Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с
..pdfУЧЕТ УПРУГО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГРП НА ПРИМЕРЕ ОДНОГО ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕРМСКОГО КРАЯ
С.А. Кондратьев, А.А. Жуковский, Т.С. Кочнева,
Е.Л. Малышева, Kondratiev@pnn.lukoil.com
Целью работы является повышение эффективность применения ГРП за счет улучшения прогнозирования упруго-механических характеристик пластов. Выполнен анализ по определению минимальной горизонтальной составляющей горного давления по данным тестовых закачек мини-ГРП. Представлен подход прогнозирования напряжений в кровле и подошве пласта. Выполнено сопоставление высоты созданной трещины определенной по данным ВАК и результатов ретроспективного анализа ГРП. В результате выполнения работы определена возможность прогнозирования напряжений пластов на основе разработанного подхода учета УМС для рассматриваемого объекта. Отмечена необходимость совершенствования методов определения упруго-механических свойств пластов применительно к условиям объектов ГРП.
The aim is to increase the efficiency of hydraulic fracturing by improving the prediction of elastic-mechanical characteristics of the formation. Made an analysis to determine the minimum of the horizontal component of rock pressure test according to the mini-frac downloads, presents an approach predicting stresses in the top and bottom of the reservoir, performed a comparison of height created fractures determined according to wave acoustic logging, and the results of retrospective analysis of hydraulic fracturing. As a result of the work defined the ability to predict the stress layers based on an approach developed by elastic-mechanical characteristics account for the object. The necessity of improving the methods of determining the elastic and mechanical properties of formation in relation to the conditions of facilities fracturing.
Применение современных трехмерных симуляторов гидравлического разрыва пласта позволяет выполнять многовариантные расчеты оптимизации технологических параметров ГРП при условии использования корректных значений характеристик пластов, в первую очередь связанных с их упруго-механическими свойствами (УМС). Известно, что наибольшее влияние на форму создаваемой трещины гидравлического разрыва пласта оказывают соотношения напряжений пропластков и непроницаемых барьеров, прямые методы диагностирования которых в настоящее время до начала выполнения работ на скважинахкандидатах под ГРП не проводятся.
31
Целью работы является повышение эффективность применения ГРП за счет улучшения прогнозирования упруго-механических характеристик пластов.
Входе выполнения анализа решались задачи связанные с определением минимальной горизонтальной составляющей горного давления по данным тестовых закачек мини-ГРП, идентификации интервалов пласта
сопределяемым напряжением. Приведено сопоставление расчетных значений минимальной горизонтальной составляющей горного давления и замеренных данных, выполнено прогнозирование рассматриваемой составляющей горного давления для рассматриваемого объекта. Представлен подход прогнозирования напряжений в кровле и подошве пласта, выполнено сопоставление высоты созданной трещины определенной по данным ВАК и результатов ретроспективного анализа ГРП.
Врезультате выполнения работы определена возможность прогнозирования напряжений пластов на основе разработанного подхода учета УМС для рассматриваемого объекта. Отмечена необходимость совершенствования методов определения упруго-механических свойств пластов применительно к условиям объектов ГРП.
32
СВЯЗЬ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА И ДАННЫХ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
А.А. Дучков, duchkovaa@ipgg.sbars.ru, Ю.П. Стефанов, stefanov@ispms.tsc.ru, С.В. Яскевич, yaskevichsv@gmail.com, Р.А. Бакеев, rustam@ispms.tsc.ru
CONNECTION BETWEEN HYDROFRAC GEOMECHANIC MODELLING AND MICROSEISMIC MONITORING
A.A. Duchkov, duchkovaa@ipgg.sbars.ru,
Yu.P. Stefanov, stefanov@ispms.tsc.ru,
S.V. Yaskevich, yaskevichsv@gmail.com,
R.A. Bakeev, rustam@ispms.tsc.ru
Проведено геомеханическое моделирование поэтапного роста трещины гидроразрыва с учетом генерации и распространения упругих волн. Полученные волновые поля были аппроксимированы полями от эффективных точечных сейсмических источников. Результаты позволяют установить, связать и использовать данные микросейсмического мониторинга для проверкигеомеханическихмоделей гидроразрывапласта.
