Full Text

Введение Гидроразрыв пласта (ГРП) является одним из основных методов интенсификации добычи нефти или газа из месторождений, коллекторы которых - песчаники и карбонаты - характеризуются высокой плотностью и низкой проницаемостью. Цель проведения гидроразрыва в коллекторе - максимальное увеличение его проницаемости и площади дренирования без выхода создаваемой для этого системы трещин за пределы коллектора. Достижение указанных целей может быть обеспечено контролем процесса гидроразрыва и управлением его направленностью в реальном времени. Наиболее эффективными методами, решающими эту задачу, являются регистрация микросейсмов и измерение углов деформации отложений (tilt measuring). Эта возможность создала предпосылки для разработки технологии управления развитием трещин, имеются сообщения о проведении мониторинга ГРП в США. На основании этого можно сделать следующие выводы: 1. Разработаны системы измерения как в скважинах, так и на поверхности. Измерение углов деформации выполняют высокочувствительными тилтметрами, обработка данных с помощью программного обеспечения, построенного на теоретических и модельных исследованиях, производится в реальном времени. 2. Методы мониторинга ГРП и картирования зон разрыва дополняют друг друга, а при совместном рассмотрении устраняют ряд неопределенностей. 3. Способность управления развитием трещин является основой повышения эффективности, предсказуемости и экологической безопасности результатов ГРП, способствует более широкому применению геофизических методов мониторинга гидроразрывов. Эти технологии имеют определенные ограничения и требуют совершенствования, они открывают широкие возможности для управления развитием системы трещин. Ошибки измерения включают ошибки калибровки, неточности установки и неверную начальную ориентацию тилтметров. Исключительно важной для обеспечения точности измерения является правильная установка тилтметров как на дневной поверхности, так и в скважине. Требования к установке тилтметров состоят в том, чтобы, во-первых, исходное положение обоих сенсоров отвечало нулевым показаниям и, во-вторых, взаимно перпендикулярные оси измерения (X и Υ) были точно ориентированы относительно сторон света. Для решения вышеуказанных задач предлагается создание измерительной системы контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок под приборы научной аппаратуры, тилтметры, при проведении ГРП для их правильной ориентации и установки как на дневной поверхности, так и в скважине. В работах [1-5] приведена методология контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок под приборы системы измерений и управления, показана автоматизированная измерительная система с навигационной системой управления (НСУ)[1]. Предложено использовать методологию создания измерительной системы в решении проблемы ориентации тилтметров, приборов контроля и диагностики развития трещин при гидроразрыве пласта, оценки и учета погрешностей, не учитываемых при проведении ГРП. Проблема контроля параметров ГРП В работах [6-18] на основании проведенного анализа (по материалам зарубежной печати) контроль гидроразрыва в реальном времени производится путем измерения возникающих при образовании трещин микросейсмов и углов деформации окружающей среды и является сегодня единственным способом непосредственной оценки области распространения трещин, их размера и ориентации. Выполнение этих исследований в реальном времени создает предпосылки для управления процессом распространения трещин в коллекторе. Измерение углов деформации. Измерение углов деформации осуществляется специальным прибором - наклономером, или, иначе, тилтметром (tiltmeter). Каждый тилтметр имеет два сенсора, измеряющих угол наклона в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y. Чувствительность таких сенсоров исключительно высока и составляет единицы нанорадиана, т.е. 5,7·10-8 град. Измерения тилтметрами проводятся как на поверхности, так и в скважинах [12, 13, 19]. Тилтметры выполняются в виде отдельных блоков, каждый из которых содержит два сенсора, источник питания, электронную схему измерения и систему передачи информации. Диаметр тилтметров лежит в пределах 2,5-3 дюймов. Тилтметры, предназначенные для измерений в скважинах, рассчитаны на давление 70-100 МПа и температуру 125-150 °С. Для измерения углов деформации применяются два способа размещения тилтметров - на дневной поверхности и в наблюдательной скважине (monitor well), расположенной вблизи от рабочей скважины (treatment well), в которой производится разрыв [7, 10, 14, 17]. Тилтметры распределяются с определенным шагом в