Введение
Оценка механических свойств пород-коллекторов и покрышек, величин напряжений в пластовых условиях, а также– определение направления максимального и минимального горизонтального стресса в горных породах, бесспорно, являются важными задачами по многим причинам. Среди важнейших причин можно выделить:
– проектирование оптимальной траектории и конструкции скважин;
– конструкция и устойчивость ствола при бурении скважин;
– планирование и оптимизация программы ГРП;
– мероприятия по поддержанию пластового давления;
– проектирование безопасных хранилищ газа;
– проектирование подземных резервуаров для утилизации СО2 и т.д.
Чаще всего на практике оценку механических свойств и профиля напряжений (из которых наиболее значимым с прикладной точки зрения является минимальное горизонтальное напряжение, σh) выполняют по результатам обработки данных ГИС, главным образом – плотностного (ГГКп) и широкополосного акустического каротажа (АКШ), либо кросс-дипольного (АКШ-КД). Несмотря на то, что данные ГИС получены непосредственно в пластовых условиях, результаты расчетов необходимо калибровать на прямые измерения свойств в пластовых условиях. Чаще всего выполняют калибровку на результаты специальных исследований керна, полученные при моделировании пластовых условий.
Безусловно, такой подход, как правило, дает хорошие результаты (при безукоризненном выполнении всех процедур пробоподготовки и аккуратном проведении экспериментов на образцах керна с обязательным и точным моделированием пластовых условий). Однако, проведение специальных керновых исследований занимает значительное время, кроме того, зачастую керном могут быть не охарактеризованы некоторые из объектов разведки/разработки, а также – покрышки пластов-коллекторов.
Альтернативными способами получения информации о величине стресса в пластовых условиях могут быть фактические измерения, проводимые как в обсаженном, так и в открытом стволе скважин. В обсаженном стволе непосредственно перед проведением основного гидроразрыва пласта (ГРП) как правило проводятся короткие нагнетательные тесты (мини-ГРП), позволяющие получить ряд параметров необходимых для корректировки основной программы ГРП, в том числе и величину давления смыкания инициированной трещины при мини-ГРП, которое в свою очередь эквивалентно минимальному горизонтальному напряжению. Однако, если стимуляция скважины в обсаженном стволе не запланирована или же существует необходимость в ускоренном получении фактических данных о величине стресса, то в открытом стволе скважин на этапе бурения возможно проведение расширенного теста на утечку (XLOT – extended leak-off test) или же так называемых стресс-тестов (микро-ГРП) с помощью испытателей пластов на кабеле (ИПК).
Тесты XLOT проводятся буровым оборудованием перед началом бурения новой секции в небольшом интервале открытого ствола скважины непосредственно под башмаком колонны, что соответственно позволяет получить единичное измерение величины минимального горизонтального напряжения лишь для вскрытого участка горной породы. В свою же очередь современные комплексы ИПК за одну спускоподъемную операцию оборудования в скважину (СПО) позволяют провести серию поинтервальных стресс-тестов в открытом стволе, тем самым получить ряд измерений минимального горизонтального напряжения по стволу скважины и, соответственно, в значительной степени повысить точность калибровки расчетного профиля напряжений.
Описание технологии проведения стресс-тестов (микро-ГРП) комплексами ИПК
Современные высокоэффективные комплексы ИПК благодаря своей модульной конструкции позволяют решать различные геологические задачи [1, 2]. При этом, широко распространенные гидродинамические исследования (ГДИС) комплексами ИПК, такие как гидродинамический каротаж (ГДК) и поинтервальные опробования пластов (ОПК) с оценкой характера притока пластового флюида и отбора кондиционных глубинных проб, возможно выполнить совместно со стресс-тестами (микро-ГРП) за одну СПО компоновки пластоиспытателя в скважине. Компоновка приборов для проведения стресс-тестов в открытом стволе скважин включает в себя двупакернную и/или однопакерную систему, глубинный насос, а также контролируемый выкидной порт, но не ограничена ими. Двупакерные системы оснащаются пакерными элементами повышенной прочности, выдерживающими высокие дифференциальные давления (до 410 атм.). Под дифференциальным давлением подразумевается относительное давление, создаваемое над давлением гидростатического столба бурового раствора на глубине исследований. В то время как для однопакерных систем используются специальные пакерные элементы сверхвысокой прочности, выдерживающие диф. давления до 700 атм. [3]. Для непрерывной регистрации давления и температуры в межпакерном интервале, обе системы имеют интегрированные манометры – кварцевый высокого разрешения и точности, и тензометрический.
