СПОСОБ ВЫВОДА НА РЕЖИМ СКВАЖИНЫ, ПРОБУРЕННОЙ В ЕСТЕСТВЕННО ТРЕЩИНОВАТОМ ПЛАСТЕ Российский патент 2020 года по МПК E21B43/267 G06F30/10 

Изобретение относится к области технологий подготовки скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, к выводу на режим, в частности, к оптимизации параметров, оказывающих непосредственное влияние на повышение продуктивности скважины после проведения гидравлического разрыва пласта (ГРП), таких как длительность ее остановки после ГРП и изменение забойного давления во время откачки.

Технология подготовки скважины к выводу на режим обычно состоит из трех стадий. На первой стадии происходит формирование трещины ГРП, для чего в скважину с помощью мощных насосных станций закачивают жидкость ГРП. В процессе формирования трещины в жидкость добавляют расклинивающий агент - проппант. ГРП - один из способов интенсификации работы нефтяных и газовых скважин и увеличения приемистости нагнетательных скважин. Технология ГРП заключается в создании высокопроводимой трещины в целевом пласте под действием подаваемой в него под давлением жидкости для обеспечения притока добываемого флюида (природный газ, вода, конденсат, нефть или их смесь) к забою скважины. Во время выполнения работ по ГРП в пласт закачивается большой объем жидкости ГРП. Полевые данные показывают, что большая часть объема жидкости, закачанной в процессе ГРП, не возвращается обратно на поверхность в течение последующей откачки из скважины.

Следующая стадия - стадия остановки скважины. Ту часть скважины, в которой образовалась одна или несколько трещин, изолируют при помощи пакеров. В образовавшиеся трещины ГРП в этой части скважины жидкость ГРП больше не поступает.

Третья стадия подготовки скважины к выводу на режим - это стадия откачки. Во время откачки происходит понижение давления в скважине при помощи насосов. Закачанная жидкость ГРП выходит наверх. Постепенно доля жидкости ГРП снижается, а доля формационного флюида (нефти, газа) растет. Как только доля жидкости ГРП в поступающей смеси становится менее 0,5, говорят, что стадия откачки завершена, и скважина выходит на режим.

В трещиноватых породах закачанная жидкость ГРП проникает в большую сеть естественных трещин, которые зачастую имеют существенно большую проводимость, чем сама горная порода. Однако в некоторых случаях эти трещины не приводят к увеличению общей продуктивности скважины. Моделирование показывает, что этот эффект связан с тем, что закачанный объем жидкости ГРП аккумулируется в районе контактов естественных трещин с трещиной ГРП, препятствуя проходу нефти и газа через сеть естественных трещин. В отдельных случаях объем жидкости ГРП, оставшийся в пласте, может привести к обводненности соседних скважин.

С другой стороны, слишком большой объем жидкости ГРП, выходящей из скважины, приводит к увеличению скорости фильтрации жидкости через размещенную в трещине проппантную пачку, что влечет за собой вынос проппанта. Это нежелательное явление приводит к потере продуктивности созданной трещины, повреждению оборудования (например, насосов), а также длительному простаиванию скважины по причине работ очистки от вынесенного проппанта.

В работе Abbasi М.А., A Comparative Study of Flowback Rate and Pressure Transient Behaviour in Multifractured Horizontal Wells, University of Alberta, 2013, упоминается объем жидкости, который не был добыт в процессе отработки скважины. Отмечается важная роль естественных разрывов горной породы в удержании жидкости ГРП, однако они не учитывались при моделировании.

В работе Kondash AJ, Albright E, Vengosh A., Quantity of flowback and produced waters from unconventional oil and gas exploration, Science of the Total Environment, 574 (2017), стр. 314-321, рассматривается химический состав добытой жидкости ГРП и поводится анализ полевых данных, но процессы удержания жидкости ГРП в горной породе не моделировались.

В работе Alkouh A, Mcketta S, Wattenbarger RA., Estimation of Effective Fracture Volume Using Water Flowback and Production Data for Shale Gas Wells. SPE 166279, Hydraul Fract Technol Conf 2013, подчеркивается важность анализа объема добываемой жидкости для предсказания поведения скважины. Однако вопрос о том, где именно аккумулируется вода, не рассматривается и не определяется объем добываемой жидкости ГРП.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в увеличении проводимости образующейся в процессе ГРП трещины при одновременном предотвращении аварийных ситуаций (стопов), вызванных выносом проппанта из трещины ГРП, путем прогнозирования объема добычи жидкости ГРП в процессе ее откачки из скважины (трещины).

Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, измеряют поровое давление в пласте, осуществляют гидроразрыв пласта и формируют в пласте трещину гдроразрыва путем закачки жидкости гидроразрыва в скважину. В процессе закачки определяют забойное давление. Затем определяют свойства пласта и свойства контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами в пласте путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, скорости закачки жидкости гидроразрыва и забойного давления во время закачки. Далее определяют забойное давление в скважине во время остановки скважины пласте путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, свойств пласта и свойств контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами. Прогнозируют объем жидкости гидроразрыва пласта, откачиваемой из скважины после гидроразрыва пласта, путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, свойств пласта и свойств контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами и забойного давления во время остановки скважины. На основе спрогнозированного объема жидкости гидроразрыва пласта выбирают оптимальную длительность остановки скважины и/или изменение забойного давления во время откачки и используют выбранные параметры при выводе скважины на режим.

Забойное давление во время закачки жидкости гидроразрыва пласта в скважину может быть определено путем измерений, путем расчет или путем моделирования.

Закачка жидкости гидроразрыва пласта в скважину может быть осуществлена как с постоянной заданной скоростью, так и с переменной.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана одна из стадий многостадийной горизонтальной скважины, пробуренной в естественно трещиноватой породе; на фиг. 2 приведены график скорости закачки жидкости ГРП в скважину и график расхода жидкости ГРП в естественные трещины пласта, рассчитанный согласно модели; на фиг. 3 приведен график изменения забойного давления во время откачки; на фиг. 4 показан график объема жидкости ГРП, добываемого во время откачки, при изменении забойного давления, показанного на фиг. 3, для различных длительностей остановки скважины, на фиг. 5 приведены графики двух вариантов изменения забойного давления во время откачки, на фиг. 6 - график объема жидкости ГРП, добываемого во время откачки, для двух вариантов изменения забойного давления, представленных на фиг 5.

На фиг. 1 показана одна из стадий многостадийной горизонтальной скважины, пробуренной в естественно трещиноватой породе, после закачки жидкости ГРП и проведения гидроразрыва, где 1 - скважина, 2 - трещина ГРП, заполненная жидкостью, 3 - естественные трещины в пласте, 4 - естественные трещины в пласте, заполненные жидкостью ГРП.

В соответствии с предлагаемым способом предварительно осуществляют сбор необходимой информации о пласте и параметрах ГРП, а именно о поровом давлении в пласте, о скорости закачки жидкости ГРП и забойном давлении во время стадии закачки в скважине 1.

Поровое давление р_р - это давление резервуарной жидкости, удерживаемой внутри пласта. Это геомеханическое свойство пласта, которое обычно измеряют перед проведением полевых работ по ГРП.

Скорость закачки Q_inj(t) - это количество жидкости ГРП, закачиваемой в скважину в единицу времени. Закачка жидкости ГРП может осуществляться как с заданной постоянной скоростью, так и с переменной. В случае изменения скорости закачки в течение процесса закачки, используют данные об изменении скорости, записанные полевым оборудованием во время работы по закачке жидкости ГРП.

В процессе закачки определяют забойное давление скважины Р_ВН(t). Забойное давление можно определять путем измерений с помощью глубинного манометра, путем приблизительной оценки с помощью простой формулы: Р_ВН=ρ_ph+p_WH, где p_WH - давление на устье скважины, или путем моделирования в симуляторах ГРП.

Затем определяют свойства пласта и свойства контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте. Чтобы определить свойства P_ƒ пласта и свойства Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте, необходимо разработать (или использовать уже имеющуюся) модель течения жидкости ГРП в естественных трещинах пласта. Модель должна быть чувствительна к изменению забойного давления, а также к свойствам пласта и контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте. В результате модель вычисляет зависимость расхода жидкости в/из естественных трещин в пласте как функцию времени, изменения забойного давления, порового давления в пласте, свойств пласта и свойств контакта трещины ГРП с естественными трещинами:

где t - время, р_ВН (τ) - история изменения забойного давления в процессе ГРП с начала процесса до данного момента времени t, то есть 0<τ<t. Для различных свойств P_ƒ пласта и свойств Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте получают различные значения расхода q(t). Из набора расходов, полученных при различных значениях свойств P_ƒ и Р_с, выбирают тот, у которого отклонение от изменения скорости закачки Q_inj(t) минимально. Свойства P_ƒ пласта и свойства Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте, которые соответствуют минимальному отклонению расхода q(t) от изменения скорости закачки, считают фактическими свойствами пласта и контакта соответственно.