интервале, охватывающем сверху и снизу область предполагаемого развития трещин, и прижимаются к колонне с помощью стандартных пружинных центраторов или магнитов [11, 12, 16, 18]. Требования к установке тилтметров состоят в том, чтобы, во-первых, исходное положение обоих сенсоров отвечало нулевымпоказаниям и, во-вторых, взаимно перпендикулярные оси измерения (X и Υ) были точно ориентированы относительно сторон света. Увеличение размера трещины приводит к соответствующему, положительному или отрицательному, наращиванию угла деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Внешние помехи. Наблюдаемая в процессе гидроразрыва картина изменения углов деформации осложнена внешними помехами, которые особенно сильно проявляются при наземных измерениях, характеризующихся слабыми сигналами. К таким помехам относятся, например, пики изменения углов деформации, вызванные низкочастотными колебаниями оснований, проездом одиночных груженых грузовиков, более плавные изменения, связанные с движением железнодорожных составов, значительные периодические изменения, являющиеся следствием приливных явлений в земной коре, и изменением уровня грунтовых вод при их отборе (рисунок). Все возможные виды помех необходимо определять до начала измерений, чтобы выделить их при обработке данных. Ошибки в картировании тилтметрами системы трещин [7, 10, 13-15, 17] могут быть сведены в две основные группы: ошибки измерения и ошибки модели. Ошибки измерения включают ошибки калибровки, неточности установки и неверную начальную ориентацию тилтметров, низкочастотные колебания, внешние помехи, т.е. другие, помимо образования трещин, причины деформации поверхности. Суммарное действие ошибок измерения и моделирования приводит к некоторой неопределенности результатов картирования трещин. Оценка неопределенности результатов картирования, вызванная ошибками разного рода, осуществляется методом Монте-Карло на основе представлений, что каждое измерение деформации тилтметром содержит случайные ошибки. а б в г Рис. Результаты измерения углов деформации (по материалам [6-18]): а - измерение двухкомпонентным тилтметром: 1, 2 - соответственно начало и конец нагнетания жидкости разрыва; 3, 4 - изменение углов деформации по осям X и Υ до, в процессе и после нагнетания жидкости разрыва; б - характер внешних помех: 1 - изменение угла деформации, вызванное приливными явлениями; 2 - помехи, вызванные проездом груженого транспорта; в - оценка неопределенности результатов измерения: 1 - истинное положение вектора угла деформации; 2 - вектор случайной ошибки измерения; 3 - результат измерения, искаженный случайной помехой; 4 - область неопределенности; г - схема расположения результатов на планшете: 1, 2 - соответственно поперечная и продольная трещины; 3 - точки расположения тилтметров; 4 - направление ствола горизонтальной скважины Величина случайных ошибок оценивается экспериментально. Для этого до начала гидроразрыва в течение 24 ч тилтметрами регистрируются углы деформаций, вызванных различными, в том числе внешними, причинами, а затем вычисляется их среднее значение и среднеквадратическое отклонение. По результатам такого многократного моделирования определяются стандартные отклонения параметров трещин, которые принимаются за меру неопределенности. Приборы регистрации и измерения микросейсмов Регистрация микросейсмов, возникающих в рабочей скважине, осуществляется трехкомпонентными гидрофонами или акселерометрами, которые помещаются в соседнюю наблюдательную скважину на разных уровнях либо на поверхности над зоной разрыва. Вертикальное размещение комплекта приемников в наблюдательной скважине должно быть таким, чтобы охватывать зону разрыва сверху и снизу, что позволяет судить с одинаковой уверенностью о распространении трещин и вверх, и вниз. Такое условие в наблюдательной скважине не всегда достижимо по техническим причинам. Приемники могут быть размещены как в вертикальных, так и в наклонных скважинах, а также в горизонтальном стволе, куда они вводятся специальными средствами, например с помощью скважинного трактора. Эффективность регистрации микросейсмов зависит от характеристик приемников. Существует два основных типа приемников, применяемых для мониторинга гидроразрыва: всенаправленные геофоны и акселерометры. Определение гипоцентра микросейсма основано на допущении, что источник микросейсма является точечным. Он возбуждает в однородной изотропной среде как продольные, так и поперечные волны, которые регистрируются в наблюдательной скважине или на поверхности каждым из трехкомпонентных приемников с ортогональными осями X, Y, Z [11, 12, 18]. Направление на точку возникновения микросейсма, т.