Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с

В общем виде установление связи между статическими и динамическими характеристиками сводится к следующим операциям.

Отбирается керновый материал из тех продуктивных объектов

иучастков пород месторождений, в которых был проведен комплекс геофизических исследований методом акустического широкополосного каротажа. Обязательным условием для керна является его описание

иправильная привязка к глубине.

Изготавливаются образцы керна и определяется значения объемного веса, пористости, проницаемости, модуля упругости, коэффициента Пуассона в атмосферных условиях. Выполняется механическое тестирование образцов при одноосном сжатии с регистрацией и записью деформации и скоростей продольных и поперечных волн.

Определяются значения пористости, проницаемости, модуля упругости, коэффициента Пуассона в различных пластовых условиях статическим и динамическим методом. Данный вид тестирования включает механическое тестирование насыщенных образцов при трехосном сжатии с регистрацией и записью деформации и скоростей продольных

ипоперечных волн с учетом внутрипорового давления. Данный вид тестирования необходим для построения паспорта прочности горной породы в условиях трехосного сжатия. Запись скоростей продольных

ипоперечных волн выполняется в течение всего эксперимента. Выполняется механическое тестирование насыщенных образцов

при ступенчатом нагружении в условиях трехосного сжатия с регистрацией и записью деформации и скоростей продольных и поперечных волн с учетом внутрипорового давления.

Выполняются специальные опыты для определения коэффициента трещиностойкости К1С.

Устанавливаются корреляционные зависимости между статическими и динамическими деформационными и прочностными характеристиками, а также между коэффициентом трещиностойкости К1С и пористостью (в атмосферных условиях), объемным весом.

Изложенная выше программа исследований требует специального оборудования и специальных методик проведения эксперимента. В качестве оборудования в Пермском национальном исследовательском политехническом университете используется установка ПИК-УИДК/ПЛ – многофункциональная система для выполнения стандартных и нестандартных тестов с целью измерения механических и петрофизических свойств породы в пластовых условиях.

21

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОМЕХАНИКИ НА ЭТАПАХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДКИ И РАЗРАБОТКИ

Ю.А. Петраков, А.Е. Соболев, YPetrakov@slb.com

Безопасное бурение скважин на этапах разведки и разработки месторождения, моделирование поведения коллекторов, выбор технологий заканчивания, стимуляции пластов вовлекают данные геомеханики – современной дисциплины, объединившей в себе механику горных пород, основные постулаты сопротивления материалов на стыке с геофизикой, петрофизикой и геологией.

Применение результатов геомеханических расчетов позволяет нивелировать негативные факторы, связанные с бурением через зоны АВПД или низким градиентом гидроразрыва пласта, низкой устойчивостью стенок скважины, проседанием пластов, наведенной сейсмоактивностью, проходкой по трещиноватым коллекторам, пескопроявлением при разработке.

Бурение как разведочных, так и эксплуатационных скважин определяет круг задач, таких как достижение планового забоя с оптимальной скоростью проходки, успешный спуск обсадной колонны, хорошее состояние ствола скважины, качественное цементирование. И выполнение этих задач невозможно без вовлечения геомеханики, в первую очередь на этапе планирования.

Для разведочного бурения ключевым фактором, определяющим безопасность проведения работ, является прогноз порового давления, предопределяющий конструкцию скважины и параметры бурового раствора. При эксплуатационном бурении с увеличением сложности скважин на первую роль выходит прогноз стабильности ствола посредством построения моделей механических свойств вокруг скважины и 3D геомеханического моделирования. Как результат работы создаются карты рисков, связанных с бурением, оптимизируются траектории скважин, определяются лимиты по ЭЦП.

Современные технологии добычи обеспечивают максимальную эффективность при учете факторов, связанных с механикой горных пород. Важную роль играет контроль выноса песчаной фазы, дизайн заканчивания и перфорации, проектирование конструкции обсадных колонн и оптимальных траекторий, точный расчет методов интенси-

22

фикации, таких как ГРП и закачка. Для решения данного комплекса вопросов привлечение геомеханики во многих случаях является неотъемлемой частью процесса. В результате изучается предыдущий опыт работы, определяется действующий стресс-режим месторождения, литофациальные характеристики пород и их упруго-прочностные свойства. Результатом работ является оптимизация и калибровка многих процессов, связанных с разработкой месторождения.