При проведении микро-ГРП с помощью двупакерной системы в проницаемых породах-коллекторах, как правило, однометровый интервал скважины изолируется с помощью двух надувных пакерных элементов. После чего в межпакерный интервал с помощью глубинного насоса нагнетается буровой раствор, забираемый из ствола скважины (либо при необходимости, используется рабочая жидкость, отбираемая из емкостей в компоновке приборов ИПК). При этом в межпакерном интервале давление повышается до достижения давления гидроразрыва пласта или же до максимального рабочего давления системы (этап 1 на правом графике рис. 1). Нагнетание бурового раствора продолжается в течение некоторого времени для распространения трещины глубже в горную породу и преодоления зоны подверженной влиянию бурения скважины (этап 2 на рис. 1). Далее глубинный насос останавливается и в межпакерном интервале регистрируется кривая падения давления (КПД) за счет естественной фильтрации флюида в пласт из межпакерного интервала и из тела трещины (этап 3 на рис. 1). Интерпретация данных КПД для определения давления смыкания трещины (минимального горизонтального напряжения), проводится с помощью широко распространенных в индустрии методов анализа графиков производной G-функции и квадратного корня из времени (SQRT) [4]. Для повышения точности измерения проводится несколько циклов нагнетания бурового раствора в межпакерный интервал и регистрации КПД, для повторных замеров давления открытия, распространения и закрытия трещины (этап 4 на рис. 1). Трещины микро-ГРП, как правило, имеют относительно небольшие размеры, их полудлина составляет от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. При этом закачиваемый объем флюида в межпакерный интервал и трещину при каждом цикле нагнетания-регистрации КПД обычно составляет от 3 до 10 литров.
В низкопроницаемых и непроницаемых породах (покрышках, глинистых перемычках и т.д.) интенсивность естественной фильтрации в пласт может быть низкой или же вовсе отсутствовать, что может в значительной степени увеличить время регистрации КПД, необходимого для достижения давления в межпакерном интервале ниже величин давления закрытия трещины. В связи с этим при проведении стресс-тестов в таких породах прибегают к принудительному контролируемому стравливанию давления в межпакерном интервале c помощью специальных емкостей со штуцерным клапаном (Forced Closure flowback) [5] или же используют дополнительные методики по определению давления закрытия трещины. Несмотря на то, что при проведении рассматриваемых в данной работе исследований были испытаны лишь интервалы коллекторов, в работе также приводится пример испытания глинистой перемычки, в ходе которого были применены методики испытания со ступенчатым изменением скорости нагнетания (Step-rate тест) и метод испытания на мгновенный отскок (Slamback-rebound тест).
Испытания со ступенчатым изменением скорости нагнетания (Step-rate тест) включают в себя ступенчатое увеличение скорости закачки флюида в пласт с регистрацией давления распространения трещины (рис. 5). Далее строится график зависимости стабилизировавшегося давления распространения трещины на каждой ступени нагнетания от величины скорости нагнетания флюида глубинным насосом. На получаемом графике, как правило, прослеживается линейный характер зависимости, а величина оцениваемого давления закрытия трещины будет соответствовать значению точки пересечения полученной зависимости с осью ординат - осью давления распространения трещины.
Испытания на мгновенный отскок (Slamback-rebound тест) заключается в мгновенном отводе небольшого объема флюида из межпакерного интервала через контролируемый выкидной порт в компоновке приборов, что приводит к резкому падению давления в межпакерном пространстве и, соответственно, закрытию трещины лишь непосредственно на стенке скважины. В отдалении же от прискважинной зоны трещина остается в раскрытом состоянии, так как все еще поддерживается большей частью объема флюида, закаченного в нее ранее (рис.2 и рис. 5). Виду того, что давление флюида в трещине выше чем давление закрытия трещины и при этом превышает давление в межпакерном интервале, флюид из трещины стремясь уровнять давление в системе трещина-межпакерный интервал, повторно раскрывает трещину на стенке скважины и перетекает в межпакерный интервал до уравнивания давления в системе, что приводит к повышению давления в межпакерном интервале (регистрируется отскок давления, так называемый rebound эффект). Если объем отведенного флюида в начале теста был небольшим, то давление отскока стабилизируется на величине, незначительно превышающей давление закрытия трещины, что будет представлять верхний предел давления смыкания трещины. Трещина при этом останется открытой, но ее ширина уменьшится относительно начального размера. Однако, если отводимый объем был больше объема флюида, вмещаемого трещиной, то трещина сомкнется до того, как произойдет полное восстановление давления в межпакерном интервале.
