Site icon Евразийский Союз Ученых — публикация научных статей в ежемесячном научном журнале

Формирование зон эффективной нефтеотдачи в прискваженной зоне

euroasia

В международной практике роль воспроизводства нефтедобычи за счет внедрения современных методов увеличения нефтеотдачи на базе инновационных техники и технологий становится все более приоритетной. Согласно оценкам специалистов компании Зарубежнефть, за последнее десятилетие дополнительная добыча за счет применения современных методов увеличения нефтеотдачи в России непрерывно увеличивается.

Наиболее перспективными являются гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи, включающие в себя различные методы интенсификации притока жидкости к скважине:

Инновационному развитию нефтедобычи в таких странах как США, Канада, Норвегия, Китай, Индонезия и др. способствует создание специальных государственных программ промысловых испытаний и освоения современных методов увеличения нефтеотдачи, а также экономические условия, побуждающие недропользователей активно участвовать в реализации этих программ.

К настоящему времени, благодаря такому инновационному развитию нефтедобычи, мировые доказанные извлекаемые запасы увеличились в 1.4 раза, а проектная нефтеотдача — до 50%.

В последние годы в Российских нефтяных компаниях ведется работа по подготовке промысловых испытаний термогазового метода увеличения нефтеотдачи в различных геолого-промысловых условиях, в том числе:

Методы моделирования инициирования и развития трещины гидроразрыва для разгрузки прискважинной зоны продуктивного пласта. История применения гидроразрыва как способа повышения эффективности добычи нефти и газа насчитывает более 60 лет. С механической точки зрения гидроразрыв приводит к изменению проводимости горных пород в окрестности промышленных скважин за счёт раскрытия естественных нарушений и инициации новых трещин отрыва. Для моделирования гидроразрыва необходимо описание двух взаимосвязанных процессов – развития хрупкого разрушения и течения нагнетаемой жидкости (воды, проппанта) по возникающим каналам. Данные процессы зависят от напряжённо-деформированного состояния массива (НДС). Расчёт НДС необходим как для определения условий инициации трещин гидроразрыва,  направления их распространения и протяжённости,  так и для оценки раскрытия проводящих каналов.

Ввиду сложности изменяющейся геометрии систем трещин и механической неоднородности массива для расчёта НДС необходимо привлекать современные численные методы решения граничных задач — методы конечных и граничных элементов, а также метод отдельных (distinct)  элементов. Также значительные трудности представляют задачи о течении флюида по границам блоков (слоёв) и внутри них.

Исторически моделирование гидроразрыва развивалось в направлении всё более полного учёта качественных и количественных закономерностей отмеченных выше процессов. Благодаря работам отечественных исследователей 50-х годов ХХ века [2, 4, 12] утвердились представления о влиянии  процессов хрупкого разрушения на увеличение проницаемости нефте- и газоносных пластов. Была установлена роль давления нагнетаемой жидкости как основного силового фактора, который, наряду с горным давлением, влияет на зарождение и распространение разрыва.

Существенный прогресс в области численного моделирования течений в блочных средах был достигнут благодаря применению комбинированных моделей – деформируемые блоки плюс течения, сосредоточенные по их границам. В работе [17] можно найти подробный обзор исследований в этом направлении. Были разработаны несколько программ, различающихся сложностью представления геометрии блоков и каналов.

   Многолетний опыт, накопленный в области разработки вопросов проектирования и мониторинга гидроразрыва для повышения производительности нефте- и  газоносных пластов, а также геотермальных ресурсов нашёл отражение во многих статьях и монографиях (см., например, [13-16, 18-19]).

Современные методы моделирования гидроразрыва основаны на концепции хрупкого разрушения. Она определяет условия начала распространения трещины в виде соотношения между локальным напряжённым состояния около вершины трещины и значением вязкости разрушения – одного из основных механических параметров хрупких горных пород.

