СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА
METHOD OF DETERMINING GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF HYDRAULIC FRACTURE CRACKS

Изобретение относится к способам контроля параметров гидроразрыва пласта и, в частности, предназначено для определения геометрических характеристик трещин гидроразрыва, образующихся в результате гидроразрыва горных пород, и может найти применение на нефтяных и газовых месторождениях.
Гидроразрыв пласта - это хорошо известный способ интенсификации добычи углеводородов из скважины путем увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин. В ходе операции по гидроразрыву пласта высоковязкая жидкость (называемая также жидкостью гидроразрыва), несущая расклинивающий наполнитель (пропант), закачивается в пласт с целью создания трещины в продуктивном интервале и заполнения трещины пропантом. Для эффективного использования трещина должна располагаться внутри продуктивного интервала и не выходить в прилегающие слои, а также иметь достаточные длину и ширину. Таким образом, определение размеров трещины является важным этапом обеспечения оптимизации процесса гидроразрыва и представляет собой одну из наиболее важных проблем нефтяной и газовой промышленности, поскольку гидроразрыв является одним из основных методов улучшения экономических показателей разведки и добычи углеводородного сырья, как в части повышения продуктивности скважин, так и с точки зрения общего объема добычи нефтяного месторождения. Получение надежной информации о гидроразрывах является, таким образом, решающим фактором оптимизации их проектирования и эффективности планирования эксплуатации месторождений.
В настоящее время геометрию образовавшихся трещин определяют применяя различные технологии и методики. Наиболее широко известны способы пассивной сейсморазведки (так называемая визуализация гидроразрыва), обеспечивающие оценку пространственной ориентации трещины и ее длины во время операций по гидроразрыву и опирающиеся главным образом на регистрацию и локализацию микросейсмических событий, порождаемых образованием трещин породы вблизи кромок распространяющейся трещины. Определение характеристик формы отличается присущей ей неопределенностью, которая объясняется тем, что разброс естественных микросейсмических событий вокруг зоны гидроразрыва может быть большим по сравнению с типичной шириной разрыва. Метод мониторинга гидроразрыва работает не всегда: это объясняется низкими амплитудами излучений или большим затуханием, вследствие чего зарегистрированный сигнал может быть низким по сравнению с уровнем шума. Очень серьезным ограничением работ по мониторингу гидроразрыва при помощи пассивной сейсморазведки является тот факт, что они требуют наличия второй скважины для наблюдений, расположенной на достаточно небольшом расстоянии от основной скважины, в которой проводится гидроразрыв. Небольшое расстояние объясняется необходимостью обеспечения регистрации относительно слабых микросейсмических явлений, амплитуда которых зависит, главным образом, от свойств конкретной скважины и состояния породы и, следовательно, находится вне контроля оператора. Вторая скважина необходима по причине трудности размещения регистрирующей цепочки приемников в основной скважине одновременно с образованием гидроразрыва, который осуществляется путем закачивания жидкости очень высокого давления, что может сопровождаться большим шумом.
Известны также сейсмические исследования гидроразрыва при помощи активного сейсмического источника, которые могут обеспечить более высокую, по сравнению с методами пассивной сейсморазведки, амплитуду регистрируемого полезного сигнала. Так, в патенте США №5574218 описан метод приблизительного определения длины и азимута гидравлического разрыва после его образования без необходимости размещения датчиков ниже уровня поверхности, за счет проведения двух и более последовательных сейсмических измерений на поверхности. Способ заключается в проведении базовых сейсмических исследований с целью определения сейсмического сигнала невозмущенной формации, с последующим проведением одной или нескольких сейсмических разведок, пока образовавшаяся при закачке трещина еще открыта и находится под давлением; изучение различий сейсмических сигналов позволяет определить длину и азимут трещины гидроразрыва. Сейсмический источник и группу сейсмоприемников размещают почти на одинаковом расстоянии от скважины, при этом это расстояние примерно равно половине глубины слоя, в котором осуществляется гидроразрыв. Описанный метод не позволяет эффективно определять характеристики трещины гидроразрыва, т.к. данный метод изначально направлен на регистрацию разностных сигналов, отраженных от трещины гидроразрыва вверх, которые имеют небольшие амплитуды.