В таком случае величина давления отскока будет представлять нижнюю границу давления смыкания трещины. Качество и информативность данной методики зависит от отбираемого в начале теста объема, то есть, зависит от синхронизации в управлении запорных клапанов межпакерного интервала и контролируемого выкидного порта.
Аналогично, как и для стресс-теста в проницаемых породах, при проведении исследований в непроницаемых породах в одном и том же интервале рекомендуется проведение нескольких тестов на отскок и ступенчатого нагнетания для повышения точности оцениваемых параметров трещины микро-ГРП.
При проведении стресс-тестов в горных породах с высокими градиентами ГРП могут возникать сложности в достижении давления гидроразрыва пласта стандартной двупакерной системой. В таком случае для повышения информативности исследований рекомендуется проводить микро-ГРП с помощью комбинации в одной компоновке приборов двупакерной и однопакерной систем. При проведении исследований по такому сценарию, в целевых интервалах исследования, в первую очередь, устанавливается однопакерная система с элементом сверхвысокой прочности (максимальное диф. давление системы до 700 атм., что значительно превышает характеристики элементов двупакерных систем). При этом буровой раствор (или рабочая жидкость) с помощью глубинного насоса нагнетается внутрь пакера до момента механического разрушения горной породы телом пакерного элемента или же достижения максимального допустимого рабочего давления системы. Момент инициации механической трещины определяется путем построения и анализа графика зависимости давления нагнетаемого флюида от величины закачанного в пакер объема. Изменение кривизны полученной зависимости характеризует момент инициации механической трещины на стенке скважины. После этого однопакерная система сдувается и интервал с инициированной трещиной изолируется с помощью двупакерной системы, для проведения нескольких циклов нагнетания-регистрации КПД с целью оценки давления раскрытия, распространения и смыкания трещины.
Помимо оценки величины минимального горизонтального напряжения путем проведения стресс-тестов, регистрация микроимиджера до и после микро-ГРП позволяет также оценить направление стресса в исследуемых горных породах по азимуту расположения инициированной трещины на стенке скважины.
Пример калибровки расчетного профиля минимального горизонтального напряжения по результатам стресс-
тестов комплексом ИПК
Для выполнения расчета динамических механических свойств и профиля магнитуды σh необходимо чтобы в состав выполняемого комплекса ГИС были включены, помимо стандартных методов электрометрии и радиометрии, методы АКШ (а лучше – АКШ-КД) и ГГКп.
На рис. 3 приведены результаты обработки и интерпретации данных расширенного комплекса ГИС, зарегистрированного в интервале карбонатных пород отложений венда-нижнего кембрия одного из месторождений, находящихся в пределах Непско-Ботуобинской антеклизы (Лено-Тунгусская НГП). Как видно на треке 3, коллектора представлены доломитами, реже – доломитами известковистыми с признаками засолонения (ангидритизации/галитизации). При этом коллекторы пласта 2 имеют более низкую пористость, чем коллекторы пласта 1. На треке 4 приведены результаты оценки скоростных характеристик пород: интервальные времена продольной (DTp) и поперечной (DTs) волн. Объемная плотность пород, полученная по данным ГГКп, приведена на треке 1. На треке 5 приведены результаты расчета динамических механических свойств пород (коэффициент Пуассона, модуль Юнга, сдвига и всестороннего сжатия), полученные по данным АКШ-КД и ГГКп с применением стандартных уравнений. На треке 6 приведен расчет пластового давления гидростатическим способом в сопоставлении с прямыми измерениями пластовых давлений с помощью ИПК. На этом же треке приведены результаты оценки состава притока по данным ОПК: красным, зеленым и синим цветами представлены доли газа, нефти и воды в притоке при опробовании интервалов испытаний.
