Прогноз критически напряженной трещиноватости на основе тектонофизического и геомеханического моделирования на примере рифейских трещиноватых карбонатных отложений месторождения Восточной Сибири

С.В. Жигульский, А.В. Ротару, С.В. Лукин, к.ф.-м.н., О.Ю. Калинин, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»), Д.О. Морозов, В.А. Грибанов (ООО «Газпромнефть-Развитие»)

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

Объектом исследования являются рифейские карбонатные отложения одного из месторождений Восточной Сибири, которое находится в пределах Камовского свода Байкитской антеклизы на юго-западе Сибирской платформы.
Рифейские отложения характеризуются сложным структурно-тектоническим строением, неоднородными свойствами, обусловленными развитием трещиноватости. Залежи массивные, тектонически экранированные, частично литологически экранированные. Дизъюнктивные нарушения имеют значительную амплитуду смещения (до 1500 м), в качестве латеральных флюидоупоров рассматриваются мощные глинистые толщи. Блоковое строение коллекторов подтверждается результатами гидропрослушивания и испытаний скважин (изменение уровней флюидных контактов по разным блокам) (рис. 1).
1.png
Рис. 1. Тектоническая схема месторождения Х

Формирование основных структурных элементов рифейского комплекса произошло в предвендское время. С этими же событиями связано образование существующей системы естественной трещиноватости, которая рассматривается как основной фактор, влияющий на продуктивность скважин. Рифейские породы представлены плотными кристаллическими доломитами с примесью глинистых минералов и кварца, количество которых варьируется по разрезу. Характер рифейской седиментации и диагенетических процессов предопределил доминирование отложений с плотной упаковкой кристаллической структуры и тонкодисперсным глинистым матриксом, т.е. с низкими первичными фильтрационно-емкостными свойствами: пористость составляет в среднем 1,5%, проницаемость матрицы – около 0,001 мкм2). Кпроцессам, положительно повлиявшим на пустотность рифейских пород, можно отнести локальные процессы выщелачивания, связанные как с предвендским гипергенезом, так и с деятельностью подземных вод. Это обусловило образование локальных зон изолированной кавернозности, степень развития которой невысокая.
Основными источниками информации о трещиноватости являются данные о поглощениях бурового раствора, промыслово-геофизических исследований (ПГИ) и специальных методов геофизических исследований скважин (ГИС): микроимиджеры и широкополосный акустический каротаж (АКШ). Специальные методы ГИС, которыми охвачено около 90 % эксплуатационного фонда скважин, имеют достаточно большие ограничения по возможности дифференциации флюидопроводящих трещин. Например, для электрического микроимиджера не существует унифицированной методологической основы для классификации трещин по значениям электрического сопротивления. При интерпретации волны Стоунли, регистрируемой при АКШ, в случае высокой плотности трещин практически невозможно выделить трещины, которые дали отклик на эту волну. В настоящее время вследствие вышеуказанных ограничений предполагается, что все трещины, выделяемые специальными методами ГИС, являются проводящими. Такое предположение противоречит результатам ПГИ, которые показывают, что «рабочие» интервалы не всегда совпадают с интервалами максимальной плотности трещин, определенными по имиджеру ствола скважины, кроме того, отсутствует надежная корреляция между продуктивностью скважин и плотностью трещин.
Главным недостатком существующего подхода является рассмотрение трещины как статического объекта, который характеризуется постоянными свойствами: апертурой, длиной, заполнителем. Однако именно данные свойства трещин определяются их напряженным состоянием, оценка которого требует знания тектонического генезиса трещин, изменения тектонического режима и напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород в течение геологического времени.
Комплексный подход к прогнозированию критически напряженной трещиноватости был апробирован на одном участке месторождения (см. рис. 1, желтый контур) с последовательным применением геологического, тектонофизического и геомеханического моделирования.

Механизм трещинообразования

Термин «трещиноватость» до сих пор носит дискуссионный характер. Далее под данным термином понимается совокупность разрывов сплошности горных пород, характеризующихся либо отсутствием перемещения слоев, либо незначительной его величиной [1].
Возникновение трещин в горной породе неразрывно связано с проявлением ее хрупкости, которая значительно зависит от всестороннего давления: чем оно выше, тем больше предел текучести, и порода становится менее хрупкой. Эксперименты А.И. Шеменды при испытании искусственного камня показали, что при отсутствии всестороннего давления образуются только трещины отрыва по направлению действия горного давления, при приложении и повышении всестороннего давления появляются трещины скола c разными углами наклона, при достижении макси мально высокого бокового давления формируются полосы компакции (Nguyen[et. al.], IJRMMS, 2011 г.).
В течение геологического времени разрыв может вступать как в активную, так и в пассивную фазы тектонического развития. Процесс активизации трещины означает ее переход в критически напряженное состояние, преодоление полосы хрупкого разрушения (Byerlee, 1967 г.). Возникновение новых и активизация существующих разрывов интерпретируются по закону Кулона и графически отображаются с помощью трехмерной диаграммы Мора. После создания новой трещины происходят сброс касательных напряжений на плоскость разрыва и изменение напряженного состояния после активизации трещины. Предельные напряжения в моменты возникновения и активизации трещины определяются соответственно по формулам
2.png

