Геомеханическое и микросейсмическое сопровождение гидроразрыва пласта в сланцевой формации

С.В. Жигульский, С.В. Лукин, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Источник: Журнал «Геофизика»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка сланцевых формаций в отечественном периметре с каждым годом набирает обороты. Причина этому – большие запасы углеводородов, добыча которых нетривиальная задача, требующая создания и внедрения прорывных технологий. Это, в свою очередь, невозможно сделать без понимания геологических особенностей пласта, истории его формирования и тектонического развития, текущего напряженно деформированного состояния резервуара.

Фильтрационно-емкостные свойства пород сланцевой формации характеризуют их как неэффективные для вовлечения в разработку традиционными методами. Это привело к применению технологии гидроразрыва пласта (ГРП) – создание искусственной системы трещиноватости. Данный метод интенсификации добычи применяется и в традиционных коллекторах, в которых также нерентабельно добывать нефть без использования методов увеличения нефтеотдачи пласта (МУН).

Перед проведением ГРП создается дизайн искусственной трещины, моделируется геометрия трещины ГРП и в результате проводится расчет параметров работы скважины после ГРП. Прогнозируемая геометрия трещины ГРП – основной критерий для определения количества закачиваемого пропанта и выбора метода обработки пласта [1]. На текущий период разрабатываются отечественные симуляторы ГРП, которые предназначены для создания максимально точного прогноза геометрии трещины ГРП. 

Трещина ГРП, как и естественная тектоническая трещина, формируется в определенном напряженном состоянии, под действием нормальных и касательных эффективных напряжений, которые, в свою очередь, зависят от механических свойств горной породы. 

Данные свойства предопределяют области развития трещины и ее геометрию. В группу механических свойств входят прочностные свойства породы (предел прочности при одноосном сжатии, предел прочности при одноосном растяжении, угол внутреннего трения, сцепление) и деформационные свойства (статические и динамические модуль Юнга и коэффициент Пуассона). Статические и прочностные механические свойства исследуются на образцах керна при испытании образцов, напряжения же рассчитываются исходя из данных о деформационных свойствах, поровом давлении, тектонических деформациях в двух горизонтальных направлениях, в данном случае это пороупругая модель напряжений.

Построение геомеханической модели (модель механических свойств и напряжений) для моделирования параметров трещины ГРП является обязательным процессом, который должен сопровождать операцию гидроразрыва пласта от начала (выбора оптимальной траектории скважины и точек инициации трещины) до конца (обновление геомеханической модели). 

В данной работе описывается процесс геомеханического и микросейсмического мониторинга ГРП в интервале отложений сланцевой формации. Перед проведением геомеханического мониторинга были построены одномерные геомеханические модели для опорных скважин, это те скважины, в которых проведен необходимый комплекс геомеханических исследований, далее построена трехмерная модель в районе планирования ГРП. На основе данных по трехмерной геомеханической модели и данных по микросейсмическим событиям проведено сопровождение процесса ГРП с геомеханическим анализом природы микросейсмических событий.

1D геомеханическое моделирование

Построение 1D геомеханической модели можно разделить на два этапа:
1. Построение 1D-модели механических свойств (ММС) пород вдоль траектории опорных скважин.
2. Расчет устойчивости стенок скважины (РУСС), который должен подтверждаться имеющимися осложнениями при бурении скважины (посадки, затяжки, прихваты, поглощения).

Для объекта исследования были построены 1D геомеханические модели по 13 скважинам. Далее данные скважины будут называться опорными, в них проведен необходимый комплекс исследований: запись плотностного и акустического каротажа (скорости продольной и поперечной волн), испытание керна для оценки механических свойств, замеры давления закрытия трещины при проведении ГРП. 

В 1D геомеханической модели были использованы следующие эмпирические зависимости для расчета механических свойств:
– расчет динамических упругих свойств (свойства породы, определяющие ее реакцию при приложении кратковременной нагрузки):

где , – продольная и поперечная скорость, соответственно, – плотность горной породы;
– расчет статических упругих свойств (свойства породы, определяющие ее реакцию во время длительной нагрузки):
– в интервале отложений сланцевой формации:

– в интервале перекрывающих и подстилающих отложений:

Статический коэффициент Пуассона был принят равным динамическому коэффициенту Пуассона.