We performed geomechanic modeling of incremental fracture growth accounting for elastic wave generation and propagation. We then approximated resultant wavefields by effective point seismic sources. These results establish connection between geomechanic models and microseismic monitoring, so that microseismic data can be used for calibrating geomechanic hydrofrac models.
Микросейсмический мониторинг все чаще используется для решения разведочных задач. Особое развитие получил мониторинг ГРП в связи с разработкой нетрадиционных залежей углеводородов (например, сланцевая нефть и газ). Микросейсмический мониторинг позволяет построить облако гипоцентров микросейсмических событий, которое характеризует рост трещины. В настоящее время активно развиваются методы определять механизмов источника этих событий. Общепринятым описанием источника является тензор моментов. Актуальным вопросом является связь тензора моментов по микросейсмическим данным с геомеханическими процессами образования трещины ГРП. Также интересно понять, какие
33
процессы ГРП порождают микросейсмические сигналы, а какие являются асейсмичными. Доклад посвящен определению эффективных точечных источников сейсмических волн по анализу упругих колебаний, возникающих при моделированииГРП.
Наряду с напряженным состоянием и типом трещины излучение упругих волн зависит от скорости и дискретности продвижении вершины трещины. Для анализа формирования импульса при росте трещин удобно рассмотреть единичный акт продвижения вершины. Однако при этом возникают высокочастотные колебания, которые плохо описываются разностными схемами, так как длина волны составляет всего несколько ячеек сетки. Для уменьшения влияния численной схемы на формирование акустических импульсов предложен алгоритм, основанный на рассмотрении процесса в двух масштабах и на основе гипотезы о плавном снятии напряжений на каждом интервале продвижения трещины. Применение данного алгоритма позволяет рассмотреть процесс формирования излучаемых импульсов с достаточной для численной схемы детальностью. Это дает возможность изучения влияния напряженного состояния в среде и скоростироста трещины на излучение ввершине.
Моделирование элементарного акта роста трещины проводится геомеханическое моделирование с использованием упруго-хрупкопластичес- кой модели с использованием численной схемы Уилкинса [4, 5]. В ходе моделирования проводится запись поля упругих колебаний по окружности радиусом порядка трех длин волны от кончика трещины (где сейсмические волны уже сформировались). Это поле аппроксимируется полем от точечного источника, заданноготензором моментов.
Далее полученные типы точечных источников будут использованы, чтобы сузить класс возможных источников при инверсии данных микросейсмического мониторинга, так как в самой общей постановке определить тензор момента оказывается затруднительно из-за малой апертуры скважинных систем наблюдений.
Таким образом, использование геомеханического моделирования позволяет определять типичные эффективные точечные источники микросейсмических событий, которые могут возникать при проведении гидроразрыва пласта. Оно также важно для оценки этапов развития трещины, которые генерируют микросейсмические события или являются асейсмичными.
Исследования проводились при поддержке Сколтеха (Соглашение № 711-MRA).
34
ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ В СИМУЛЯТОРАХ ГРП
О.В. Салимов, sov@tatnipi.ru
BUILDING OF GEOMECHANICAL MODELS USING
FRACTURE SIMULATORS
O.V. Salimov, sov@tatnipi.ru
Показано, что современные методы проектирования ГРП требуют наличия геомеханической модели. В работе проанализированы возможности трех промышленных симуляторов ГРП – Meyer, FracPRO и GOHFER – по импорту и обработке данных геофизических исследований скважин. Наиболее широкие возможности построения геомеханической модели разреза имеет симулятор GOHFER, наиболее узкие возможности – симулятор Meyer. Даны рекомендации по комплексному использованию симуляторов ГРП с программой JewelSuite PressCheck.
