Способ выбора конструкции горизонтальной метаноугольной скважины
METHOD OF HORIZONTAL METHANE COAL WELL DESIGN SELECTION

Изобретение относится к области добычи метана из угольных пластов и может быть использовано при проектировании технологических схем разработки метаноугольных месторождений.
В практике разработки месторождений метана угольных пластов, как и при добыче традиционных углеводородов, применяются вертикальные, наклонно-направленные и горизонтальные профили скважин. При этом горизонтальные скважины, за счет наибольшего контакта с продуктивным угольным пластом и значительной площади дренирования, отличаются наибольшей продуктивностью. Тем не менее, эффективность данного типа метаноугольных скважин значительно зависит от горно-геологических условий разрабатываемого участка и типа применяемой конструкции. Данные факторы, с учетом более высоких затрат на горизонтальное бурение, подтверждают необходимость более основательного подхода к выбору конструкций горизонтальных метаноугольных скважин с учетом имеющихся горно-геологических условий.
В мировом опыте для определения угольных пластов-кандидатов на бурение горизонтальных скважин используется следующий принцип: низкопроницаемые угольные пласты мощностью более 1 м являются кандидатами для горизонтального бурения (Rogers R., Ramurthy K., Rodvelt G., and etc. Coal Bed Methane: Principles and Practices. 2nd ed. Starkville, MS: Oktibbeha Publishing Co., 2007. 504 p.). Но данный критерий не учитывает тот факт, что действующее в массиве горных пород напряженно-деформированное состояние (НДС) может оказывать значительное влияние на важнейший параметр угольного пласта, обеспечивающий возможность извлечения десорбированного газа – его проницаемость (Rogers R., Ramurthy K., Rodvelt G., and etc. Coal Bed Methane: Principles and Practices. 2nd ed. Starkville, MS: Oktibbeha Publishing Co., 2007. 504 p.; Seidle J. Fundamentals of Coalbed Methane Reservoir Engineering. 1nd ed. Tulsa, USA: PennWell Corporation, 2011. – 401 p.). Таким образом, для обеспечения научного обоснования выбора конкретного типа горизонтальной метаноугольной скважины, несомненно, необходима разработка методики, учитывающей действующие в угольном пласте напряжения.
Известен способ разработки нефтяных месторождений (патент RU 2556094 С1, МПК E21B 43/20, опубл. 10.07.2015, бюл. №19), включающий проведение геофизических исследований разведочных скважин методом кросс-дипольного акустического каротажа, отбор ориентированного керна с последующим определением направления максимальных напряжений нефтенасыщенных пород, размещение нагнетательных скважин вдоль региональных направлений максимальных напряжений, размещение добывающих скважин между нагнетательными скважинами с образованием системы разработки. Недостатками способа являются необходимость проведения дорогостоящих исследований методом кросс-дипольного акустического каротажа и высоко затратного отбора ориентированного керна, а также отсутствие при осуществлении способа учета конструкции применяемых скважин.
Известна система и способ коррекции направления ствола скважины на основе поля напряжений (патент RU 2496003 С2, МПК E21B 47/0224, E21B 44/00, опубл. 20.10.2013, бюл. №26), включающие проведение измерений, отражающих геометрию ствола скважины с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК), вращаемой в стволе скважины, геометрия которого отображает стимулированные напряжения в пласте, создание изображения ствола скважины на основании проведенных измерений его геометрии, оценку азимутальной вариации стимулированного напряжения в пласте по глубине скважины, изменение параметра режима бурения для КНБК с использованием оценки азимутальной вариации по глубине скважины стимулированного напряжения в пласте. Недостатками данного изобретения являются отсутствие возможности предварительного определения наиболее эффективного направления ствола скважины и наличие большого количества рисков, связанных с принятием решения о траектории ствола скважины не на этапе проектирования, а на этапе бурения.
Известны методики определения влияния напряжений, вызванных строительством дегазационных скважин, на проницаемость угольного пласта (Xie J., Gao M., Yu B., Zhang, and etc. Coal permeability model on the effect of gas extraction within effective influence zone // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources – 2015, № 1-2; Zhang H., Cheng Y., Liu Q., and etc. A novel in-seam borehole hydraulic flushing gas extraction technology in the heading face: Enhanced permeability mechanism, gas flow characteristics, and application // Journal of Natural Gas Science and Engineering – 2017, № 46), включающие двухмерное геомеханическое моделирование угольного пласта, вскрытого дегазационной скважиной, с последующей оценкой его проницаемости вдоль рассматриваемых линий мониторинга. Недостатком данных методик является низкая точность определения наиболее эффективной конструкции дегазационной скважины по причине отсутствия сведений о действительных значениях напряжений в угольном пласте до строительства скважины.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система и технология для оптимального выбора способа заканчивания и конструкции  скважины (патент US 7181380 B2, МПК G06G 7/48, опубл. 20.02.2007), включающие получение по результатам пластового, геомеханического моделирования и моделирования материалов  информации по снижению порового давления, величинах напряжений, их ориентации и прочности горных пород для определения оптимального местоположения, траектории и метода заканчивания скважины. Недостатком данных системы и технологии является отсутствие учета изменения проницаемости пласта после строительства скважины.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения наиболее эффективной для имеющихся горно-геологических условий конструкции горизонтальной метаноугольной скважины без необходимости проведения дополнительных скважинных исследований. Указанный технический результат достигается тем, что в способе выбора конструкции горизонтальной метаноугольной скважины на основе стандартного комплекса сейсмических, геофизических и гидродинамических исследований метаноугольных месторождений  производят определение естественного НДС целевого угольного пласта методом одномерного геомеханического моделирования, выполняют двухмерное геомеханическое моделирование угольного пласта при различных вариантах конструкции горизонтальной скважины и производят оценку изменения естественной проницаемости угольного пласта для каждого из рассматриваемых вариантов. Полученные результаты оценки изменения проницаемости позволяют определить конструкцию скважины, позволяющую наиболее эффективно дренировать целевой угольный пласт.
