Full Text

Введение Одной из особенностей морского бурения являются большие капитальные затраты на строительство скважин в сравнении с бурением на суше. В свою очередь, опыт ведения буровых работ на шельфе Балтийского моря говорит о наличии осложнений различного характера (осыпи и обвалы стенок скважин, поглощения бурового раствора и др.). При этом время и материалы, затраченные на ликвидацию осложнений, значительно увеличивают и без того высокие экономические затраты. Мировая практика свидетельствует о том, что одним из обязательных условий для успешного и безаварийного строительства горизонтальных скважин в сложных горно-геологических условиях является наличие 3D-геомеханической модели как основы для разработки проектных решения для эксплуатационного бурения [1-14]. В статье представлена методика выполнения и результаты работ по построению 3D-геомеханической модели одного из месторождений шельфа Балтийского моря. Исследование основано на принципах нефтегазовой геомеханики [15-19]. Исходные данные Район работ расположен на шельфе Балтийского моря. Принадлежность к тектонической области - сложно построенное антиклинальное поднятие в центральной части Западно-Куршского вала Куршской впадины. Представляет собой куполовидную складку субмеридиального простирания, осложненную с востока разрывным нарушением амплитудой 20-50 м. Продуктивная часть разреза представлена терригенными отложениями кембрийской системы (Є). На месторождении пробурены три поисково-оценочные скважины. Исходная информация для построения 3D-геомеханической модели следующая: · данные геоинформационной системы (ГИС): промежуточные записи ГИС, сводный планшет и результаты интерпретации; · данные по бурению скважин: отчеты по бурению, суточные рапорты, итоговые отчеты, результаты опробования и испытаний; · сейсмический материал: отчеты, карты структурных горизонтов в глубинном и временном домене, сейсмический куб амплитуд, скоростей, а также результаты инверсии; · профили проектных скважин, координаты проектных точек; · геологическая модель месторождения: разломы, структурные поверхности, кубы свойств (пористость, проницаемость и т.д.). Необходимо отметить, что модель выполнена в пределах продуктивной части. Вышележащие породы / интервалы не моделировались, в рамках геомеханического моделирования данные интервалы будут достроены с использованием специализированного программного обеспечения. Осуществлен качественный и количественный анализ вышеперечисленных параметров. В интервалах отсутствия данных ГИС рассчитаны синтетические кривые. Исходные данные подготовлены для построения геомеханической модели. В опорных скважинах произведен обширный отбор керна в продуктивной части разреза. Отбор в вышележащих интервалах не производился. Программа предусматривала проведение акустических исследований образцов породы в атмосферных и пластовых условиях. Исследования на определение упругопрочностных свойств пород разрушающими методами не производились. Отсутствие полного комплекса исследований керна создает определенность при расчете статических упругопрочностных свойств. Построение 1D-геомеханической модели Модель распространения по разрезу упругопрочностных свойств пород является основной входной информацией для расчета устойчивости стенок ствола скважины. Модель механических свойств представляет собой численное представление горных и пластовых давлений, тектонических напряжений, механических и прочностных свойств пород, включая их деформационные параметры. Расчет основывается на данных геофизических исследований, результатах тестирования керна на механические свойства, с учетом геологической информации и калибруется с помощью тестов и замеров на скважинах и данных буровых событий. Динамические упругопрочностные характеристики пород К динамическим упругопрочностным характеристикам породы относятся модули Юнга, объемного сжатия, сдвига и коэффициент Пуассона, которые определяют реакцию породы на кратковременные нагрузки, такие как прохождение акустических волн. Основными данными для расчета динамических характеристик являются скорости продольной и поперечной волн, а также плотность пород. Эти параметры среды связаны с упругими свойствами следующим образом. Динамический модуль Юнга рассчитывается следующим образом: где Vp, Vs - скорости продольной и поперечной волны соответственно, м/с. Динамический коэффициент Пуассона: где Vp, Vs - скорости продольной и поперечной волны, соответственно, м/с. Достоинством определения модулей упругости по данным каротажа является непрерывность профиля этих параметров по глубине и высокая разрешающая способность (для опорных скважин доступен шаг 0,2-0,4 м). В опорных скважинах осуществлена запись акустического каротажа. Кривые акустического каротажа были откалиброваны на фактические замеры «скорость / медленность», полученные на керновом материале в пластовых условиях. Недостающий каротаж поперечной волны восстановлен на основании