Present-day methods of hydraulic fracture engineering are impossible without geomechanical reservoir models. The paper evaluates capabilities of three commercial frac simulators available for industry applications–Meyer, FracPRO, and GOHFER – that allow importing and analyzing of well logging data. It has been shown that the GOHFER fracture simulator has more options for building geomechanical models, while the Meyer fracturing simulator has more limited capabilities. Recommendations on use of frac simulators in combination with JewelSuite PressCheck geomechanical modeling software are presented.
Для моделирования развития трещин гидравлического разрыва пласта (ГРП) необходимо знать следующие параметры:
1)Горное и поровое давления;
2)Минимальное горизонтальное напряжение на глубине залегания пласта (давление гидроразрыва, или давление смыкания трещины);
3)Модуль Юнга и коэффициент Пуассона;
4)Коэффициент трещиностойкости пород (вязкость разрушения);
5)Коэффициент сжимаемости пор породы;
6)Коэффициент утечки жидкости разрыва в породу.
Основным источником указанной информации являются данные геофизических исследований скважин, а программы моделирования ГРП могут импортировать и обрабатывать каротажные диаграммы. Однако методы обработки каротажных диаграмм не стандартизованы,
35
и их возможности неодинаковы, в связи с чем возникает задача их сравнительного анализа.
Вработе проанализированы возможности трех промышленных симуляторов ГРП: Meyer, FracPRO и GOHFER. Показано, что современные методы проектирования ГРП требуют наличия геомеханической модели. Наиболее широкие возможности построения геомеханической модели разреза имеет симулятор GOHFER, наиболее узкие возможности – симулятор Meyer.
Вусловиях, когда преобладающее количество процессов ГРП проводится на скважинах старого фонда, для создания геомеханической модели необходима разработка синтетических кривых каротажа, в первую очередь кривой ГГК-П. Корректный перенос геомеханической модели с соседних скважин на целевую скважину может быть выполнен
впрограмме JewelSuite PressCheck.
Петрофизические формулы, встроенные в симуляторы ГРП, не могут быть использованы непосредственно. Их параметры нуждаются в настройке на конкретные геологические условия разрабатываемых месторождений нефти и газа.
Для полноценного использования наиболее популярного симулятора ГРП Meyer обработка каротажа и построение геомеханической модели должны выполняться во внешних программах, например, такой как JewelSuite PressCheck.
Целесообразно провести опытные работы по прогнозированию геомеханического разреза скважин ниже забоя способом ВСП с использованием метода Depth-stretching (согласование глубин), встроенного в программу PressCheck, и разработкой соответствующей методики применительно к задачам гидроразрыва пластов.
Необходимо создание базы данных горных пород, содержащей все геомеханические параметры, для месторождений нефти Татарстана и смежных районов Урало-Поволжья (территория работ ООО «Тат- нефть-ЛениногорскРемСервис»).
36
ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Ю.П. Стефанов, А.В. Мясников, Р.А. Бакеев, А.С. Романов
Нарушение естественного напряженно-деформированного состояния при разработке полезных ископаемых приводит к развитию процессов деформации за пределом упругости, образованию трещин и формированию зон разрушения, что в свою очередь влечет изменение порового давления и фильтрационных свойств в пористой среде. Понимание структуры, закономерностей формирования и развития таких нарушений важно для выбора оптимальных режимов эксплуатации, а также обеспечения безопасности и устойчивости скважин и сооружений. Те же вопросы возникают и при целенаправленном создании трещин гидроразрыва. Прогноз и управление данным процессом требует учета множества факторов, важнейшими из которых являются процессы деформации и разрушения.
Решение данных задач требует математической модели, позволяющей описывать важнейшие особенности поведения горных пород в интересующих условиях, и алгоритмов численного расчета процессов деформации с учетом необратимой деформации разрушения.