где nn – касательное напряжение на площадке n; Кf – коэффициент внутреннего трения образца; nn– нормальное напряжение на площадке n; pfl – давление флюида; f – прочность сцепления образца (когезия); Кs – коэффициент сухого трения;
Для расчета напряжений, действующих на трещину, требуется знать значения главных напряжений и направляющие косинусы нормали к трещине в пространстве главных напряжений
3.png
где 1, 2, 3 – главные напряжения; l, n– соответственно первый и третий направляющие косинусы нормали к трещине в пространстве главных напряжений. В ходе анализа критически напряженного состояния также необходимо учесть кинематику разрыва и его ориентацию относительного максимальной оси сжатия и азимута скважины. В трещине отрыва из-за большей раскрытости в течение геологического времени происходит минералообразование на стенках разрыва, в результате она может становиться закрытой/залеченной. Трещина скола подвергается постоянным флуктуациям напряженного состояния вследствие меньшей апертуры и действия по ее простиранию наиболее высоких касательных напряжений.
Таким образом, анализ проницаемости трещин – это многоэтапный процесс, который включает геологическое картирование трещин, тектонофизический анализ НДС горного массива на разных этапах развития (до и после образования трещин) и геомеханическое моделирование с учетом измененного напряженного состояния в околоскважинной зоне.

Тектонофизическое моделирование

Главной целью моделирования в тектонофизике является определение механизма нагружения массива путем решения прямой задачи геомеханики [2]. Реконструкция палеотектонических напряжений является инструментом для изучения закономерностей развития трещиноватости горных пород и оценки тектонического изменения региона.
Существуют следующие методы реконструкции палеонапряжений: структурный, дислокационный и квазиклассический. В данной работе реконструкция осуществлялась посредством построения инверсионной модели напряжений (квазиклассический метод). При этом следует отметить, что тектонический режим (нормальный/сбросовый, сдвиговый и взбросовый) определяет характер действующих напряжений при разрыве (растяжение, поперечный и продольный сдвиг). Зная кинематику и морфологию разрывов, для каждой точки наблюдения (на опорной поверхности) можно рассчитать перемещения и деформации.
Для построения тектонической модели использовались все тектонические нарушения в пределах сектора моделирования, основная неопределенность была связана с генезисом трещин. Так как в большинстве скважин наблюдается несколько классов трещин с высокой вариацией углов и азимутов падения, был рассмотрен ряд тектонических событий, которые отражают механизм формирования закартированных трещин. Кондиционность тектонической модели проверялась сопоставлением геометрических характеристик трещин (угла и азимута падения) с характеристиками трещин, инициированных тектоническим драйвером. В результате построения многовариантных тектонических моделей выявлено следующее.
1. Вероятность образования трещин скола в первом блоке превышает 76 %, 10 % приходится на класс трещины растяжения с углом падения более 55°.
2. Вероятность образования стилолитых швов во втором блоке равна 12 %, трещин скола – 15,7 %, остальных классов трещин – 72,3 % с вероятностью каждого класса менее 10 %.
3. Вероятность образования трещин скола в третьем блоке равна 40 %, трещин растяжения –11,2 %, остальных классов – 48,8 % с вероятностью каждого класса менее 10 %.
Основной вклад в формирование структурно-тектонического строения рифейского комплекса оказал сдвиговый тектонический режим с направлением палеостресса SH ~ 75° СВ. Была восстановлена кинематика разрывных нарушений. На основе тектонического моделирования и вероятностной оценки трещин выявлен драйвер трещиноватости и получены параметры, необходимые для построения тектонической модели трещиноватости: 3D тренд плотности, углов и азимутов падения трещин. Установлена лучшая реализуемость тектонической модели трещиноватости по сравнению с используемой геологической в проектной скважине. Определен второй кластер трещин СЗ простирания в первом блоке (рис. 2).
4.png
Рис. 2. Стереограммы трещиноватости в проектной скважине по геологической и тектонической моделям

Для моделируемого объекта была использована и рассмотрена в статье обратная задача тектонофизики, в которой на основе данных о трещиноватости и дизъюнктивных нарушениях восстанавливается тензор главных напряжений, деформаций и перемещений. Следует также от метить использование прямой задачи тектонофизики при изучении нефтегазового объекта на примере подсолевых отложений нефтяного месторождения на территории Восточной Сибири. Данная задача включала оценку перемещений и деформаций для картирования разломов в подсолевом интервале, где сейсмические исследования не позволяют однозначно проследить разрывные нарушения. По построенным картам деформаций и перемещений выделены разрывные нарушения, имеющие определенную взаимную ориентацию (рис. 3).