многовариантных регрессий. Статические упругопрочностные характеристики пород Статические упругопрочностные свойства - это свойства породы, которые определяют реакцию самой породы при высокоамплитудных, длительных и необратимых деформациях, происходящих в том числе и при нарушении устойчивости стенок скважины (снятие нагрузки за счет выбуривания породы). Для большинства пород статические упругопрочностные свойства значительно отличаются от динамических. К статическим упругопрочностным свойствам относятся статический модуль Юнга (Est), статический коэффициент Пуассона (PRst), предел прочности на сжатие (UCS), предел прочности на разрыв (TS), угол внутреннего трения (FA) и когезия (CS). Для перехода от динамических упругопрочностных свойств к статическим используются корреляции (уравнения связи), полученные при интерпретации результатов тестирования керна. В данном случае применялись корреляционные зависимости, полученные на соседних месторождениях-аналогах, откалиброванные на фактические замеры. Расчет напряжений Вертикальное напряжение среды определяется весом вышележащих пород и толщи воды. Вес высчитывается из произведения плотности породы/воды и ускорения свободного падения где OBG(z) - вертикальное напряжение, Па; ρ - удельная плотность, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; z - глубина по вертикали, м. Для расчета минимального и максимального горизонтального напряжения использованы классические формулы пороупругой модели [15]: где Est - статический модуль Юнга, Па; ν - статический коэффициент Пуассона, ед.; εH, εh - деформации в направлении максимального и минимального горизонтальных напряжений соответственно, ед.; σv - вертикальное напряжение (вес вышележащих пород), Па; σp - минимальное эффективное горизонтальное напряжение, Па; α - константа Био. Расчет минимального горизонтального напряжения в скважинах проведен с использованием данных акустического каротажа и рассчитанных профилей статических упругопрочностных свойств, пластового давления и вертикального напряжения. Для калибровки рассчитанных профилей минимального горизонтального напряжения были использованы результаты проведенных LOT и ELOT (тестов на гидроразрыв породы). Моделирование устойчивости стенок скважины Обрушение стенок ствола скважины может быть вызвано сдвиговыми или разрывными разрушениями пород за счет дисбаланса напряжений, концентрирующихся вокруг скважины. В ходе расчетов устойчивости выполняется расчет концентрации напряжений на стенке скважины (радиальное, тангенциальное / кольцевое и осевое) и проверяется выполнение условия разрушения породы (использовался критерий Мора - Кулона) [20-22]. Для наклонной скважины распределение напряжений на стенке будет зависеть не только от величины главных напряжений, но и от траектории скважины относительно направления главных напряжений. Результаты расчета устойчивости ствола скважины представляют собой сводный график градиента пластового давления, градиентов обрушения, поглощения раствора и гидроразрыва пласта. Построение 3D-геомеханической модели В качестве границ геомеханической модели определен полигон, который включает в себя разрывные нарушения, разведочные скважины и планируемые местоположения размещения эксплуатационных скважин. Разработан алгоритм построения 3D-геомеханической модели. На рис. 1 представлена блок-диаграмма процессов, выполняемых при построении модели для исследуемого месторождения. Рис. 1 Блок-диаграмма процесса построения 3D-геомеханической модели В начале построения модели параллельно проходили три процесса: 1) анализ каротажных скважинных данных и подготовка их к внесению в структурный каркас для последующего распространения в межскважинное пространство (выбор послойного представления разреза); 2) подготовка сейсмических данных для их использования при распространении скважинных данных в межскважинном пространстве; 3) корректировка имеющихся структурных поверхностей, создание дополнительных поверхностей и формирование поверхностей из переданных линий разломов для создания корректного структурного каркаса. Далее происходит увязка в один процесс результатов приведенных параллельных процессов, формируется структурный каркас, полностью наполненный данными, необходимыми для расчета механических свойств, - плотность, скорости акустических продольных и поперечных волн. Производится расчет кубов упругопрочностных свойств внутри структурного каркаса и оценка качества с полученными данными по 1D-геомеханическому моделированию. Методом конечных элементов с заданием граничных условий выполняется расчет полного тензора напряжений, деформаций в каждой ячейке 3D-геомеханической модели. Проверяется сходимость результатов моделирования с данными 1D-геомеханических расчетов по опорным скважинам. В последующем этапе результаты численного моделирования использовались для расчетов устойчивости стволов эксплуатационных скважин. Примененный для моделирования метод основан на