Взависимости от условий нагружения и свойств горных пород развитие деформации может протекать в режимах дилатансии и компакции. В первом случае сдвиговая деформация за пределом упругости сопровождается рассеянным накоплением микротрещин с увеличением эффективного объема тела. При компакции интенсивное разрушение зерен приводит к уменьшению пористости. Для описания данных процессов и численного моделирования необходимы определяющие соотношения, которые позволят учесть не только два основных режима деформирования, но и возможность их смены. Кроме того, необходима формулировка условий разрушения и соответствующие алгоритмы расчета.
Вработе представлена математическая модель, описывающая поведение горных пород за пределом упругости, алгоритмы расчета деформации и разрушения, а также приведен ряд примеров расчетов.
Вкачестве примеров показаны расчеты деформирования образцов пород, формирование зон неупругой деформации вокруг скважин, а так-
37
же расчеты роста трещины гидроразрыва в породах разных формаций, включая слоистую среду. Показано влияние распределения давления и пластической деформации вокруг вершины на конфигурацию и рост трещин гидроразрыва.
Описание деформации за пределом упругости осуществлялось в рамках модели с комбинированной поверхностью предельного состояния и неассоциированным законом течения. Для моделирования процесса деформации горной породы использован подход, который основан на решении уравнений динамики упругопластической среды с использованием численной схемы. Моделирование процессов осуществлялось в двумерной постановке для условий плоской деформации.
Работа выполнена при частичной поддержке Сколтеха (Согла-
шение № 711-MRA).
38
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОБЪЕМНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ МАССИВА
Б.К. Норель, igd@igds.ru, Ю.А. Боровков, msgpa@msgpa.edu.ru
Экспериментальные и аналитические исследования изменения механического состояния горных пород в массиве и предложенный аналитический аппарат исследования и разрушения в природной среде позволили профессору В.Н. Родионову сформулировать принципиальные положения о существующих механических процессах естественного состояния и движения породного массива в результате ведения горных работ, а также об энергетическом взаимодействии отдельных зон горного массива, в которых происходит его разрушение. Аналитические и экспериментальные исследования позволили составить математическую модель описания механических процессов, реализующихся в горных породах в объемном напряженном состоянии, которая выглядитследующим образом.
При проведении аналитических исследований выбираются механические параметры горных пород, свойства которых не противоречат положениям физических законов деформирования твердых тел при объемном напряженном состоянии. Кроме того, закономерные изменения параметров дополняются сведениями о механических свойствах горных пород, индивидуальные свойства которых являются специфическими при действии объемного напряженного состояния. При постановке задачи о составлении математической модели протекания механических процессов объемного напряженного состояния и объемного деформирования в элементе горной породы устанавливаются компоненты полей напряжений и деформаций в форме двух квадратичных матриц третьего порядка. Выполненные механические испытания образцов горных пород в объемном напряженном состоянии на установках трехосного неравно компонентного сжатия позволили исследовать физические процессы деформирования, значительного деформирования, потери прочности и разрушения в широком диапазоне различных видов объемных напряженных состояний.
При исследовании закономерностей механических свойств материалов во всех опытах с образцами горных пород в объемном напряженном состоянии было установлено следующее: прочностные и де-
39
формационные характеристики исследуемых горных пород при различных значениях начального всестороннего сжатия i (i 1, 2 , 3 )
и величинах параметра Надаи , характеризующего различный вид
объемного напряженного состояния; на стандартных диаграммах компонентов главных напряжении 1, 2 , 3 и компонентов главной де-
формации 1, 2 , 3 форме зависимостей инвариантов главного напряжения и главной деформации I1 1 и I2 2 выделяются закономер-
ные характерные участки различного деформирования. Влияние физических факторов, определяющих изменение параметров механического состояния элемента горной породы в породном массиве и при нагружении образца в лабораторных условиях, формируется в виде: действия объемного напряженно-деформированного состояния образца горной породы с различными компонентами главных напряжений; изменения неоднородной структуры горной породы в объемном напряжен- но-деформированном состоянии; различными видами сопротивления горной породы при условиях значительного деформирования и разрушения, при высоких уровнях объемного напряженного состояния.
40