Дальнейший прогресс в данной области будет связан с применением методов граничных элементов (МГЭ). Процесс построения траектории трещин (одной или семейства) требует гибких и эффективных способов представления геометрии разрывов. Следует учесть, что они в зависимости от горно-геомеханических условий могут отклоняться от первоначальной плоскости своего распространения, что приводит к сложным, в общем случае – трёхмерным конфигурациям. При этом метод граничных элементов, позволяющий ограничиться дискретизацией границы, даёт значительные преимущества по сравнению с другими подходами. Достигается существенная экономия вычислительных ресурсов и снижается трудоёмкость процессов подготовки исходных данных. При использовании пошаговых алгоритмов построения траектории трещин МГЭ обеспечивает необходимую точность вычислений.

Такой подход, реализован в программе “HydroFracture” [5-6, 20]. В ней реализован метод гиперсингулярных граничных элементов.  Численное решение основано на дискретном представлении границы в виде набора прямолинейных отрезков и дуг окружностей. Это позволяет иметь гладкую траекторию с непрерывно изменяющейся касательной. Неизвестные функции аппроксимируются внутри каждого элемента степенным или тригонометрическим полиномом второго порядка. Для кончиков трещин используются специальные концевые элементы. На них разрывы смещений представлены произведением полинома второго порядка на квадратный корень из расстояния до вершины. Такая аппроксимация для обычных и концевых элементов обеспечивает высокую точность и надежность результатов для области концентрации напряжений около конца трещины гидроразрыва.

Для определения направления продвижения трещины разработаны специальные алгоритмы, обеспечивающие высокую точность и устойчивость вычислительной процедуры. Они позволяют автоматически отслеживать траекторию трещины.

Так же реализована специальная методика, позволяющая вычислять давление прорыва и давление закрытия. Причём это возможно сделать не только для основной схемы, включающей изолированную скважину и развивающийся от неё единственный разрыв, но и для более общей, в которой присутствует любой разумный с практической точки зрения набор скважин и трещин. В этом случае давление прорыва будет соответствовать началу роста наиболее “опасной” трещины.

Моделирование гидроразрыва по программе “HydroFracture”. Моделирование гидроразрыва в условиях однородного напряжённого состояния, когда отсутствует влияние таких концентраторов, как скважины или геологические  нарушения, показывает следующее. Независимо от исходной ориентации разрыва относительно главных направлений напряжений в нетронутом массиве лишь небольшой начальный участок траектории может быть криволинейным. Далее разрыв распространяется в направлении наибольших (по модулю) сжимающих напряжений.

Аналогичная картина наблюдается и для разрыва, распространяющегося от изолированой скважины. На сравнительно небольшом расстоянии от скважины (3-5 d), которое зависит от ориентации начальной трещины, разрыв имеет криволинейную траекторию. Затем она быстро приближается к прямой, направленной вдоль наибольших (по абсолютной величине) сжимающих напряжений.

Рассмотренные варианты развития двух трещин гидроразрыва из одной скважины показали, что из двух трещин растет трещина, расположенная ближе к направлению действия наибольшего напряжения. Вторая трещина растет в случае, когда они расположены в противоположных направлениях, но вблизи от направления наибольшего напряжения.

Следует отметить, что во всех случаях роста двух трещин из одной скважины стартовое давление практически одинаково. При этом при фиксированном числе шагов нагружения длина каждой трещины будет в два раза меньше (если растут две трещины) по сравнению со случаем, когда растет одна трещина.

Рассмотрим  пример трёх трещин из одной скважины, начальные углы наклона которых составляют соответственно: 800, 2580, и 2840. Можно заметить, что первые две из них почти зеркально симметричны относительно начала координат. Для заданных исходных главных напряжений и одинаковой начальной длины всех трещин расчёт показывает, что первой стартует трещина с углом наклона 800. Далее, при этом же давлении отмечается незначительный рост двух других трещин. Затем требуется повысить давление, чтобы сначала заметно выросла вторая трещина (2580). Затем при сохранении этого давления начинается активный рост первой трещины. После чего растут первая и вторая трещины, а третья (2840)  остаётся неподвижной. Последняя  фаза развития трещин отражена на рис. 1. Такая тенденция сохраняется и в случае, когда происходит гидроразрыв одновременно в двух или трех скважинах.