е. азимут и угол наклона прямой, соединяющей приемник и источник микросейсма, определяется из диаграмм поляризации (направленности движения) частиц среды в функции времени, вызванных продольной волной. Диаграмма поляризации - годограмма (hodogram) - представляет собой 2D-кросс-плоты волновых форм в плоскостях X-Y, X-Z, Y-Z в интервале времени вокруг момента вступления. Она дает возможность определять направление лучей (азимут, угол) от приемника до гипоцентра микросейсма, так называемую обратную проекцию (back-projection). Для правильного определения местонахождения источника микросейсма необходимо точное знание акустической скорости среды и ориентации приемников, расположенных в скважине или на поверхности. Определение горизонтальных скоростей осуществляется обычно одновременно с определением ориентации приемников путем регистрации мощного акустического сигнала, направленного в приемники из точки с известными координатами. Источником такого сигнала может быть, например, перфорация, проведенная на заданной глубине в рабочей скважине. При этих измерениях фиксируются как момент выстрела, так и время первых вступлений продольных и поперечных волн. Поскольку расстояние между приемниками и местом перфорации известно, по этим данным определяется скорость продольных и поперечных волн в пространстве между точкой взрыва и приемниками. Соотношение сигналов, зарегистрированных каждым приемником, дает возможность определить, как ориентированы сенсором оси приемников X, Υ, Z относительно направления на источник сигнала. Измерение микросейсмов. Локализация серии микросейсмов, происходящих в процессе проведения гидроразрыва, осуществляется на основе алгоритмов, обрабатывающих комплекс измеряемых и априорных данных. К числу измеряемых данных относятся время вступления продольных и поперечных волн, их амплитуда, фаза и другие характеристики. Априорные данные включают скоростную характеристику среды между контрольной скважиной и зоной разрыва, координаты наблюдательных скважин, их угол и азимут наклона, а также ориентацию осей приемников. Оценка неопределенности в положении источника микросейсма, вызванная ошибками измерения, неточностью априорных данных, используемых в вычислениях, и идеализацией модели. В работах [6, 13, 15] приводятся основные компоненты неопределенности и способы их устранения или подавления: - неопределенность траектории скважины (well path uncertainty), происходящая от неточности углов наклона и азимута наблюдательной и рабочей скважин; - неопределенности, вызванные неточностью координат и ориентации приемников (station distribution bias); - неопределенность диаграмм направленности (hodogram uncertainty), к которой приводит низкое отношение сигнала к шуму и неоднородность среды вблизи приемников; - неопределенность регистрации моментов вступления (time-pick uncertainty), вызванная в основном низким отношением сигнал/шум; - неопределенности инверсии (inversion bias), обусловленные идеализацией модели и принятыми в алгоритме допущениями; - неопределенности скоростной модели среды (velocity model uncertainty), вносящие основной вклад в ошибку локализации источника микросейсма. Совместное рассмотрение результатов картирования трещин, полученных измерением углов деформации и анализом микросейсмов, может устранить значительную часть неопределенностей в оценке размеров и ориентации зоны разрыва пласта. Практическое решение проблемы комплексирования состоит в объединении сенсоров обоих типов в едином приборе. В этом приборе каждая пара сенсоров, тилтметр и акселерометр, монтируется в едином блоке, который прижимается к стенке колонны с помощью рычажного прижима. Конструкция таких блоков позволяет пропускать через себя силовые и информационные цепи и соединять в связку определенное число идентичных блоков. Связка ряда комбинированных приборов опускается в наблюдательную скважину с заданным числом приборов и заданной апертурой. Таким образом, задачами совершенствования геофизического контроля гидроразрыва пласта в реальном времени являются: 1. Минимизация ошибок калибровки, неверной начальной ориентации и неточностей установки тилтметров как на дневной поверхности, так и в скважине по горизонту и азимуту. Требования к установке тилтметров состоят в том, чтобы, во-первых, исходное положение обоих сенсоров отвечало нулевым показаниям и, во-вторых, взаимно перпендикулярные оси измерения (X и Υ) были точно ориентированы относительно сторон света. 