Основной тенденцией, связанной с освоением месторождений углеводородного сырья, является комплексное (во всем жизненном цикле) рассмотрение процессов, происходящих в пласте в процессе добычи. Важной составляющей здесь является определение отклика пород на изменение порового давления. Такие процессы, как уплотнение пласта и связанное с ним проседание дневной поверхности над месторождением, изменение проницаемости и динамики добычи, активизация сдвиговых процессов в разрывных нарушениях, а также наведенная сейсмичность. Недоучет данных явлений, а также неправильная оценка могут приводить к серьезным последствиям, связанным со снижением добычи, потерей скважин и повреждением поверхностной инфраструктуры. В данном случае задачей геомеханики является создание 3D- и 4D-моделей, призванных оценить и спрогнозировать изменения механических свойств во времени при разработке месторождения.

23

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРА АЗИМУТАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА CROSSWAVE НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

А.С. Вишнивецкий, Aleksey.Vishnivetskiy@eu.Weatherford.com, М.Н. Бычина, Mariya.Bychina@EU.Weatherford.com

CASE HISTORY OF CROSSWAVE AZIMUTHAL SONIC TOOL IN THE FIELDS OF WESTERN SIBERIA

A.S. Vishnivetskiy, Aleksey.Vishnivetskiy@eu.Weatherford.com,

M.N. Bychina, Mariya.Bychina@EU.Weatherford.com

Описание физических основ и технологии работы прибора азимутального акустического каротажа CrossWave. Возможности применения откликов прибора для целей геомеханического моделирования в реальном времени.

Describe the physical basis and technology of CrossWave Azimuthal Sonic Tool. Tool response data application for real-time geomechanical simulation.

Обработка данных акустического каротажа выполнялась методикой STC (Slowness Time Coherence) – определение типа волны с помощью анализа когерентности во времени отдельно для каждого азимутальноориентированного сегмента. При обработке учитывается весь комплекс стандартного каротажа для уточнения граничных эффектов откликов азимутальной акустики, в особенности отклики прибора азимутального плотностного каротажа. Измерения в различных направлениях позволяют выделять быструю и медленную волну и оценивать механические свойства всоответствии с трансверсально-изотропной модельюсреды.

Sonic arrivals are acquired in 16 azimuthally-binned segments to determine formation shear anisotropy and provide an azimuthal acoustic image for geosteering. The data from each azsimuthal segment is independtly processed using Slowness-Time Coherence (STC) method to construct a variable density image in 16 sectors around the borehole. A full range of standard logging data are also processed and interpreted to refine the boundary effects of azimuthal sonic responses, especially those of the azimuthal density logging tool. The azimuithal shear measurements allowed for separation of fast and slow shear waves, and evaluation of mechanical properties in accordance with the vertical transversely isotropic model (VTI).

24

Результаты, выводы / Results and conclusions:

Успешное применение уникального прибора азимутального акустического каротажа CrossWave на 3 скважинах месторождений Западной Сибири позволило использовать вертикальную трансверсальноизотропную модель для целей геомеханического моделирования в рамках работ по оптимальному размещению портов и пакеров МСГРП в скважинах с большим отходом от вертикали. Технологии LWD, а также качество данных позволяет получать и анализировать отклики прибора в режиме реального времени, что значительно сократило время на принятие ключевых решений во время выполнения проекта. В сочетании с численным моделированием параметров работы скважины данная технология предоставляет эффективный инструмент оптимизации процесса подготовки МСГРП.

Succesful application of the CrossWave and Azimuthal Sonic Tool in three wells in the fields of Western Siberia allowed using the vertical transversely isotropic model for geomechanical simulation as part of port and packer placement for multi-stage fracturing in extended-reach wells. LWD technology with high-quality data enabled real-time transmission and analysis of logging data, which significantly saved time for making key decisions during project execution. In combination with the numerical simulation of well performance, this technology provided an effective tool for multistage fracturing optimization.