Изложенный метод моделирования распространяется на случай взаимовлияния трещин гидроразрыва и разрывных нарушений. Например, начальная трещина расположена под углом 150, минимальное расстояние до нарушения составляет примерно 7 диаметров скважины, угол между ним и вертикалью составляет 300. Разрыв считается гладким (нулевые касательные усилия). В нормальном направлении задан нулевой разрыв смещений.

Видно, что уже на начальной стадии развития трещины расположенной под углом 150  (рис. 2) различие в траекториях без нарушения весьма существенно. Дальнейший рост трещины гидроразрыва приводит к практически полному совпадению с направлением падения нарушения.

Технология щелевой разгрузки прискважинной зоны продуктивного пласта. Основой технологии щелевой разгрузки прискважинной зоны продуктивного пласта является возможность управления напряженным состоянием в прискважинной зоне [1, 9-11]. Геометрия каждой щели определяется в зависимости от геологических условий и напряжений нетронутого состояния. Ширина каждой щели соизмерима с диаметром скважины, глубина – 7-10 диаметров скважины. Создание щелей приводит к перераспределению напряжений, а именно – к трансформации сжимающих сил в растягивающие, вследствие чего поры в породе продуктивного пласта в прискважинной зоне раскрываются и проницаемость продуктивного пласта увеличивается.

Для проведения ЩРП разработано, изготовлено и апробировано в промышленных условиях специальное оборудование и технология резки разгружающих щелей. Опытно-промышленная проверка показала высокую эффективность способа. Технологию ЩРП можно применять как для реновации сухих скважин, так и сразу после эксплуатационного бурения, не делая перфорации. При этом технология ЩРП свободна от ряда ограничений, предъявляемых к скважинам под ГРП.

Технология ЩРП обеспечивает:

—  увеличение коэффициента проницаемости пласта за счёт изменения величины и направления касательных напряжений в прискважинной зоне;

—  увеличение коэффициента гидродинамического совершенства скважины за счет создания щелей в прискважинной зоне;

—  увеличение производительности скважин;

—  продолжительность эффекта от щелевой разгрузки пласта.

Технология ЩРП эффективно использовалась на месторождениях в России (Удмуртнефть, Оренбурггаздобыча, Пермьнефть, Обьнефтегазгеология, Самаранефтегаз, Лянторнефть) и за рубежом в КНР (Манчжурия), Йемене (Западный и Восточный Аяд), США (Канзас, Калифорния).

Например, авторами [17] произведена выборка 115 скважин, обработанных по технологии ЩРП ВНИМИ и ОАО “ВНИИТ-Нефть” на различных месторождениях, где были зафиксировано увеличение дебита скважин и дополнительная добыча нефти. По этой выборке установлено, что продолжительность действия эффекта обработки находилась в пределах от 17.1 месяца до 118.6 месяцев при кратности увеличения дебита от 1.7 до 40.0.

Расчет зон эффективной проницаемости в прискважинной зоне продуктивного пласта. Опытно-промышленная проверка показала высокую эффективность способа щелевой разгрузки прискважинной зоны продуктивного пласта [1, 3, 9-11]. Мы считаем, что этот эффект можно усилить за счет создания двух  круговых щелей в плане над и под призабойной зоной пласта. По программе Suit3d [7-8] были проведены расчеты напряженного состояния прискважинной зоны при различных значениях высоты между щелями. Например, если по технологии щелевой разгрузки создать две круговых щели диаметром 6 м, то при расстоянии между ними 10 м создается разгруженная зона в пределах этих щелей на высоту 10 м (рис. 3).

При расстоянии между щелями 20 м создается разгруженная зона в пределах этих щелей на высоту 20 м (рис. 4).

Следовательно, наиболее эффективной технологией будет комбинация способа щелевой разгрузки прискважинной зоны продуктивного пласта и гидроразрыва пласта после снижения эффективности нефтедобычи первым способом.