5.png
Рис. 3. Карта палеосмещений по оси z (черными линиями обозначены выделенные разломы)

Таким образом, применяя метод инверсии напряжений, можно построить карту разломной тектоники исследуемого региона и определить наиболее вероятное направление тектонического драйвера.
После выполнения тектонофизического анализа и построения модели трещиноватости для оценки критически напряженного состояния разрывов была создана трехмерная геомеханическая модель на основе геологического структурного каркаса.

Геомеханическое моделирование

В задачи геомеханического моделирования рифейского резервуара входили: построение одномерных моделей механических свойств, расчеты устойчивости стенок скважин и трехмерное моделирование с дальнейшим анализом критически напряженного состояния трещин. Трехмерная геомеханическая модель построена по стандартному алгоритму с вмещающей средой для корректного механического нагружения и учета граничных эффектов. Расчет выполнен методом конечных элементов с использованием линейной пороупругой модели. Деформационные (статический модуль Юнга и коэффициент Пуассона) и прочностные свойства (пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении, угол внутреннего трения и когезия) были распространены с применением Гауссова стохастического моделирования в трехмерном пространстве на основе куба литотипов (доломита, глинистого доломита).
После подготовки механических свойств для коллектора и вмещающей среды требовалось задать параметры (нормальную и сдвиговую жесткости, угол внутреннего трения и когезию) для дизъюнктивных нарушений и трещин. Это обусловило основную неопределенность, так как при испытании керна для оценки механических свойств готовятся образцы с ненарушенной структурой. В связи с отмеченным был рассчитан ряд кейсов с разными геомеханическими параметрами разрывов, базовый кейс с максимальными значениями свойств для разломов: нормальная жесткость Кn = 40 тыс. бар/м, сдвиговая Кs=15 тыс. бар/м,угол трения – 32°; для трещин: Кn = 8000 тыс. бар/м, Кs = 4000 тыс. бар/м, угол трения – 32°. Граничные условия (коэффициент анизотропии напряжений равен 1,65, градиент минимального горизонтального напряжения – 0,165, азимут максимального горизонтального напряжения – 95°) заданы такими же, как и для расчета одномерных моделей механических свойств. После определения напряжений был проведен анализ критически напряженных трещин. Для этого требовалось подготовить следующие данные: тензор эффективных напряжений и куб порового давления. Коэффициент трения был принят равным 0,6 [3].
Анализ критически-напряженной трещиноватости проведен как в скважине, так и в целом блоке и секторе моделирования. После расчета в модели трещиноватости создаются два класса трещин: активные и неактивные. Сумма трещин по каждому классу должна быть равна исходному числу трещин. Далее в модели трещиноватости с одним классом активных трещин было выполнено ремасштабирование и получен куб плотности активных трещин, по которому построена карта плотности трещин (рис. 4).
7.png
Рис. 4. Карта плотности критически напряженных трещин, построенная по тектонической модели трещиноватости

На рис. 5 приведено сравнение фактической, активной трещиноватости и трещин рабочих и нерабочих интервалов по данным ПГИ для одной скважины. Установлено, что трещины СЗ простирания проводят флюид и являются критически напряженными. Кроме того, выделяется класс трещин с меньшей плотностью СЮ простирания, которые неактивны. Для уточнения прогноза необходимо в данном анализе также учесть ориентацию скважины (под каким углом она вскрывает трещину, как сориентирована с осями главных тектонических напряжений) и забойное давление, которое влияет на распределение кольцевых напряжений в скважине.
Таким образом, опробован новый подход к прогнозированию флюидопроницаемых трещин на основе комплексирования геологического, тектонофизического и геомеханического моделирования на примере рифейского трещиноватого коллектора. Показано, что тектоническая модель трещиноватости реализуется лучше по сравнению с используемой геологической. Выявлено, что число перспективных трещин сильно варьируется по площади, даже в пределах одного тектонического блока может существовать несколько напряженных состояний.

6.png
Рис. 5. Стереограммы фактической трещиноватости (а) и трещин рабочих интервалов (б) в скважине, в которой проведены ПГИ
Модель трещиноватости с разбиением на активные и неактивные трещины позволила построить куб и карту плотности критически напряженных трещин, которая в дальнейшем будет калиброваться на данные продуктивности скважин и ПГИ.

Список литературы

1. Багринцева К.И. Трещиноватость осадочных пород. – М.: Недра, 1982. – 256 с.
2. Гзовский М.В.Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. –536 с.
3. Zoback M.D. Reservoir geomechanics. – Standford University: Cambridge University Press, 2007.

References

1. Bagrintseva K.I., Treshchinovatost' osadochnykh porod (Fracturing of sedimentary rocks), Moscow: Nedra Publ., 1982.
2. Gzovskiy M.V., Osnovy tektonofiziki (Fundamentals of tectonophysics), Moscow: Nauka Publ., 1975.
3. Zoback M.D., Reservoir geomechanics, Standford University: Cambridge University Press, 2007. ГЕОЛОГИЯ

Возврат к списку