Введение
Во время бурения горизонтальных и наклонно-
направленных скважин зачастую возникают проблемы с устойчивостью ствола скважины и поглощениями бурового раствора. На возникновение осложнений влияют не только технологические факторы, но и геологические особенности месторождений. Важным инструментом прогноза осложнений при бурении скважин является геомеханическое моделирование. Актуальность работы связана с тем, что роль геомеханического моделирования является ключевой для прогноза и минимизации аварий при строительстве скважин в сложных горно-геологических условиях. Общие подходы к геомеханическому моделированию описаны в работах российских и зарубежных авторов [1–3].
В данной работе, на примере одного из месторождений Республики Коми, установлена зависимость возникновения осложнений с пересечением тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости в процессе строительства скважин. Для целей минимизации осложнений проведены работы по построению 3D геомеханической модели месторождения, расчету устойчивости и оптимизации траекторий проектных скважин.
Границы 3D геомеханической модели
Границы 3D геомеханического моделирования составили 20,3 км х 12,9 км (общая площадь 262 км2). Количество ячеек достигает 14,5 млн. На рис. 1 представлена схема расположения проектных кустов скважин с нанесением границы 3D геомеханического моделирования и линий разломов.
Построение структурного каркаса
Построение структурного каркаса производится на основе структурных поверхностей и тектонических нарушений, полученных в результате интерпретации данных 3D сейсморазведки. Осуществлена увязка структурных карт и стратиграфических разбивок, полученные по результатам бурения и интерпретации данных ГИС в период 2020-2022 гг.
Масштабирование и распространение упруго-прочностных свойств в межскважинное пространство
Распространение упруго-прочностных свойств в межскважинное пространство было осуществлено с использованием метода геостатистики – вариограммный кригинг. В качестве исходных данных использованы данные ГИС по 39 пробуренным скважинам, лабораторно-аналитические исследования керна и результат акустической инверсии.
На начальном этапе для того, чтобы рассчитать кубы упруго-прочностных свойств по формулам, полученным в ходе поиска зависимостей керн-ГИС, необходимо выполнить расчет кубов скоростей и плотности, так как динамические упруго-прочностные свойства рассчитываются исходя из данных о скоростях и плотности по следующим формулам:
Динамический Модуль Юнга:
(1)
Динамический коэффициент Пуассона:
(2)
где Vp, Vs – скорости продольной и поперечной волны, соответственно, м/с.
Упругие свойства, вычисленные с помощью каротажных кривых, называют динамическими, потому что акустические измерения проводятся на высоких частотах. Так как деформации ствола скважины или его разрушение являются относительно медленными процессами, по сравнению с высокой частотой распространения волны, для перехода к статическим свойствам и в качестве калибровочных данных для геомеханического анализа использовались лабораторные испытания упруго-прочностных свойств керна (разрушающими методами).
Итоговые кубы скоростей Vp, Vs, коэффициента Пуассона, модуля Юнга и предела прочности на сжатие представлены на рис. 2.
Расчет порового давления
Расчет порового давления по данным геофизических исследований скважин является важным этапом перед построением 3D геомеханической модели, поскольку поровое давление оказывает влияние на прочность горных пород, имеет тесную связь с величиной действующих напряжений и является ограничителем веса бурового раствора.
Расчет куба пластового давления выполнен с учетом замеров пластового давления, проводившихся в скважинах. Давление рассчитывалось, исходя из предположения о единой гидродинамической системе пластов, при этом ключевую роль играл структурный фактор.
Определение направлений горизонтальных напряжений
Ориентация горизонтальных напряжений при построении 3D геомеханической модели позволяет оценить основные направления потенциальных обрушений, а также направление оптимального азимута бурения с точки зрения стабильности ствола скважины, в особенности, при бурении наклонных или горизонтальных скважин.
В ходе сбора, анализа и аудита специального комплекса ГИС, а именно, результатов интерпретации электрических микросканеров по ориентации техногенных трещин и вывалов в стволе скважины был определен вектор действия минимального горизонтального напряжения, равный 45 °.
Численное 3D геомеханическое моделирование
Методика основана на нагружении ячеек модели вертикальным напряжением (рассчитанным, исходя из веса каждой вышележащей ячейки) и региональными горизонтальными напряжениями посредством применения деформаций на границах модели. Каждая нагружаемая ячейка содержит упруго-прочностные свойства, а процесс ее деформации определен, исходя из действующего напряженного состояния окружающих ячеек. Таким образом, геомеханическая модель представляет собой единую связанную систему.
В результате вычислений методом конечных элементов были определены все компоненты действующего тензора напряжений для каждой ячейки 3D геомеханической модели и учтена сеть тектонических нарушений триасового периода. Результат расчета устойчивости стволов проектных скважин представлен на рис. 3.
Заключение
Преимуществом 3D геомеханического моделирования является выполнение оперативного расчета устойчивости вдоль любой траектории с учетом структурной неопределенности и влияния тектонических нарушений на напряженно-деформированное состояние среды, соответственно, на безопасное окно плотности бурового раствора.
На примере одного из месторождений Республики Коми продемонстрирована эффективность применения 3D геомеханического моделирования. Результат научно-технической разработки позволил:
1. Значительно ускорить выполнение расчетов устойчивости стволов скважин с учетом геологической неоднородности и тектонической активности среды.
2. Оценить риски при строительстве скважин в сложных горно-геологических условиях, определить безопасное окно плотности бурового раствора в зонах повышенной трещиноватости.
3. Выявить сеть тектонических нарушений, которые необходимо учитывать при проектировании скважин с учетом вероятных осложнений (поглощения, стабильность стволов скважин и др.).
4. Для горизонтальных и наклонно-направленных скважин с наиболее высокими рисками возникновения осложнений в процессе бурения выполнена оптимизация траектории. В интервалах повышенных градиентов обрушений скважин снижена интенсивность набора кривизны и определен критический угол наклона скважины.
