Гидроразрыв пласта
Программа числового расчета задачи моделирования гидроразрыва пласта нефтяных и газовых месторождений
Гидроразрыв пласта на сегодня является наиболее эффективным методом повышения нефтеотдачи. Этот метод с успехом может использоваться для реанимации бездействующих и высоко обводненных скважин и возвращение их в рабочие состояние, а также при добыче высоковязкой нефти, природных битумов, сланцевой нефти и газа. Извлекаемые запасы сланцевой нефти оцениваются в 26 трлн.т. – это в десятки раз больше существующих разведанных запасов нефти. Широкое применение ГРП позволит США ближайшие годы не только полностью отказаться от импорта углеводородного топлива, но и стать лидером по ее добычи.
ГРП для каждой скважины и месторождения является индивидуальным процессом.
Для получения экономически эффективной добычи углеводородов необходимо достаточно точно определить не только местоположение трещины ГРП, но и ее геометрические характеристики с учетом вероятных коридоров развития трещин внутри пласта и присутствия близлежащих водных толщ.
В основе ГРП является механический метод воздействия на низко проницаемый, слабо дренируемый, неоднородный продуктивный пласт энергии давления, создаваемой закачиваемой в пласт жидкостью разрыва. В закачиваемую жидкость добавляется песок, проппант и др. материалы, назначение которых удерживать созданную трещину в раскрытом состоянии после сброса давления жидкости.
В настоящее время для определения параметров трещины на начальном этапе работ по проведению ГРП применяется метод моделирования по давлению с использованием аналитических формул механики разрушения. В качестве исходных данных служат характеристики породы коллектора, получаемые при испытаниях керна, а также самой жидкости разрыва. Расчетные и реально полученные после ГРП величины трещин, сравниваются с помощью обработки большого объема данных обязательных геофизических исследований. По результатам этих исследований методика постоянно совершенствуется. Увеличение дебета скважины не означает фактор успешного проведенного ГРП. К сожалению, операторы довольствуются увеличением дебита скважины, а не решением нахождения наиболее оптимального экономически эффективного дебита. Эта методика не является достаточно полной для анализа и не позволяют точно дать пространственное и геометрическое 3D положение трещин в коллекторе, рассчитать необходимые оптимальные давления и объемы жидкости с учетом допустимых прочностных характеристик скважины и влияния температуры при проведении ГРП.
Предлагаем нефтегазодобывающим и сервисным компаниям программный продукт числово решения задачи «Моделирование гидроразрыва пласта нефтяных и газовых месторождений», а также оказание помощи в проведение этих расчетов по этой программе. Программа числового решения задачи по моделированию ГРП основана на решение задач механики разрушения средствами программного комплекса, использующего метод конечных элементов и достаточно известные в практической деятельности критериев разрушения. Методика выполнена в форме записанного на языке параметрического программирования макроса для решения задач по определения 3D параметров трещин, воздействием давления жидкой среды через скважину на коллектор забоя. Предлагаемая программа позволяет получить полный объем параметров различных вариантов ГРП с учетом наличия развитых трещин внутри пласта и присутствия близлежащих водных толщ. Предлагаемая методика позволяет в кратчайшие сроки определить наиболее оптимальную форму (дизайн) ГРП при различной конфигурации скважин, включая горизонтальные и множественно разветвленные, рассчитать необходимые объемы жидкости и давления с учетом прочностных характеристик имеющейся или вновь строящейся скважины и температуры. Методика позволяет существенно сократить время на реанимацию бездействующего фонда скважин. Преимуществами метода являются: сокращение сроков работ по подготовке скважины к эксплуатации, значительное увеличение продуктивности (нефтеотдачи) пласта, экономия финансовых ресурсов и времени.
Нефтяная и сервисная компания, перед принятием решения по строительству ГРП, должна решить, какой она видит наиболее экономически оптимальный дебит скважины своего месторождения?
Для проведения расчетов различной конфигурации (дизайна) ГРП нашими специалистами заказчик должен представить: структурную карту продуктивного пласта; карты строения кристаллического фундамента и осадочных пород по данным грави-магниторазведки; карты фундамента, составленные по результатам 3D сейсморазведки, с выявленными тектоническими нарушениями; физические характеристики породы в пластах, непосредственной окрестности существующей и дополнительных новых скважин; количество, расположение, проводка и протяженность участков стволов дополнительных скважин в продуктивном пласте; характеристики обсадной трубы с цементным кольцом основной и дополнительных скважин и др. данные.
Расчетная модель может включать участок размером 5х5 км и в глубину до 1 и более километров. Создаваемая детальная модель, включает помимо пластов горных пород еще и обсадную трубу с цементным кольцом. Определяется реальная (вероятно, искривленная) геометрия трубы и действующие в ней напряжения (для проверки возможности пластических деформаций). Давление жидкости - постоянная величина по длине обсадной трубы.
На первоначальном этапе проводится линейный расчет модели от действия собственного веса при изменяющихся с глубиной свойствах материалов (в зависимости от действующего давления), с записью перемещений узлов в окрестности скважины (например, на поверхности цилиндра радиусом не менее чем в три радиуса ожидаемой трещины ГРП и высотой на 100м ниже точки гидроразрыва).
Расчеты повторяются в квазидвумерной (с 1-2 элементами по толщине пласта) при использовании в пласте физически нелинейных элементов, позволяющих оценить примерное направление развития трещин и верифицированных нами при практических расчетах железобетона.
Расчеты в трехмерной постановке повторяются с учетом возможности удаления разрушенных элементов и поэтапным приложением давления к берегам образующейся трещины, для оценки ее возможной длины и высоты.
Решается стационарная задача гидродинамики для вычисленной на этапе 1 уточненной геометрии скважины при заданной длине трещины, в предположении ее вертикального развития на всю высоту пласта. Характеристики жидкости (вязкость, плотность) предполагаются постоянными. Расчеты давлений на трубу и на стенки трещины проводятся при различных длинах трещины (например, от 1 до 100 м через 1 м) и при различных ее высотах (1-6 м). Ширина трещины принимается постоянной в диапазоне 1-20 мм (влияние ширины на результаты также может быть учтено). В процессе измеряется ГРП. С данными значениями производится сверка качественной и количественной картины изменения расхода жидкости на входе. Обеспечивается адекватность изменения расхода.
Модель этапа 1 дополняется возможностью развития трещин в четырех боковых перпендикулярных направлениях (согласно перфорации). Разрыв фиксируется при достижении заданных растягивающих напряжений в породе месторождения (их свойства на этом этапе принимаются физически линейными). При обнаружении разрыва, на следующем шаге расчета к берегам трещины прикладываются давления, соответствующие актуальным размерам трещины.
Расчеты повторяются (при необходимости) при уточненной (этап 1) геометрии трубы и с учетом обнаруженной ширины раскрытия трещины. Модель корректируется для лучшего воспроизведения процесса. Механические свойства назначаются с учетом действующих в пласте напряжений.
Расчеты проводятся в физически линейной и нелинейной постановках. Подбираются линеаризованные характеристики породы месторождения, обеспечивающие максимальную эквивалентность нелинейному поведению.
Наши специалисты могут квалифицированно оказать помощь в проведении расчетов требуемой геометрии ГРП и необходимых для ее создания физических параметров нагрузки, что существенно сэкономит время и деньги.