Для определения критерия разрушения породы проведены тесты на одноосное (UCS) и трехосное сжатие (одностадийное – TXC, многостадийное – MTXC). Количество полученных исследований для определения прочностных характеристик составляет 27. По результатам скретч-тестирования был получен непрерывный профиль предела прочности на сжатие для одной из опорных скважин. 

Расчет предела прочности при одноосном сжатии (UCS):
– в интервале отложений сланцевой формации:

– в интервале перекрывающих и подстилающих отложений:

Расчет профиля порового давления проведен на основе методики Итона. Для калибровки магнитуд порового давления использованы данные ГДИС. Расчетное значение градиента порового давления в зоне с АВПД (аномально высоким пластовым давлением) составило 1,38 г/см3.

Расчет горизонтальных напряжений выполнялся в пороупругой постановке:

где α – коэффициент Био, εh, εH – деформации, вызванные тектоническими силами, в направлении минимального и максимального горизонтального напряжения,
Е– статический модуль Юнга,
v – статический коэффициент Пуассона,
Pp – пластовое давление.

Для калибровки минимального горизонтального напряжения были использованы данные о давлениях закрытия трещины при проведении мини-ГРП на скважинах.

Полученные 1D геомеханические модели были далее использованы в качестве основного материала для построения трехмерной геомеханической модели (рис. 1).

Рис. 1 Модель механических свойств для опорной скважины

3D геомеханическое моделирование

Создание трехмерной геомеханической модели на начальном этапе во многом схоже с построением геологической модели. 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, а также ячеек со сложной геометрией. Механические свойства породы могут быть распространены подобно петрофизическим параметрам среды, используя методы геостатистики на основе данных, полученных на этапе 1D-моделирования. Напряжения, в отличие от механических свойств породы, представляют собой характеристику всей геологической среды как единой системы. Расчет напряженного состояния выполнялся на основе метода конечных элементов, с построением вмещающей среды (рис. 2).

Рис. 2 Сетка трехмерной геомеханической модели со вмещающей средой

В результате построения трехмерной геомеханической модели для каждой ячейки определены все компоненты тензора напряжений, а именно:
• компоненты тензора эффективных напряжений;
• компоненты тензора упругих деформаций;
• компоненты тензора полных напряжений.

Адаптация результатов трехмерного геомеханического моделирования осуществляется на основе полученных данных на этапе 1D-моделирования. Полученные напряжения по результатам 1D- и 3Dмоделирования не должны отличаться больше чем на 5%. 

В таком случае возникает вопрос о необходимости построения трехмерной модели, если результаты (профиль напряжений) по 1D и 3D геомеханической модели должны быть равны. Ответ на данный вопрос достаточно тривиальный: 1D геомеханическая модель не учитывает разрывные нарушения в геологической среде, невозможно предсказать направление и магнитуду максимального горизонтального напряжения вдоль разлома методами построения одномерной геомеханической модели, так как необходимо учитывать свойства разрыва как «индивидуального» геологического объекта.

Ниже представлен пример, где показано изменение азимута минимального горизонтального напряжения по трехмерной геомеханической модели вблизи тектонических разрывов (рис. 3).

Рис. 3 Тензор напряжений. Минимальное горизонтальное напряжение вокруг разрывных нарушений

Наличие трехмерной геомеханической модели на исследуемом месторождении позволило выбрать наиболее благоприятную траекторию скважины для проведения ГРП и планировать расстановку портов ГРП с учетом неоднородности поля напряжений.

Мониторинг гидравлического разрыва пласта

На месторождении в одной из скважин с горизонтальным окончанием планировалось проведение ГРП с микросейсмическим мониторингом (МСМ). Для этих целей была построена трехмерная геомеханическая модель, которая анализировалась совместно с микросейсмическими событиями для интерпретации процесса развития трещины ГРП в геологической среде. 

Перед началом проведения ГРП и микросейсмического мониторинга требовалось подготовить следующие данные:
– трехмерную геомеханическую модель: кубы напряжений и тензора напряжений;
– дискретную модель сети трещин (данная модель построена на основе метода инверсии тектонических палеонапряжений, описание данного метода приводится в [2]);
– глубинный сейсмический куб амплитуд. 