Изобретение поясняется следующими рисунками.
Фиг. 1. Пример одномерной геомеханической модели, построенной по данным вертикальной разведочной скважины.
Фиг. 2. Пример расчетной схемы для U-образной горизонтальной метаноугольной скважины (1 – горизонтальная скважина, 2 – вертикальная скважина, 4 – рассматриваемые плоскости сечения).
Фиг. 3. Пример расчетной схемы для системы U-образных горизонтальных метаноугольных скважин (1 – горизонтальная скважина, 2 – вертикальная скважина, 4 – рассматриваемые плоскости сечения).
Фиг. 4. Пример расчетной схемы для многозабойной горизонтальной метаноугольной скважины (1 – горизонтальная скважина, 2 – вертикальная скважина, 3 – боковые стволы, 4 – рассматриваемые плоскости сечения).
Фиг. 5. Пример результата двухмерного геомеханического моделирования угольного пласта с горизонтальной многозабойной скважиной.
Фиг. 6. Пример результата оценки изменения естественной проницаемости угольного пласта в случае строительства горизонтальной многозабойной скважины.
Рассмотрим подробнее порядок осуществления способа на примере одного из угольных пластов Нарыкско-Осташкинского метаноугольного месторождения Кузбасса, подходящего для горизонтального бурения.
v
h
H
На основе результатов стандартного комплекса исследований (сейсмические, геофизические и гидродинамические) в вертикальной разведочной скважине, которая впоследствии может выполнять функцию дренирующей или в ближайших вертикальных структурных и разведочных скважинах, выполняется подготовка одномерной геомеханической модели. Подготовка включает построение по глубине скважины графика изменения пластового давления P (по результатам гидродинамических исследований), построение кривой геостатического (вертикального) напряжения σ (по результатам плотностного каротажа), построение кривых горизонтальных напряжений σи σ с использованием известной формулы (Rogers R., Ramurthy K., Rodvelt G., and etc. Coal Bed Methane: Principles and Practices. 2nd ed. Starkville, MS: Oktibbeha Publishing Co., 2007. 504 p.):
,
h
где σ – минимальное горизонтальное напряжение, Па;
H
σ – максимальное горизонтальное напряжение, Па;
ν – коэффициент Пуассона;
v
σ – геостатическое напряжение, Па;
α – коэффициент пороупругости Био (~1);
P – пластовое давление, Па;
t
σ – тектоническое напряжение, Па.
Полученные в интервале целевого угольного пласта величины компонент тензора напряжений характеризуют его естественное НДС до строительства горизонтальной скважины. Так, по результатам одномерного геомеханического моделирования исследуемого угольного пласта (фиг. 1), вертикальное геостатическое напряжение составило 19,195 МПа, минимальное горизонтальное напряжение составило 9,269 МПа, максимальное горизонтальное напряжение составило 11,771 МПа.
На следующем этапе для различных вариантов горизонтальной метаноугольной скважины (фиг. 2-4) в специализированном программном обеспечении (например FLAC, VISAGE, ANSYS и т. п.) выполняется двухмерное численное геомеханическое моделирование в исследуемых плоскостях, перпендикулярных оси горизонтального участка, с шагом 0,5 м до предельного расстояния, на котором не происходит значительное изменение НДС. Компоненты тензора естественного НДС, определенные по одномерной геомеханической модели, используются в качестве граничных условий двухмерной модели. При этом, учитывая, что модель является плоской, одна из компонент горизонтального напряжения (перпендикулярная рассматриваемой плоскости) принимается равной нулю. Полученные результаты представляют собой двухмерные картины распределения напряжений в исследуемых плоскостях (фиг. 5).
Затем для полученных распределений на основе известной формулы выполняется оценка изменения проницаемости целевого пласта на протяжении всего горизонтального участка для каждой из выбранных конструкций горизонтальной скважины (Seidle J. Fundamentals of Coalbed Methane Reservoir Engineering. 1nd ed. Tulsa, USA: PennWell Corporation, 2011. – 401 p.):
,
0
где k/k – отношение проницаемости угольного пласта при текущем напряжении к начальной проницаемости угольного пласта;
α – коэффициент чувствительности угольного пласта к напряжениям;
f
-1
C – коэффициент сжимаемости угольного пласта, МПа);
σ – текущее напряжение, действующее на угольный пласт, МПа;
0
σ – начальное напряжение, полученное по результатам одномерного геомеханического моделирования.
0
0
0
По результатам расчетов на картинах распределения напряжений выделяются зоны (фиг. 6), в которых  изменение проницаемости отсутствует (k/k=1),  в которых происходит снижение проницаемости (k/k<1) и зоны, в которых наблюдается  повышение проницаемости угольного пласта (k/k>1).
На заключительном этапе предлагаемого способа выполняется анализ массива полученных результатов оценки проницаемости для выбора из рассмотренных конструкций горизонтальной метаноугольной скважины тот вариант, при строительстве которого наблюдается наибольший объем зон повышенной проницаемости целевого угольного пласта. Так, для рассматриваемого угольного пласта наибольший объем зон повышенной проницаемости получен в результате моделирования многозабойной скважины.
Таким образом, заявленный способ позволяет путем использования геомеханического моделирования повысить точность определения наиболее эффективной для имеющихся горно-геологических условий конструкции горизонтальной метаноугольной скважины без необходимости проведения на месторождении дополнительных скважинных исследований.