Геомеханическое моделирование для решения задачи ограничения пескопроявления

М.М. Хасанов, (ПАО «Газпром нефть»), В.В. Жуков, Ю.В. Овчаренко, Т.Н. Тимофеева, С.В. Лукин, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

Геомеханическое моделирование представляет собой последовательный процесс определения механических свойств горной породы и ее реакций на воздействия в процессе разработки месторождения. Первое представление о напряженном состоянии дает одномерная геомеханическая модель устойчивости ствола скважины [1]. При ее построении используются данные геофизических исследований скважин (ГИС): результаты плотностного каротажа, скорости продольных и поперечных акустических волн. Кроме аналитического подхода к построению модели устойчивости ствола скважины, численное моделирование околоскважиной зоны позволяет проанализировать деформации стенок скважины с учетом изменения формы ствола при создании депрессии в процессе разработки месторождения [2, 3]. В данной статье предложен комплексный подход, включающий моделирование устойчивости стенок ствола при бурении скважин в слабосцементированных коллекторах, разработку рекомендаций для исследований с целью развития подходов к моделированию зон пластических деформаций на основе трехмерного моделирования околоскважинной зоны.

Восточно-Мессояхское месторождение находится в северной части Западно-Сибирской низменности, на юго-западе Гыданского п-ова. Геологической особенностью пластов ПК1-3 является неоднородное распределение запасов по площади в линзовидных телах, которые в свою очередь представлены слабосцементированными породами. В ходе обустройства и опытно-промышленной эксплуатации в 2012–2016 гг. реализовано большое число инновационных технологий и подходов к разработке пластов и освоению скважин. Прогноз начала обрушения породы, определение критического забойного давления, которое приводит к выносу песка вместе с пластовым флюидом, можно выполнить с помощью геомеханического моделирования.

Построение геомеханической модели

При моделировании устойчивости ствола скважины в условиях пластов ПК1-3 использован принцип взаимосвязи геомеханических параметров на разных уровнях, представленный схематично на рис. 1. Определение взаимосвязей между геомеханическими параметрами на каждом уровне построения геомеханической модели важно для получения максимально точной оценки реакции породы на техногенное воздействие (бурение скважины, проведение гидроразрыва пласта (ГРП), создание депрессии на забое скважины).

Рис. 1. Схема построения одномерной геомеханической модели, точки калибровки 1–4, или подстройки модели (LOT — тест на ГРП; MDT — стресс-тест испытателем пластов)

Первичными характеристиками модели являются: динамический модуль Юнга и коэффициент Пуассона при наличии изотропной среды. На большинстве месторождений с терригенными коллекторами наибольшей достоверностью обладает зависимость Моралеса между статическими и динамическими модулями упругости. Для общей пористости более 25 % используется зависимость Фуллера. Обе зависимости представляют собой степенные функции с различными коэффициентами A и B в представлении logY = AlogX + B. Это в первую очередь обусловлено масштабированием эффектов, происходящих в горной породе при прохождении через нее акустических волн (динамические модули) и при деформациях, приводящих к разрушению (статические модули). Прочность породы на сжатие можно описать линейной функцией с использованием статических модулей упругости. Связь между прочностью породы на сжатие и динамическими модулями упругости обычно описывается степенной зависимостью, поскольку в ней проявляется эффект перехода от динамических модулей упругости к статическим. Расчет профиля напряжений осуществляется на основе деформационной модели [4]. Значения минимальных горизонтальных напряжений калибруются на давление закрытия трещины ГРП.

Максимальные горизонтальные напряжения рассчитываются на основе данных об анизотропии горизонтальных напряжений, полученных в результате:

— азимутальных акустических исследований с выделением быстрой и медленной поперечных волн, определением степени акустической анизотропии и анизотропии напряжений;

— анализа разрушения ствола скважин (вывалы и трещины, инициированные при бурении) по данным имиджеров и направленных многорычажных каверномеров в разнонаправленных и разнонаклонных скважинах, что позволяет оценить соотношение напряжений (Q-фактор).

Модель устойчивости ствола скважины адаптирована к данным каверномера, имиджеров, мини—ГРП, MDT исследований. Результаты одномерного геомеханического моделирования для пластов ПК1-3 Восточно-Мессояхского месторождения представлены на рис. 2. Анализ полученных данных позволил описать процессы, происходящие при мини—ГРП в интервале пластов ПК1-3, и уточнить геомеханическую модель. Таким образом, были установлены следующие диапазоны изменения геомеханических параметров пластов ПК1-3:

— динамический и статистический модули Юнга — соответственно 4,2–13,4 и 0,3–2,5 ГПа;

— динамический и статический коэффициенты Пуассона — соответственно 0,29–0,35 и 0,27–0,33;

— пределы прочности на сжатие и на растяжение — соответственно 1,8–5,2 и 0,25–0,85 МПа;

— магнитуды минимальных горизонтальных напряжений — 11,0–12,5 МПа;

— направление максимального горизонтального стресса: северо-восток — 10–20°, юго-запад — 190–200°.

Рис. 2. Калибровка напряжений по данным миниГРП, стресс-тестам MDT, результатам кавернометрии

Для условий залегания пластов ПК1-3 определены деформационные константы, которые свидетельствуют о наличии переходного режима от нормального (вертикальное напряжение максимально) к сдвиговому (горизонтальное напряжение максимально). Информация о режиме напряжений является главной для оценки напряженного состояния при воздействии на пласт в процессе бурения и последующей разработки. На основе анализа данных кавернометрии до и после тестов прибором MDT, результатов исследований керна для определения геомеханических параметров установлено, что при депрессии в горной породе в интервале пластов ПК1-3 происходят пластические деформации ствола скважины.