Новизна работы и достижения / Novelty and achievments: Технология была использована впервые в России в качестве опытно-

промышленных работ. На всех трех скважинах получены качественные данные прибора азимутального акустического каротажа в условиях проведения записи и передачи данных во время бурения, что позволило провести моделирование в рамках вертикальной трансверсально-изотропной среды для горизонтальной скважины одновременно с бурением без использования синтетических акустических данных. По результатам были предложены оптимальные места расположения и количество портов, что потенциально позволяет сократитьзатраты на проведение МCГРП.

The technology was first used in Russia in the pilot project. In each of three wells, the azimuthal sonic tool provided high-quality data while recording and transmitting during drilling, which allowed geomechanical simulation for horizontal wells simultaneously with drilling without use of synthetic acoustic data. As a result, optimal port quantity and placement was suggested, which reduced cost for multi-stage fracturing.

25

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОПЕРАЦИЙ МНОГОСТАДИЙНОГО ГРП

А.С. Вишнивецкий, Aleksey.Vishnivetskiy@eu.Weatherford.com, М.Н. Бычина, Mariya.Bychina@EU.Weatherford.com

В рамках данной работы перед специалистами компании «Везерфорд» ставилась задача: используя данные расширенного комплекса каротажа в процессе бурения, произвести расстановку портов и пакеров для хвостовика МГРП. Комплекс каротажа включал следующие приборы: AZD (азимутальный ГГКп), TNP (ННКт), HAGR (ГК), MFR (ИК), IDS (инклинометр), CST (АК).

Объем работ составил 3 скважины на 3 месторождениях Сибирского федерального округа, объект исследования представляет собойпласт терригенного генезиса. В таблице 1 приведены основные характеристики скважин.

Для достижения поставленной задачи выполнялся комплекс петрофизической интерпретации и геомеханического моделирования. Для построения геомеханической модели использовался акустический и плотностной каротаж, температурные замеры, петрофизическая интерпретация, свойства пластового флюида, данные интерпретации теста мини-ГРП. Полученные в процессе петрофизической интерпретации фильтрационно-емкостные свойства пласта, рассчитанный индивидуальный дизайн трещин ГРП, понимание положения трещин вдоль ствола скважины, полученное благодаря геомеханичекой модели, позволили построить точный прогноз технических параметров скважин. В табл. 2 приведены технические показатели скважин на момент запуска в эксплуатацию.

26

1.Eaton B.A. The Effect of Overburden Stress on Geopressure Prediction from Well Logs // Journal of Petroleum Technology. 1972. August.

2.Lewis L.L. Dynamic Rock mechanics testing for optimized Fracture Designs // SPE 38716, Oct. 1996.

3.Jaeger J.C., Cook N.G.W., Zimmerman R.W. Fundamentals of rock mechanics. Blackwell Publishing, 2007.

4.Petroleum related rock mechanics / E. Fjaer, R.M. Holt, P Horsrud, A.M. Raaen, R Risnes. Elsevier. 2008.

5.An introduction to velocity-based pore-pressure estimation by Colin M. Sayers // The Leading Edge. 2006. Vol. 25, is. 12. Р. 1496–1500.

27

INELASTIC DEFORMATION, STRAIN-SOFTENING, LOCALIZED FAILURE AND DILATATION IN SANDSTONE MEDIA UNDER TRIAXIAL QUASISTATIC LOADING

A.V. Zaitsev, zav@pstu.ru,

V.I. Karev, Y.F. Kovalenko, Y.V. Sokolkin,

K.B. Ustinov, wikarev@ipmnet.ru

The two-level model for sandstone was developed. The model allowed us to describe the inelastic deformation as a multistage process of damage accumulation and to determine the instant of macrofailure as a result of loss of stability of this process. We analyzed such regularities as the character of damage evolution in relation to the stiffness of the loading system, the effect of lateral pressure on strain-softening, the dilatation, and the unequal resistance.