В заявке WO 99/04292 описан способ, в соответствии с которым определяют горизонтальную и вертикальную кромки трещины путем определения границы между неискаженной и затененной траекториями прямой волны, когда датчики и источник находятся на противоположных сторонах открытой трещины гидроразрыва, и путем идентификации различных лучей: лучей, отраженных от разрыва, и прямых лучей, распространяющихся в пласт с той же стороны от разрывов, с которой расположен сейсмический источник. В обоих случаях обнаружение кромки трещины осуществляется путем установления наличия или присутствия сигнала с S-компонентом, полностью затененного или отраженного открытой заполненной флюидом трещины. Данный способ направлен на обнаружение самого сильного компонента сейсмического возмущения, индуцированного трещиной гидравлического разрыва, когда она поддерживается в открытом состоянии, данное возмущение представляет собой затенение сдвига трещиной, являющееся следствием нулевого упругого модуля сдвига во флюиде трещины. Тем не менее, описанный способ отличается очень большими требованиями к схеме и плану разработки месторождения, особенно в части траектории скважин. Способ требует наличия нескольких специальных скважин наблюдения, желательно, расположенных в радиусе 100 м от исследовательской скважины, в которой на период разведки необходимо прекратить добычу; для обнаружения затененных или отраженных лучей сейсмические датчики необходимо расположить ниже трещины. Незапланированное наличие таких скважин имеет весьма небольшие шансы на успех; более вероятно, что для получения таких скважин потребуется реализация дорогостоящей программы бурения, т.к. обычно скважины не бурят значительно ниже горизонта добычи.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в повышении надежности, точности и эффективности определения размеров трещины с одновременным упрощением за счет обеспечения возможности определения характеристик трещины при помощи той же скважины, в которой проводится гидроразрыв, и уменьшения ограничений, накладываемых характеристиками ландшафта.
Указанный технический результат достигается тем, что до осуществления гидроразрыва проводят предварительные сейсмические изыскания, представляющие собой возбуждение сейсмического сигнала по меньшей мере одним сейсмоисточником и регистрацию отраженных и преломленных сейсмических сигналов по меньшей мере одним сейсмоприемником и создают скоростную модель путем комбинирования результатов предварительных сейсмических изысканий и дополнительной геологической информации. Оценивают сейсмические характеристики исследуемой геологической области. На основе скоростной модели выявляют по меньшей мере один мощный и плоский литологический отражатель, расположенный ниже планируемой трещины. Создают численную модель распространения упругих волн в пласте с трещиной, обладающей заданными свойствами, после чего оптимизируют расположение сейсмических источников и приемников и их свойства на основе численной модели с учетом глубины выявленного литологического отражателя, геометрии и расположения планируемой трещины. Осуществляют гидроразрыв пласта и, после формирования трещины гидроразрыва, когда трещина поддерживается в открытом состоянии и находится под давлением, проводят сейсмические изыскания. Размеры и форму трещины гидроразрыва определяют на основе сравнения зарегистрированных до и после гидроразрыва отраженных и преломленных сейсмических сигналов посредством решения обратной задачи с использованием созданной численной модели.
В качестве дополнительной геологической информации используют данные каротажа, и/или данные скважинной сейсморазведки, и/или результаты исследования керна.
Сейсмические характеристики исследуемой геологической области включают в себя точность и пространственное разрешение скоростной модели, величину затухания сигнала в породе, наличие отражающих интерфейсов.
Литологический отражатель выявляют из скоростной модели как границу раздела с высокими контрастами акустического импеданса, определяя их глубину, наклонения, отражательную способность.
Могут быть проведены дополнительные сейсмические изыскания во время образования трещины на различных этапах роста трещины.
Сейсмоисточники и сейсмоприемники могут быть расположены как на уровне поверхности земли, так и ниже уровня.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан вариант осуществления способа.
За счет использования природных литологических отражателей, расположенных ниже искусственных трещин гидроразрыва, путем соединения различных сочетаний, расположенных на поверхности и ниже уровня поверхности сейсмических источников и приемников, и оптимизации их расположения в соответствии с относительным местонахождением отражателей и зоны исследования с целью увеличения информативного дифференциального измерения оттенения поперечной волны и расщепления поперечной волны, которое достигается путем вычитания сейсмического сигнала до создания трещины и немедленно после прекращения закачивания, когда трещина поддерживается в открытом состоянии, либо во время создания трещины гидроразрыва можно эффективно преобразовать полученный сейсмический сигнал искусственной трещины гидроразрыва в полезные сведения о размерах и форме трещины. Комбинируя вышеупомянутые элементы, можно существенно сократить требования к траекториям скважин, используемых для мониторинга, и даже установить характеристики трещин, используя всего одну исследовательскую скважину, а также смягчить ограничения, накладываемые характеристиками ландшафта.