Полученные свойства P_ƒ пласта и свойства Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте затем используют для определения забойного давления во время остановки скважины и последующего прогнозирования объема жидкости ГРП, откачиваемой из скважины после гидроразрыва пласта на стадии откачки. Для этого используют ту же модель течения жидкости ГРП в естественных трещинах в пласте. Для различных значений длительности остановки скважины T_si и изменения забойного давления во время стадии откачки Р_ВН(τ), τ>T_tr+T_si рассчитывают расход жидкости ГРП во время ее откачки, где T_tr - длительность стадии закачки жидкости ГРП в скважину, T_si - длительность остановки скважины.

Для заданных длительности остановки скважины T_si и изменения забойного давления р_ВН(τ), τ>T_tr+T_si, используют следующий алгоритм.

Во время остановки скважины определяют забойное давление в скважине (T_tr<t<T_tr+T_si), из условия равенства нулю расхода жидкости ГРП в естественные трещины в пласте, т.е. q(t, p_BH(τ), Р_р, P_ƒ, Р_с)≡0, 0<τ<T_tr+T_si.

Затем используют ту же модель течения жидкости ГРП в естественных трещинах в пласте, учитывающую изменения забойного давления в течение закачки, остановки скважины и откачки.

Интегрируя полученный расход из естественных трещин в пласте во время откачки жидкости ГРП, получают объем V_rec жидкости ГРП, добываемый во время стадии откачки:

где T_tr - длительность стадии закачки, T_si - длительность остановки скважины, T_fb - длительность откачки, таким образом, T_tr+T_si соответствует времени начала стадии откачки.

Аналогичные вычисления могут быть проведены для различных изменений забойного давления, чтобы выбрать оптимальное расписание изменения забойного давления во время откачки.

Полученный прогноз объема жидкости ГРП, добываемой из скважины во время откачки, позволяет выбрать оптимальную длительность остановки скважины и/или оптимальное изменение забойного давления во время откачки, обеспечивающие выход жидкости ГРП из естественных трещин в пласте, способствующий увеличению проводимости трещины при одновременном предотвращении аварийных ситуаций (стопов), вызванных выносом проппанта из трещины ГРП. Выбранные оптимальные параметры затем используют при выводе скважины на режим: оптимальную длительность остановки скважины на стадии остановки скважины, а оптимальное изменение забойного давления - на стадии откачки.

В качестве примера рассмотрим приведенную на фиг. 1 одну из стадий многостадийной горизонтальной скважины, пробуренной в естественно трещиноватой породе.

Предположим, что во время работ ГРП были получены следующие данные: поровое давление в пласте - 40 МПа, закачка жидкости ГРП в скважину производилась с постоянной скоростью закачки 0.05 м³/с в течение 1.5 часов, во время закачки было записано забойное давление (см. Таблицу).

Применяют разработанную или созданную ранее модель течения жидкости ГРП в естественных трещинах пласта для определения свойств P_ƒ пласта и свойств Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте. Эти свойства определяются используемой моделью транспорта жидкости ГРП в естественные трещины в пласте. Один из возможных вариантов описан в нижеследующей модели.

Транспорт флюида вдоль естественной трещины пласта описывается уравнением переноса:

где а [м] - апертура трещины, t [s] - время, х [м] координата вдоль трещиныа, [m²/s] - расход жидкости на единицу длины, который подчиняется закону Дарси:

где μ [Па⋅с] - динамическая вязкость жидкости, р [Па] - давление жидкости, с [м³] - проводимость естественной трещины. Согласно модели Бартона (Barton, N., Bandis, S., & Bakhtar, K., Strength, deformation and conductivity coupling of rock joints, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences And, 22(3), 121-140, 1985), проводимость трещины, закрытой на естественный заполнитель (естественные неровности), связана с апертурой следующим соотношением:

где JRC [-] - безразмерный коэффициент шероховатости, [м^-1] - коэффициент масштабирования из микронов в метры. Апертура а [м] выбрана согласно модели Willis-Richards (Willis-Richards, J., Watanabe, K. and Takahashi, H., Progress toward a Stochastic Rock Mechanics Model of Engineered Geothermal System. Journal of Geophysical Research, 101, 17481-17496, 1996):

где а₀ [м] - апертура при отсутствии напряжения, u_s [м] - сдвиг, возникающий в результате смещения пласта вдоль трещины в результате проведения ГРП; - угол эффективной дилатации, σ_n [Па] - нормальное напряжение, приложенное к естественной трещине, [Па] - напряжение, в результате приложения которого к трещине ее апертура уменьшается в 10 раз.