Разработана двухуровневая модель, описывающая неупругое деформирование песчаников и определяющая макроразрушение как результат потери устойчивости многостадийного процесса накопления повреждений. Проанализированы зависимость характера эволюции повреждений в песчаниках от жесткости нагружающей системы, влияние бокового давления наразупрочнение, дилатансиюисамоподдерживаемоеразрушение.

The investigation of inelastic deformation and failure of sandstone is associated with the necessity to develop mechanical models for the correct description of the behaviour of damaged heterogeneous rock media. Besides, there is a need to improve the procedures of strength analysis in order to take into account actual loading conditions and the evolution and character of the collective interaction in a system of defects which determines the instant of macrofailure, when the damage accumulation becomes unstable. Without understanding the regularities and mechanisms of damage accumulation, without evaluating its stability and determining the conditions of localization begining, the macrofracture of sandstones will remain latent and poorly predictable phenomenon of internal structure evolution of the heterogeneous rock media.

Stable stress-strain states corresponding to the instant of macrofailure are marked by arrows

The two-level-phenomenological structural model for sandstone was developed with the aim to study the character of collective multi-particle interaction in the defect ensemble, the general laws and the change in failure

28

mechanisms and scale levels of damage evolution under combined triaxial quasistatic loading. The model allowed us to describe the inelastic deformation accompanied by inclination and coarsening of defects as a multistage process of damage accumulation and to determine the instant of macrofailure of rock media as a result of loss of stability of this process. In the course of computational experiments, we found and analyzed such regularities of mechanical behaviour of sandstone media as the strains corresponding to the instant of macrofailure and the character of damage evolution in relation to the stiffness of the loading system, the effect of lateral pressure on strain-softening (Fig. 1, a), the dilatation under uniaxial compression (Fig. 1, b), the unequal resistance of heterogeneous bodies, and the self-supported accumulation of defects.

Figure 1. Uniaxial compression stress-strain diagrams under different lateral pressure C (a). Dilatation under uniaxial compression with different stiffness of the loading system R (b)

The author acknowledge the support of the Russian Foundation for Basic Research (Grant RFBR–Urals No 14–01–96029).

29

АНАЛИЗ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТРЕЩИНОВАТОСТИ НА ОСНОВЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В МАСШТАБЕ СКВАЖИНЫ

Д.Р. Ардисламова, AhmadullinaDR@bashneft.ru, Д.Ч. Галлямова, GallyamovaDCh@bashneft.ru

В данной статье рассмотрен вопрос влияния напряженного состояния пласта на проводящие свойства естественной трещиноватости. Построена одномерная геомеханическая модель для заданной скважины. На основе теории Кулона-Мора на скважине выявлены критически напряженные трещины и проанализировано, являются ли они более проводящими по сравнению с остальной трещиноватостью. Полученные результаты говорят в пользу того, что критически напряженные трещины являются более проводящими.

The paper reviews the relationship between the in-situ stress and the conductivity of the natural fractures. For the purposes of the analysis 1D well-scale geomechanical model was built for the given well. Based on the Mohr-Coulomb failure criteria critically stressed fractures were identified and compared to the non-critically stressed fractures with regard to their conductivity. The obtained results provide certain evidence supporting the assumption that critically stressed fractures are more conductive.

В работе рассмотрен вопрос влияния напряженного состояния пласта на проводящие свойства системы естественной трещиноватости для месторождения с карбонатными коллекторами. На примере одной скважины построена одномерная геомеханическая модель. По данным имиджевых каротажей на скважине выявлена трещиноватость и на основе теории Кулона-Мора проанализирована на наличие критически напряженных трещин. В ряде работ [1, 2] утверждается, что критически напряженные трещины обладают повышенной проводимостью. Данный вопрос также был исследован путем анализа данных ГДИС, ПГИ и сравнения апертур трещин. Полученные результаты говорят в пользу того, что критически напряженные трещины обладают повышенной проводимостью, что в свою очередь необходимо учитывать при планировании системы разработки месторождения.

1.Mark D. Zobak. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 2007.

2.Barton А.С., Hickman S. etc. Fracture permeability and its relationship to in-situ stress in the Dixie Valley, Nevada, geothermal reservoir. Stanford University, 1997.

30