2. Определение и учет влияния низкочастотных колебаний основания, помех, пиков изменения углов деформации, вызванных проездом одиночных груженых грузовиков; более плавных изменений, связанных с движением железнодорожных составов; значительных периодических изменений, являющихся следствием приливных явлений в земной коре и изменения уровня грунтовых вод (неучитываемая динамическая составляющая погрешности измерений). Особенности разработки измерительной системы Для решения вышеуказанных задач предлагается создание измерительной системы контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок, углов азимутального рассогласования под приборы научной аппаратуры, тилтметры, при проведении ГРП для их правильной ориентации и установки как на дневной поверхности, так и в скважине с учетом динамической составляющей погрешности измерений. В работах [1-5, 19, 20] и патенте[2] приведена методология контроля прост-ранственных угловых отклонений установочных площадок под приборы системы измерений и управления, показана автоматизированная измерительная система с навигационной системой управления. Предложено использовать методологию для создания измерительной системы в решении проблемы ориентации тилтметров, приборов контроля и диагностики развития трещин при гидроразрыве пласта, оценки и учета погрешностей, не учитываемых при проведении гидроразрыва пласта. Состав измерительной системы Измерительная система включает в себя две измерительные головки [2, 3], в состав каждой из которых входят: акселерометр типа ЦЕ, установленный на вращающейся платформе, датчик момента ДМ, поворачивающий платформу вокруг вертикальной оси, датчик угла типа BE, измеряющий угол поворота платформы вокруг вертикальной оси. Чувствительным элементом акселерометра является полый цилиндр, установленный в опорах и помещенный в демпфирующую жидкость, поворот цилиндра в пределах amax = ±5¢ измеряется фотоэлектронным датчиком угла. Восстанавливающий момент создается датчиком момента. Измерительная система включает в себя, кроме измерительных головок, блок сопряжения, состоящий из усилителя обратной связи акселерометра, АЦП напряжения, контроллера измерительных головок, блоков управления ДМ и ДУ и блока хранения результатов, который автономно подключается к ЭВМ. Автоматизированная измерительная система предназначена для измерения углов взаимной ориентации установочных площадок под приборы научной аппаратуры летательных аппаратов. Известна система для измерения наклона [1], состоящая из двух идентичных измерительных каналов. Измерительный канал имеет измерительный преобразователь и систему преобразования выходных сигналов. Недостатком устройства является то, что при больших углах азимутального рассогласования между базовыми осями координат контролируемых площадок и при колебаниях основания возникает динамическая погрешность, снижающая точность измерений. В работе [1] приведена конструкция одно- и двухкоординатного наклономера, предназначенного для измерения двух пространственных угловых отклонений контрольных площадок от горизонта. Чувствительным элементом устройства является одноосный наклономер с подвесом инерциальной массы на газодинамической опоре. Конструкция и принцип действия автоматизированной измерительной системы приведены в работе [2] и патенте[3] в которых показаны структурно-функциональная схема автоматизированной измерительной системы контроля пространственных угловых отклонений, процедура функционирования измерительной системы, проведен анализ и представлено теоретическое обоснование определения углов азимутального рассогласования между базовыми осями контролируемых площадок и углов отклонения от горизонта [15]. На основании результатов проведенного исследования можно сделать выводы: - выявлены закономерности, позволяющие обоснованно подходить к проектированию измерительных систем контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок и их ориентации; - разработанная измерительная система позволяет при наклоне изделия (измерительного модуля) относительно горизонта определить угол азимутального рассогласования между базовыми осями двух и более контролируемых площадок. Оценка точностных характеристик измерительной системы Динамическая ошибка измерений углового рассогласования установочных площадок под приборы. В реальных условиях контроля измерительный модуль может совершать низкочастотные колебания, обусловленные нестабильностью основания, которые приводят к динамической погрешности измерения углового рассогласования. Пусть вдоль оси 0Yг действует ускорение (1) а вдоль оси 0Xг действует ускорение: (2) где ax, ay - амплитуды действующих ускорений; w - частота колебаний; vx, vy - начальные фазы; t - время. Оценим динамическую ошибку измерения углов