По модели устойчивости ствола скважины определены касательные напряжения, при которых разрушается порода (рис. 3). В интервале зарезки боковых стволов (ответвлений) возникают дополнительные концентраторы напряжений, поэтому в нем более узкий диапазон допустимой плотности бурового раствора. Показано, что зарезка ствола в интервалах аргиллитов может значительно увеличить риск обрушений ствола скважины уже в процессе бурения. По результатам моделирования выбраны оптимальные места зарезки боковых стволов от горизонтального ствола скважины.

Рис. 3. Расчетное давление обрушения (желтая зона) для горизонтального ствола, расположенного под углом 45° к максимальному горизонтальному напряжению, без зарезки и с зарезкой (оранжевая зона) боковых стволов

Построение модели устойчивости ствола скважины позволило разработать рекомендации по безопасному бурению горизонтальной части ствола скважины и зарезке четырех боковых стволов (рис. 4). Оценка плотности бурового раствора при использовании геомеханического моделирования предоставила дополнительные возможности для выбора технологических параметров бурения скважин сложной конфигурации.

Рис. 4. Геомеханический расчет рисков при зарезке боковых стволов при сопровождении строительства скважин конструкции fishbone на Восточно-Мессояхском месторождении по данным каротажа в процессе бурения

Конечно-элементное моделирование околоскважинной зоны

Кавернометрия до и после записи прибора MDT, в ходе которой создается депрессия в изолированном пакерующими элементами пространстве, показала следы значительных пластических деформаций в околоскважинной зоне (см. рис. 2). Пластические деформации, кавернозность и сложная форма ствола скважины вносят дополнительную неопределенность в расчет его устойчивости. Дополнительные факторы можно оценить, используя конечно-элементное моделирование околоскважинной зоны. Ее детальная трехмерная модель позволяет моделировать ослабленные зоны при наличии остаточных деформаций, породы с кавернами по стволу скважины. Для трехмерного моделирования в качестве входных используются данные о траектории скважины, плотности бурового раствора (или задаваемом забойном давлении) и результаты расчетов одномерной геомеханической модели.

Разрушение слабосцементированных пород может происходить под действием сдвиговых или растягивающих напряжений и объемного разрушения. В результате в околоскважинной зоне возникает увеличивающаяся со временем пластичная зона, связанная с появлением остаточных деформаций. Ее механические и фильтрационно-емкостные свойства отличаются от дальней области, что влияет на продуктивность скважины.

На основе геомеханической модели пластов ПК1-3 Восточно-Мессояхского месторождения разработан алгоритм вывода скважины на режим эксплуатации с учетом оценки устойчивости ствола скважины, результатов исследований керна с целью оценки геомеханических параметров, лабораторных исследований выносимых из скважины частиц для определения гранулометрического и вещественного составов. Полученная информация позволила определить оптимальные параметры вывода скважины на режим: необходимость контролируемого снижения забойного давления для контроля коэффициента выноса твердой фазы.

Очень важным в условиях слабосцементированных коллекторов является общее время работы скважины на режиме, которое можно определить на основе конечно-элементного геомеханического моделирования околоскважинной зоны с учетом динамики процесса разрушения, исследований гранулометрического и вещественного состава частиц, выносимых в процессе вывода скважин на режим и дальнейшей ее эксплуатации. Выполнение запланированного комплекса работ для опорных скважин Восточно-Мессояхского месторождения позволит разработать рекомендации по оптимизации режимов эксплуатации скважины.

Выводы

1. Рассмотренная методика направлена на оценку эффектов пескопроявления в слабосцементированных коллекторах. Точное определение критической депрессии, а также выбор ориентации перфорационных каналов имеют важное значение для проектирования разработки месторождения.

2. Модель устойчивости стенок скважин Восточно-Мессояхского месторождения позволила определить благоприятные интервалы для зарезки боковых стволов. На основе комплексного анализа предложена программа вывода скважины на режим с целью достижения максимального срока ее эксплуатации.

3. Методический подход, опробованный на ВосточноМессояхском месторождении, включающий проведение исследований упруго-прочностных свойств на образцах керна, опробование пластов на кабеле, мини—ГРП, кавернометрию и изменение формы ствола скважины до и после исследований, конечно-элементное моделирование околоскважинного пространства, позволит контролировать процессы пескопроявления на объектах с аналогичными геологическими условиями.

Список литературы

1. Borehole Stability Management Using the New Mudweight Window Concept; A Case Study of Well KTY 02, KTY 03 and KTY 04/A. Bassey, A. Dosunmu, F. Otutu [et al.]//SPE 184279-MS.

2. Xinpu Shen Case Studies on 3-Dimentional Numerical Prediction of Critical Pressure Drawdown for Wells in Weak Formations//ARMA 11–177. — 2011, 1–8 p.

3. Eshiet K., Sheing Y. Influence of rock failure behaviour on predictions in sand production problems//Enviromental Earth Science. — 2013. — V. 70. — No. 3. — P. 1339–1365.

4. Petroleum related rock mechanics/E. Fjaer, R.M. Holt, P. Horsrud [et al.]. — Hugary: Elsevier, 2008. — 515 p.

5. Review of sand production prediction models/H. Rahmati, M. Jafarpour, S. Azadbakht [et al.]//Journal of Petroleum Engineering. — 2013. — No 10. — P. 1–17.

6. Geilikman M.B., Dusseault M.B. Fluid rate enchacement from massive sand production in heavy-oil reservoirs//Journal of Petroleum Science and Engineering. —1997. — April. — Р. 5–18.

Возврат к списку