Предлагаемый способ определения геометрических характеристик трещины при помощи активного сейсмического источника позволяет получить информацию о размерах и форме открытой, заполненной флюидом трещины гидравлического разрыва до и после проведения гидроразрыва. Данный метод отличается намного меньшим количеством ограничений в части параметров скважин для наблюдения, нежели другие известные методы. Основным элементом является выявление одного или нескольких мощных и плоских сейсмических отражателей ниже зоны трещины, изменение направления значительного количества устремленной вниз сейсмической энергии в направленных вверх поперечных компонентах сейсмической волны, которые по мере распространения, могут быть затенены в силу наличия трещины. Горизонтально стратифицированная, слоистая геологическая среда является типичной ситуацией, наблюдаемой в осадочных бассейнах, и есть хороший шанс нахождения границы между слоями с подходящими характеристиками отражательной способности. Предлагаемый метод в большей степени зависит от геологических характеристик, нежели другие методы определения характеристик трещины, т.к. он нуждается в наличии мощного отражателя ниже трещины, но он более гибок в части траектории скважин. В случае вертикальных добывающих скважин, скважина для наблюдений может быть не очень глубокой. В случае горизонтальной скважины, данные можно снимать с той же скважины, где проводится гидроразрыв, как показано на фиг.1, где 1 - сейсмические источники, 2 - сейсмические приемники, 3 - литологический отражатель, 4 - трещина гидроразрыва пласта. Возможность осуществления гидроразрыва и определения характеристик трещины, используя всего одну скважину, крайне важна для экономических показателей эксплуатации месторождений, особенно морских.
Основными элементами метода являются: точная скоростная модель, предварительные изыскания фонового сейсмического отклика, оптимизация плана изысканий с учетом глубины целевого отражателя, особое внимание к регистрации неконвертированных отраженных SH волн, или отраженных и конвертированных P-SV волн, или обоих типов волн, при помощи нескольких групп регистраторов. План изысканий можно оптимизировать таким образом, чтобы регистрировать затенение сейсмического поля, отраженного более чем от одного мощного целевого отражателя.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
До осуществления гидроразрыва пласта проводят предварительные сейсмические изыскания, представляющие собой возбуждение сейсмического сигнала по меньшей мере одним сейсмоисточником и регистрацию отраженных сейсмических сигналов по меньшей мере одним сейсмоприемником.
Создают точную скоростную модель (пространственное распределение скоростей упругих волн в пласте) путем комбинирования результатов проведения предварительных сейсмических изысканий, данных каротажа, данных скважинной сейсморазведки, исследований керна и всех прочих видов геологической информации, которые необходимы для построения скоростной модели.
Оценивают сейсмические характеристики исследуемой геологической области, в частности точность и пространственное разрешение скоростной модели, величину затухания сигнала в породе с целью оценки обоснованности дальнейших шагов по определению характеристик трещины в данной конкретной формации, исходя из достаточной высокого разрешения скоростной модели и низкого затухания сейсмических волн.
На основе скоростной модели выявляют по меньшей мере один мощный и плоский литологический отражатель, расположенный ниже зоны предполагаемой трещины, который может быть определен как граница раздела с высокими контрастами акустического импеданса, включая его глубину, наклонение, отражательную способность для использования в целях изменения направления сейсмической энергии на группы сейсмоприемников.
Проводят прямое численное моделирование распространения упругих волн в пласте с трещиной, обладающей заданными свойствами, с целью оптимизации плана исследований таким образом, чтобы максимально увеличить зарегистрированный эффект от затенения и расщепления поперечных волн SH-компонентов (горизонтальная поляризация упругих поперечных волн), SV-компонентов (вертикальная поляризация упругих поперечных волн), преобразованных из продольных волн на сейсмических границах, или комбинации обоих этих компонентов. Оптимизируют расположение сейсмических источников и приемников и их свойства с учетом глубины выявленного литологического отражателя, геометрии и расположения планируемой трещины,
Вскоре после прекращения закачивания трещины, когда трещина еще поддерживается в открытом состоянии и находится под давлением, проводят сейсмические изыскания. Дополнительно могут быть проведены одно или несколько последовательных сейсмических исследований во время образования трещины на различных этапах роста трещины.
Вычитают зарегистрированное сейсмическое волновое поле, полученное по результатам фоновых изысканий, из результатов, зарегистрированных после проведения гидроразрыва с целью получения дифференциального сейсмического сигнала трещины.
Проводят серию численных расчетов, моделирующих распространение сейсмических волн при наличии трещины гидроразрыва с различными комбинациями геометрических характеристик (форма, размеры), с целью решить обратную задачу и определить геометрию трещины, наилучшим образом соответствующую регистрируемому сейсмическому отклику.