нагружении модели вертикальным напряжением (рассчитывается исходя из веса каждой вышележащей ячейки) и региональными горизонтальными напряжениями. Каждая ячейка нагружаемой модели содержит механические свойства (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, прочность на сжатие и растяжение, угол внутреннего трения), а также имеет свое значение плотности. При этом ячейки модели жестко связаны, и деформация каждой из них рассчитывается исходя не только из ее упругопрочностных свойств, но и из свойств окружающих ячеек. Таким образом, модель является не набором отдельных независимых элементов, а представляет собой единую систему. Построение 3D-модели напряженного состояния включает в себя четыре основных этапа. Построение структурного каркаса (сетки) Построение структурной модели практически полностью идентично построению аналогичной модели для подсчета запасов или гидродинамического моделирования. Единственной отличительной особенностью структурной модели для геомеханического моделирования является необходимое требование ее высокого качества. Это означает, что сетка для геомеханического моделирования не может содержать «вывернутых» ячеек (ячеек с отрицательным объемом), а также все ячейки должны быть выпуклыми. При построении структурного каркаса проведена увязка структурных поверхностей с данными отбивок на скважинах с последующем контролем по данным ГИС. По завершению построения структурных карт оценено качество разломов. Из геологической модели разлом расположен в области построения 3D-геомеханической модели, однако он прослежен только в интервале продуктивного горизонта. На основании сейсмической информации данный разлом был достроен выше вплоть до его затухания. Имплементация разлома в модель производится на этапе задания свойств. Прослеживаются ячейки, имеющие пересечение с разломом, и далее ячейкам задаются свойства самого разлома. Фактически таким образом моделируется область разрушения вокруг разлома, которая также учитывается во время проведения расчетов. Таким образом, формируется структурный каркас с размерностью ячеек по горизонтали 100´100 м с числом слоев 2203 штуки. Число ячеек около 9 млн штук. Тестирование геометрии каркаса Качество структурной сетки весьма значимо для геомеханического моделирования, так как проблемы с геометрией ячеек при численном моделировании вызывают появление неестественных зон концентрации напряжений. Для проведения этого теста земная поверхность и/или уровень моря модели задавались ровной плоскостью, в каждой ячейке задаются одинаковые механические свойства и деформации. Ожидается, что заданные деформации, приложенные к границам модели, будут переданы без искажений во внутренние ячейки модели. После проведения расчетов по тестированию геометрии проверялись следующие условия: · в модели без учета вмещающей среды отсутствуют растягивающие напряжения; · значения рассчитанных деформаций внутри модели также остаются в пределах заданных; · отсутствуют вращения векторов горизонтальных напряжений, то есть рассчитанные направления должны соответствовать заданным, в данном случае минимальное напряжение имеет направление 140-320° и максимальное горизонтальное напряжение - 50-230°. Результаты теста по проверки геометрии сетки показали отсутствие влияния используемой сетки на формируемые напряжения. Полученные значения деформаций по площади и по рассчитанному кубу не отличаются от заданных, отсутствуют растягивающие напряжения в модели. Направление минимального горизонтального напряжения сохраняется внутри модели по результатам численных расчетов в соответствии с граничными условиями. Наполнение сетки механическими свойствами Механические свойства породы могут быть распространены подобно любым другим петрофизическим параметрам среды методами геостатистики по данным геологической модели с использованием данных каротажа или напрямую рассчитаны из результатов инверсии данных сейсморазведки. При этом можно распространять как напрямую упругопрочностные параметры, так и петрофизические параметры, из которых упругопрочностные параметры рассчитываются. В связи с тем что в районе моделирования имеется ограниченное количество скважин с полным комплексом оригинальных данных ГИС для расчета геомеханических свойств, именно исходные данные (DTP, DTS, RHOB, GR) были определены как базовые для распространения в межскважинном пространстве. Для распространения свойств в межскважинном пространстве необходимо использовать сейсмические данные для учета латеральных изменений среды. Для этих целей применялись сейсмические кубы, в частности, исследуемую площадь покрывали амплитудный куб в глубинном домене, куб интервальных скоростей в глубинном домене, кубы P-, S-импеданса и отношения Vp/Vs во временном домене. В качестве подложки при распространении свойств использовался куб интервальных скоростей в глубинном домене и P-импеданса, переведенный из временного в глубинный домен с использованием пар