Литература

  1. А.с. 501146 (СССР). Способ увеличения проницаемости продуктивных пластов. /И.М. Петухов, Л.М. Марморштейн, В.С. Сидоров, О.Д. Казанцев. – 1976. Бюл. № 4.
  2. Баренблатт Г.И. О некоторых задачах теории упругости, возникающих при исследовании механизма гидравлического разрыва нефтеносного пласта. ПММ, т. ХХ, вып. 4, 1956.
  3. Веселков В.Н., Гребенников В.Т. Прогнозная оценка эффективности щелевой разгрузки нефтяных пластов. Рациональное освоение недр. № 2. 2012. стр. 48-51.
  4. Желтов Ю.П. Механика нефтегазоносного пласта. М., Недра, 1975.
  5. Зубков В.В., Кошелев В.Ф., Линьков А. М. Численное моделирование инициирования и роста трещин гидроразрыва. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, ФТПРПИ, 2007,  № 1, 45-63.
  6. Зубков В.В., Линьков А.М., Кошелев В.Ф., Доброскок А.А. Программа моделирования образования и развития трещин гидроразрыва в горных породах (HydroFracture). Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ № 2006613911 от 15.11.2006 г. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
  7. Зубков В.В., Зубкова И.А. Программа расчета напряженного состояния горных пород около очистных выработок произвольной формы в плане (SUIT3D). РосАПО, Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 960012 от 10.01.1996.
  8. Зубков В.В. Математическое моделирование геомеханических процессов. Справочное пособие. Palmarium Academic Publishing, Germany. 2014. — 189 с.
  9. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Интенсификация добычи вязкой нефти из карбонатных коллекторов. Самарское книжное изд-во, 1996.
  10. Методические указания по щелевой разгрузке прискважинной зоны. Под редакцией И.М. Петухова, Л.М. Марморштейна. ВНИМИ. 1987.
  11. Петухов И.М. Управление напряженным состоянием пластов нефти, газа и пород способом “щелевой разгрузки”. Сборник, С.- Петербург, ВНИМИ, 2007.
  12. Христианович С.А. Исследования механизма гидравлического разрыва пласта. Труды института геологии и разработки горючих ископаемых АН СССР, т. II, 1960.
  13. Gidley J.L. et al. Recent advances in hydraulic fracturing. SPE monograph 2, 1989, 79-209.
  14. Guo F., Morgenstern J.R., Scott J.D. Interpretation of hydraulic fracturing breakdown pressure. Int. J. Rock Mech., v.30, 1993, No.6, 617-626.
  15. Haimson B.C., Fairhurst C. Initiation and extension of hydraulic fractures in rocks. Soc. Petrol. Eng. J., 7, 1967, 310-318.
  16. Hossain M.M. et al. Hydraulic fracture initiation and propagation: roles of wellbore trajectory, perforation and stress regimes. J. Petrol Eng. 27, 2000, 129-149.
  17. Pine R.J., Nicol D.A.C. Analytical and Numerical Modeling of High Pressure Fluid-Rock Mechanical Interaction in HDR Geothermal Energy Reservoirs. In Comprehensive Rock Engineering: Principles, practice&projects. J.Hudson (ed.), v.5, 1993, 523-546.
  18. Rahman M.M. et al. An integrated model multiobjective design optimization of hydraulic fracturing. J. Petrol. Eng. 31, 2001, 41-62.
  19. Raymond L. et al. Improving Results of Coalbed Methane Development Strategies by Integrating Geomechanics and Hydraulic Fracturing Technologies. SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, 8-10 October, Melbourne, Australia. 2002.
  20. Zubkov V.V., Koshelev V.F., Linkov A.M. Numerical modeling of hydraulic fracture initiation and development. Journal of Mining Science, 2007, v. 43, No 1, 40-56.[schema type=»book» name=»Формирование зон эффективной нефтеотдачи в прискваженной зоне» description=»В статье представлен анализ методов и результаты численных экспериментов по выявлению зон повышенной нефтеотдачи в прискважинной зоне. » author=»Зубков Виктор Васильевич, Зубкова Ирина Александровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-28″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]

404: Not Found404: Not Found