Введем следующие безразмерные параметры:

где П [-] - безразмерное давление, р_* [Па] - масштаб давления, а_* [м] - масштаб апертуры, ξ [-] - безразмерная координата вдоль естественного разрыва, L [м] - масштаб длины, τ [-] - безразмерное время, T_* [с] - масштаб времени.

Тогда при имеем следующее уравнение на безразмерное давление П:

Полученное уравнение - уравнение нелинейной диффузии, которое можно решить, например, методом простых итераций. В результате получают зависимость безразмерного давления от безразмерного времени и безразмерной координаты П(τ, ξ). Тогда согласно закону Дарси 0 с учетом 0-0:

где q [м³/с] - расход жидкости в/из естественных трещин пласта, [м] - длина контакта между естественной трещиной пласта и трещиной ГРП.

Тогда в предположении, что все трещины пласта имеют одинаковые свойства, а их количество равно N_d:

где q_* - масштаб расхода жидкости в/из естественных трещин:

Таким образом, полный расход в/из естественных разрывов горной породы зависит от двух параметров:

При использовании данной модели транспорта жидкости ГРП в естественные трещины в пласте определяемыми свойствами P_ƒ пласта является комбинация порового давления, нормального напряжения, приложенного к естественной трещине и напряжение, в результате приложения которого к трещине ее апертура уменьшается в 10 раз вида (7), а свойствами Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами является комбинация апертуры естественной трещины при поровом давлении, шероховатости ее стенок, количества естественных трещин, вязкости жидкости, а также длины контакта естественных трещин горной породы с трещиной ГРП вида (14). При использовании других моделей такими свойствами могут быть, например, поровое давление и эффективная проницаемость естественных трещин.

Определение свойств P_ƒ пласта и свойств Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте осуществляют путем запуска модели с различными значениями этих свойств из следующих диапазонов:

• P_ƒ ∈ [15, 25] МПа

• P_c ∈ [0.01,0.5] м³/с

Для каждой пары параметров P_ƒ и Р_с из соответствующего диапазона значений с учетом забойного давления р_ВН в скважине и порового давления р_р рассчитывают расход жидкости ГРП q(t), используя уравнение (1) и следующую формулу для вычисления отклонения между скоростью закачки Q_inj (t) жидкости ГРП и расходом q(t) из естественных трещин пласта горной породы:

где t_i - это i-й момент времени закачки, Q_inj,i - соответствующее значение скорости закачки.

В этом примере наименьшее отклонение достигается при P_ƒ=21.1 МПа и Р_с=0.0139 м³/с. В этом случае расход жидкости ГРП из скважины в трещину ГРП равен расходу из трещины ГРП в естественные трещины пласта. На фиг. 2 показано это соответствие.

Таким образом, на данном этапе были определены свойства P_ƒ пласта и свойства Р_с контакта трещины ГРП с естественными трещинами в пласте при помощи калибровки модели на известных данных о поровом давлении в пласте, скорости закачки жидкости ГРП и забойном давлении в скважине во время закачки.

Затем запускают модель течения жидкости ГРП в естественных трещинах пласта с поровым давлением р_р=40 МПа и свойствами P_ƒ=21.1 МПа и Р_с=0.0139 м³/с. Для двух различных длительностей остановки скважины - T_si: 40 дней и 1 день - определяют забойное давление во время стадии остановки.