Для анализа были созданы «фиктивные» вертикальные скважины в зонах локализации муфт ГРП и для каждой такой скважины построены профили параметров: минимальное горизонтальное напряжение, градиент гидроразрыва пласта по 3D геомеханической модели, плотность трещин по дискретной модели сети трещин (рис. 4).

Рис. 4 Пример сопоставления данных по вертикальным «фиктивным» скважинам, локализованным в муфтах 4–7

Далее анализировалось распределение микросейсмических событий в вертикальной плоскости вдоль горизонтальной секции ствола скважины, в которой проводился ГРП. Выявлены следующие закономерности:
– интенсивность трещиноватости – контролирующий фактор при проведении ГРП. Максимальная концентрация микросейсмических событий наблюдалась в зоне с высокой плотностью трещин;
– в условиях слабого контраста интенсивности трещиноватости по зонам развитие трещины ГРП фиксируется в зонах с минимальными значениями градиента ГРП и минимального горизонтального напряжения;
– азимут «облака» микросейсмических событий соответствует азимуту максимального горизонтального напряжения. 

В ходе микросейсмического мониторинга были зафиксированы события в нижележащих отложениях, локализация событий на первый взгляд показалась «случайной», но при детальном анализе глубинного сейсмического куба амплитуд были обнаружены некие закономерности в распределении событий. 

Для анализа природы микросейсмических событий в нижележащих отложениях был рассчитан атрибут Ant Tracking по следующему алгоритму: глубинный сейсмический куб амплитуд – куб атрибута когерентность – куб атрибута пассивный Ant Tracking – куб атрибута агрессивный Ant Tracking. По последнему атрибуту выделяются естественные плоскости, напряженное состояние которых может влиять на развитие трещины ГРП (рис. 5).

Рис. 5 Сопоставление естественных плоскостей ослабления по атрибуту Ant Tracking и микросейсмических событий (точки раскрашены по магнитуде). Черная вертикальная линия – последняя стадия ГРП, которую технологически удалось реализовать

Естественные плоскости могут находиться в критически напряженном состоянии (состояние, в котором происходят смещения по плоскости трещины, которые обуславливают увеличение/создание апертуры трещины), это объясняет наблюдаемые микросейсмические события, которые фиксируются вдоль таких плоскостей [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Перед проведением ГРП рекомендуется построить трехмерную геомеханическую модель, дискретную модель сети трещин и выполнить анализ напряженного состояния ослабленных естественных плоскостей. Это позволит увеличить качество прогноза геометрии трещины ГРП и оценить возможные риски, связанные с прорывом трещины в выше- и нижележащих отложениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Афанасьев И.С., Никитин А.Н., Латыпов И.Д., Борисов Г.А. Прогноз геометрии трещины гидроразрыва пласта // Нефтяное хозяйство. 2009. № 1. С. 76–83.
2. Жигульский С.В., Ротару А.В., Лукин С.В., Калинин О.Ю., Морозов Д.О., Грибанов В.А. Прогноз критически напряженной трещиноватости на основе тектонофизического и геомеханического моделирования на примере рифейских трещиноватых карбонатных отложений месторождения Восточной Сибири // Нефтяное хозяйство. 2017. № 12. С. 24–27.
3. Colleen A. Barton, Mark D. Zoback and Daniel Moos. Fluid flow along potentially active faults in crystalline rock. Geology, 1995. V. 23. Pp. 683–686.

REFERENCES

1. Afanasyev IS, Nikitin AN, Latypov ID, Borisov GA. Hydrofracturing crack geometry prediction. Neftyanoe hozyaystvo. 2009; (1): 76–83 (in Russian).
2. Zhigul’skiy SV, Rotaru AV, Lukin SV, Kalinin OYu, Morozov DO, Gribanov VA. Forecast of critical-stressed fractures on the basis of tectonophysics and geomechanical modeling on the example of the Riphean fractured carbonate reservoir in Eastern Siberia. Neftyanoe hozyaystvo. 2017; (12): 24–27 (in Russian).
3. Colleen A Barton, Mark D, Zoback and Daniel Moos. Fluid flow along potentially active faults in crystalline rock. Geology. 1995; (23): 683–686.

Положительная рецензия от 22.08.2018
Решение редколлегии о публикации от 31.08.2018

Возврат к списку