поверхностей «глубина / время». Таким образом, для моделирования механических свойств в межскважинном пространстве были решены следующие задачи: · оценено качество сведений ГИС для масштабирования данных в структурную сетку (выполнено в рамках 1D-моделирования); · построена скоростная модель и осуществлен перевод данных сейсмической инверсии в глубинный домен; · проведено масштабирование данных сейсмической инверсии в структурную сетку; · выполнено моделирование данных плотности, гамма-каротажа и интервального времени пробега продольной и поперечной волн в межскважинном пространстве методами геостатистики; Рис. 2. Ориентация минимального горизонтального напряжения · рассчитаны кубы упругопрочностных параметров на основании зависимостей, определенных на этапе одномерного геомеханического моделирования. Расчет напряжений методом конечных элементов Напряжения, в отличие от механических свойств породы, представляют собой характеристику всей геологической среды как единой системы. В такой системе поведение одного элемента определяется не только его свойствами, но и зависит от всей вмещающей среды и действующих на нее нагрузок. В связи с этим напряжения не могут быть рассчитаны с использованием методов геостатистики, и для их моделирования необходимо применение других математических алгоритмов. В данном проекте для расчета напряженного состояния был использован метод конечных элементов [23-30]. Используя кубы упругопрочностных свойств: модуля Юнга, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения, прочности на одноосное сжатие и растяжение, рассчитанных по корреляциям, определенным из кубов плотности, скоростей пробега продольной и поперечной волн, полученных методами геостатистики из скважинных данных, - построена 3D-геомеханическая модель. В результате расчета методом конечных элементов для каждой ячейки были определены все компоненты действующего на нее тензора напряжений. Пример рассчитанного направления минимального горизонтального напряжений для одного из слоев ячеек внутри пласта Ордовика и Кембрия приведен на рис. 2. Направление напряжений выдержано по всей площади и составляет ~140° для минимального горизонтального напряжения. Вращение напряжений приурочено к приразломной части. Применение результатов геомеханического моделирования На основании построенной 3D-модели (механических свойств, куба пластовых давлений, а также результатов расчета напряженного состояния среды) произведен расчет кубов градиента поглощений, градиента гидроразрыва и градиента обрушений для различных азимутов и углов вскрытия каждого слоя модели. На рис. 3 представлено распределение средних значений градиента обрушения в интервале Ордовика в зависимости от угла и азимута вскрытия. Далее на основании геомеханического моделирования оптимизированы траектория и конструкция скважин, а также выполнен расчет устойчивости стволов проектных эксплуатационных скважин. На рис. 4 приведен пример такого расчета для одной из скважин исследуемого месторождения. Разработаны рекомендации по рецептуре и параметрам бурового раствора, что, в свою очередь, оказывает решающее влияние на безаварийное строительство скважин [31-38]. В дальнейшем геомеханическая модель может быть использована для решения задач эффективной разработки месторождения, в том числе планирования гидроразрыва пласта [39-46]. Рис. 3. Распределение средних значений градиента обрушения в интервале Ордовика в зависимости от угла и азимута вскрытия Рис. 4. Расчет устойчивости стенок скважины Заключение Рассмотренные в данной статье методики позволили разработать численную трехмерную геомеханическую модель одного из месторождений шельфа Балтийского моря. На основании 3D-модели осуществлены проектные решения на строительство эксплуатационных скважин. Выполнен расчет устойчивости для плановых траекторий. Определены градиенты порового давления, давления обрушения, поглощения и гидроразрыва, установлено безопасное окно плотности бурового раствора для всех скважин. Скорректирована траектория и конструкция скважин для обеспечения наиболее безопасных условий бурения и заканчивания. Разработаны требования к параметрам бурового раствора для обеспечения стабильности ствола скважины. Перечисленные результаты достигнуты благодаря использованию принципов геомеханического моделирования.

About the authors

Nadezhda A. Liadova

Author for correspondence.
Email: nadezhda.lyadova@pnn.lukoil.com
Perm, Russian Federation

PhD in Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Deputy General Director - Director

Pavel I. Klykov

Email: Pavel.Klykov@pnn.lukoil.com
Perm, Russian Federation

Chief Specialist of the Conceptual well Modeling Department

Andrei A. Predein

Email: Andrej.Predein@pnn.lukoil.com
Perm, Russian Federation

Head of the Conceptual Well Modeling Department

References

Statistics

Views

Abstract - 222

PDF (Russian) - 252

PDF (English) - 73

Refbacks

• There are currently no refbacks.