ.).