отклонения первой контролируемой площадки от горизонта. Принцип измеряемого преобразователем ускорения запишется в следующем виде: (3) (4) Представим (5) Считая и малыми, подставив (5) в (3) и (4) с учетом получим (6) Динамическая ошибка измерения угла (7) Для второй контролируемой площадки (8) (9) Динамическую погрешность определения утла азимутального рассогласования определим, записав проекции ускорений на оси Oξ1 и Oη1 с учетом (1), (2): (10) Для малых углов и и с учетом малости динамической погрешности запишем выражения для динамической ошибки определения азимутального угла первой площадки: (11) Динамическая погрешность определения азимутального угла для второй контролируемой площадки: (12) Определим погрешность измерения разности горизонтальных углов с учетом (6)-(9): (13) (14) Максимальные значения величин (13), (14): (15) (16) Максимальное значение динамической ошибки разности азимутальных углов с учетом (11) и (12) запишется в виде (17) Оценим величину динамических погрешностей измерения углов рассогласования при использовании системы измерения наклона. При жестком закреплении преобразователей на основании угол ΔA в выражениях (15)-(17) равен нулю. Тогда при рад А1 = 0, А2 = 45°, j3 = 5°. При развороте платформы ИГ-I с измерительным преобразователем на угол ΔА в азимутальной плоскости значение угла А2 можно представить в виде (18) где ΔА - угол, равный номинальному значению угла азимутального рассогласования между осями 0Х1 и 0Υ2 (взят из чертежа изделия); - разностный угол, определяемый допусками на изготовление площадок. Тогда с учетом малости получим (19) (20) С учетом (19) и (20) выражения (15)-(17) примут вид (21) (22) Оценим динамическую ошибку с учетом = 45 · 10-4 рад: Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет снизить динамическую погрешность определения углов отклонения от горизонта в 200 раз и при наклоне изделия на малые углы позволяет определить угол азимутального рассогласования следующим образом. С учетом малости φ3, а также уравнений анализа работы измерительной системы , находим (23) Затем определяем угол азимутального рассогласования по формуле (24) Углы ΔA*, Δφ и ΔJ позволяют определить ориентацию базовой системы координат второй площадки X20Y2Z2 в системе координат первой площадки X10Y1Z1. Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет снизить динамическую погрешность измерения пространственных углов отклонения и при наклоне изделия на малый угол определить дополнительно угол азимутального рассогласования. Технические характеристики измерительной системы: Диапазон измерений, град: горизонтальных координат - 0-10; азимутальных координат - 0-360. Чувствительность измерительного преобразователя, угл. с - 0,1. Погрешность измерения, угл. с: горизонтальных координат - 0,5; азимутальных координат - 15. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: - выявлены закономерности, позволяющие обоснованно подходить к проектированию измерительных систем контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок под приборы измерения, управления, научной аппаратуры; - измерительная система позволяет снизить динамическую погрешность измерения пространственных угловых отклонений, определить угловое рассогласование установочных площадок по горизонту и в азимутальном направлении; - предлагаемая методика правильной установки тилтметров, их ориентации (при регистрации микросейсмов и измерении углов деформации отложений) как на дневной поверхности, так и в скважине, выполнение требований по установке тилтметров в нулевое (исходное) положение (положение обоих сенсоров отвечало нулевым показаниям) и в положение, при котором их взаимно перпендикулярные оси измерения (X и Υ) были точно ориентированы относительно сторон света, позволит решить проблему обеспечения точности измерения параметров процесса проведения ГРП.

About the authors

Gennadiy Aleksandrovich Tsvetkov

Author for correspondence.
Email: bg@pstu.ru
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

доктор технических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности Пермского национального исследовательского политехнического университета

Aleksandr Vladimirovich Shumilov

Email: shum5011@gmail.com
614090, г. Пермь, Лодыгина, 34

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по промысловой геофизике ОАО «Пермнефтегеофизика»

Irina Aleksandrovna Chernykh

Email: chernykhia@p.lukoil.com
614990, г. Пермь, ул. Ленина, 62

начальник отдела геофизических работ ООО «Лукойл-Пермь»

References

Statistics

Views

Abstract - 177

PDF (Russian) - 44

Refbacks

• There are currently no refbacks.