Для расчета профиля магнитуды σh по данным ГИС в практике наиболее часто используется пороупругая модель [6]. Модель описывает деформацию в условиях изотропной пороупругой плоско-параллельной среды с помощью соотношения модуля Юнга, коэффициента Пуассона, вертикального напряжения (литостатического давления), пластового (порового) давления, константы Био, а также – тектонических деформаций εh и εH, действующих в направлении минимального и максимального горизонтального напряжений соответственно:
где: ν – коэффициент Пуассона, σV – вертикальное напряжение (литостатическое давление), Pп – поровое давление, E – Модуль Юнга, α – постоянная Био, εh и εH–тектонические деформации, действующие в направлениях минимального и максимального горизонтального напряжений соответственно.
На треке 7 приведен результат расчета профиля магнитуды σh, полученный с использованием пороупругой модели со стандартными значениями постоянной Био, εh и εH. Как видно, при сопоставлении с результатами прямых измерений, полученных с помощью ИПК, необходимо проведение калибровки расчета как поровых давлений, так и профиля магнитуды σh.
На треке 9 приведены результаты расчета σh, полученные после калибровки на результаты прямых измерений давлений закрытия трещин микро-ГРП, полученные по данным ИПК. Для выполнения калибровки сначала была выполнена коррекция расчета поровых давлений (трек 8) с тем, чтобы результаты расчета, в среднем, соответствовали измерениям пластовых давлений, полученных с помощью ИПК во всем исследуемом интервале. После этого была выполнена итеративная настройка коэффициентов Био, εh и εH до получения соответствия расчетного профиля магнитуды σh результатам стресс-тестов, полученных на четырех точках глубин с помощью ИПК.
Интересно отметить, что на весь интервал исследований применены одни и те же фиксированные значения коэффициентов. Таким образом, выполненная калибровка расчета σh позволяет получать достоверные оценки магнитуды минимального горизонтального напряжения с приемлемой достоверностью, как для коллекторов пласта 1 (ХХ53 м), так и пласта 2 (ХХ91, ХХ92, ХХ94м), коллектора которого отличаются как по ФЕС, так и по механическим свойствам от вышележащего пласта.
При наличии в интервале исследований, подтверждающих существенную анизотропию механических свойств пород (обычно она характеризуется моделью трансверсально-изотропной среды с вертикальной осью симметрии), присущую тонкослоистым коллекторам и прослоям глин, целесообразно использовать анизотропную пороупругую модель, описанную в работе [7].
Следует отметить, что для описываемой работы стресс-тесты с помощью комплекса ИПК были выполнены совместно с исследованиями ГДК-ОПК за одну спускоподъемную операцию компоновки приборов в скважину, что позволяет оптимизировать проводимые в скважине исследования. Для проведения стресс-тестов в рассматриваемой работе использовалась двупакерная система оснащенная пакерными элементами повышенной прочности. Во время исследований всего было выполнено 7 стресс-тестов на различных глубинах, 4 из которых оказались успешными с получением качественных замеров давления закрытия инициированных в интервалах испытаний трещин микро-ГРП. Далее приводится одно из испытаний, проведенное в породе-коллекторе (рис.4), а также в качестве примера приводится стресс-тест в непроницаемой глинистой перемычке (рис. 5).
Для испытания в породе-коллекторе характерно наличие естественной фильтрации флюида из межпакерного интервала и трещины в породу, что позволяет использовать стандартные методики интерпретации данных КПД, полученных после каждого цикла нагнетания. Так, в примере, изображенном на рис. 4, после установки пакерных элементов для изоляции интервала испытания, был инициирован цикл закачки бурового раствора в межпакерный интервал (15 мин. исследования), при этом давление микро-ГРП было достигнуто на 23 мин испытания (характерное резкое падение давления со стабилизацией выше давления в стволе скважины до начала испытания). После инициации трещины микро-ГРП было проведено 4 цикла нагнетания раствора в межпакерный интервал, для раскрытия и распространения трещины в пласт, с последующей регистрацией КПД для оценки давления закрытия трещины для каждого из циклов. Объем нагнетания при каждом цикле составлял от 3 до 5 л флюида, в свою очередь, длительность и момент завершения КПД определялся в реальном времени на основании оперативной интерпретации получаемых данных – после получения достоверной оценки давления закрытия трещины микро-ГРП по графикам SQRT и G-функции инициировался следующий цикл нагнетания. В ходе оперативной и далее финальной интерпретации данных полученных при 4 циклах нагнетания-КПД с достаточно хорошей степенью точности было установлено давление закрытия инициированной трещины. Вариация полученного давления закрытия (минимального горизонтального напряжения) по всем 4 циклам и двум методам интерпретации не превышала 5–6 атм.