Для заданного забойного давления во время стадии откачки (см. Фиг. 3), запускают модель, которая определяет приток жидкости ГРП из естественных трещин в пласте в трещину ГРП во время стадии откачки. Используя формулу (2), получают оценку добываемого объема закачанной жидкости ГРП (см. Фиг. 4). Из графика на фиг. 4 видно, что при длительности остановки скважины в один день объем добываемой во время откачки жидкости ГРП в два раза больше, чем при остановке скважины на 40 дней. Это позволяет выбрать и использовать оптимальную длительность остановки скважины на второй стадии подготовки скважины к выводу на режим, обеспечивающую выход закачанной жидкости ГРП из естественных трещин в пласте, способствующий увеличению проводимости трещины при одновременном предотвращении аварийных ситуаций (стопов), вызванных выносом проппанта из трещины ГРП.

Аналогичные вычисления могут быть проведены для различных вариантов изменения забойного давления при откачке, чтобы выбрать оптимальное расписание изменения. Для длительности остановки скважины T_si=20 дней определяют забойное давление в течение стадии остановки. На фиг. 5 показаны два варианта изменения забойного давления во время стадии откачки. Для каждого варианта изменения забойного давления во время стадии откачки, запускают модель, которая определяет приток жидкости ГРП из естественных трещин в пласте в трещину ГРП во время стадии откачки. Используя формулу (2), получают оценку добываемого объема закачанной жидкости ГРП во время откачки (см. Фиг. 6).

Из Фиг. 6 видно, что при более интенсивном изменении забойного давления объем добываемой во время откачки жидкости ГРП будет больше, чем при изменении забойного давления меньшей интенсивности. Это позволяет выбрать и использовать оптимальный вариант изменения забойного давления на третьей стадии подготовки скважины к выводу на режим.

Изобретение относится к области технологий подготовки скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, к выводу на режим, в частности к оптимизации параметров, оказывающих непосредственное влияние на повышение продуктивности скважины после проведения гидравлического разрыва пласта (ГРП). Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в увеличении проводимости образующейся в процессе ГРП трещины при одновременном предотвращении аварийных ситуаций, вызванных выносом проппанта из трещины ГРП. В соответствии со способом измеряют поровое давление в пласте, осуществляют гидроразрыв пласта и формируют в пласте трещину путем закачки жидкости ГРП в скважину. В процессе закачки определяют забойное давление и используют полученные значения порового давления и забойного давления для определения свойств пласта и свойств контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами в пласте путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте. Используют полученные результаты и ту же модель для прогнозирования объема жидкости гидроразрыва пласта, откачиваемой из скважины после гидроразрыва пласта. На основе спрогнозированного объема жидкости гидроразрыва пласта выбирают оптимальную длительность остановки скважины и/или изменение забойного давления во время откачки и используют выбранные параметры при выводе скважины на режим. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, в соответствии с которым:

- измеряют поровое давление в пласте,

- осуществляют гидроразрыв пласта и формируют в пласте трещину гидроразрыва путем закачки жидкости гидроразрыва в скважину,

- в процессе закачки определяют забойное давление,

- определяют свойства пласта и свойства контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами в пласте путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, скорости закачки жидкости гидроразрыва и забойного давления во время закачки,

- определяют забойное давление в скважине во время остановки скважины путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, свойств пласта и свойств контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами,

- прогнозируют объем жидкости гидроразрыва пласта, откачиваемой из скважины после гидроразрыва пласта, путем моделирования течения жидкости гидроразрыва в естественные трещины в пласте с использованием измеренного порового давления, свойств пласта и свойств контакта трещины гидроразрыва с естественными трещинами и забойного давления во время остановки скважины,

- на основе спрогнозированного объема жидкости гидроразрыва пласта выбирают оптимальную длительность остановки скважины и/или изменение забойного давления во время откачки и используют выбранные параметры при выводе скважины на режим.

2. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, по п. 1, в соответствии с которым забойное давление во время закачки жидкости гидроразрыва пласта в скважину определяют путем измерений.

3. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте по п. 1, в соответствии с которым забойное давление во время закачки жидкости гидроразрыва пласта в скважину определяют путем расчета.

4. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, по п. 1, в соответствии с которым забойное давление во время закачки жидкости гидроразрыва пласта в скважину определяют путем моделирования.

5. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, по п. 1, в соответствии с которым закачку жидкости гидроразрыва пласта в скважину осуществляют с постоянной заданной скоростью.

6. Способ вывода на режим скважины, пробуренной в естественно трещиноватом пласте, по п. 1, в соответствии с которым закачку жидкости гидроразрыва пласта в скважину осуществляют с переменной скоростью, которую измеряют в процессе закачки.