В свою очередь для испытания в непроницаемых породах (глинистых перемычках, покрышках и т.д.), характерно отсутствие/крайне-низкая естественная фильтрация флюида из межпакерного интервала и трещины в пласт. Соответственно регистрация КПД до получения выраженных признаков закрытия инициированной трещины микро-ГРП может занять длительное время, что снизит эффективность проводимых исследований. Для этого в приведенном примере испытания в глинистой перемычке были применены методики испытания со ступенчатым изменением скорости нагнетания (Step-rate тест) и метод испытания на мгновенный отскок (Slamback-rebound тест). На представленном на рис. 5 примере, после установки пакерных элементов на глубине испытания, был инициирован цикл нагнетания бурового раствора в межпакерный интервал (30 мин. испытания). После достижения давления микро-ГРП (35 мин.) закачка флюида была продолжена на протяжении ~10 мин. (объема ~5 л) с последующей остановкой глубинного насоса и регистрацией КПД. Однако при КПД было отмечено, что давление в межпакерном интервале снижается крайне медленно, т.е. естественная фильтрация в пласт из трещины и изолированного интервала практически отсутствуют. В связи с этим на первом цикле нагнетания был применен метод Step-rate тест. Скорость нагнетания ступенчато повышалась, а время нагнетания на каждой ступени диктовалось стабилизацией давления нагнетания (т.е. давления распространения трещины в пласт). Таким образом был получен массив данных давления распространения трещины в зависимости от скорости нагнетания, по которому был построен соответствующий график. При этом полученное давление пересечения построенной зависимости с осью ординат эквивалентно давлению закрытия трещины микро-ГРП.
Во время 2, 4 и 5 циклов была применена методика испытания на мгновенный отскок (Slamback-rebound). Для применения данной методики компоновка приборов должна быть сконфигурирована таким образом, чтобы в непосредственной близи от двупакерного модуля был расположен дополнительный контролируемый выкидной порт. Путем нескольких пробных отборов небольших объемов флюида из межпакерного интервала (регулировка запорными клапанами двупакерной системы и выкидного порта), подбирается необходимый интервал времени для получения качественного отскока давления в межпакерном интервале, который в свою очередь характеризует давление повторного раскрытия трещины микро-ГРП или же верхний предел давления закрытия трещины. В рассматриваемом примере всего за 5 циклов нагнетания-КПД было проведено 4 теста на мгновенный отскок и один тест со ступенчатым нагнетанием. В ходе интерпретации полученных данных, была проведена оценка давления закрытия трещины с довольно-таки хорошей точностью– вариация полученного давления закрытия (величина минимального горизонтального напряжения) по всем 5 циклам и двум методам испытания не превышала 6–7 атм.
Таким образом получаемые в ходе стресс-тестов данные о минимальном горизонтальном напряжении в скважинных условиях, могут быть использованы для сопоставительного анализа результатов и калибровки расчетной магнитуды σh получаемой по данным ГИС. В описанном примере на проведение исследований ГИС и ГДК-ОПК-Стресс-тесты было затрачено менее двух недель. Таким образом, описываемый подход позволяет на раннем этапе строительства скважины высокоэффективным и информативным способом получить модель расчетного профиля магнитуды σh, откалиброванного на прямые измерения в пластовых условиях.
Выводы
Описанный в данной статье комплексно-методический подход позволяет в оперативные сроки получить высокоточную оценку профиля магнитуды минимального горизонтального напряжения непрерывно по исследуемому разрезу. Результаты расчета минимального горизонтального напряжения калибруются на прямые замеры давлений закрытия трещин микро-ГРП, выполняемых с помощью ИПК непосредственно в пластовых условиях на выбранных глубинах.
Неоспоримым преимуществом данного подхода является возможность выбора глубин для проведения микро-ГРП, что позволяет при необходимости получать характеристики как коллекторов, так и покрышек и с высокой точностью оценивать контраст напряжений.
Получаемые откалиброванные уравнения расчета минимального горизонтального напряжения могут использоваться для решения широкого круга задач: от оптимизации программы ГРП до проектирования подземных газохранилищ.
