CC BY
16ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
УДК 519.876.5+622.276+622.279
М.В. Пятахин1, e-mail: M_Pyatakhin@vniigaz.gazprom.ru; Ю.М. Пятахина2
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Москва, Россия).
2 ООО «Газприборавтоматика» (Москва, Россия).
BD-палеогеомеханическое моделирование - новый подход к разработке, бурению скважин, проведению гидроразрыва пласта
В работе изложен новый подход к геомеханическому моделированию месторождений углеводородов и подземных хранилищ газа (ПХГ). В развитой BD-палеогеомеханической модели деформации пластов месторождений и ПХГ в течение геологического времени находятся с помощью палеоструктурных построений. Палеоструктуры впервые позволяют определить трехмерное напряженно-деформированное состояние (НДС) породы на границах геологических периодов, а также на современном этапе с учетом тектонических сил. Найденные напряжения в породе месторождений и ПХГ, связанные с тектоническими силами, могут существенно превышать напряжения в традиционных геомеханических моделях. Для определения сложного пространственного (3D) расположения областей трещиноватости породы и улучшенных фильтрационно-емкостных свойств пластов-коллекторов, образующихся в результате разрушения растяжением или сдвигом, использовались критерии разрушения. Потенциальные возможности 3D-палеогеомеханической модели показаны на примере Невского ПХГ. Полученные результаты могут быть использованы при размещении строящихся скважин, технологическом проектировании месторождений и ПХГ, гидродинамическом моделировании, определении путей миграции флюидов. При проектировании и проведении работ по гидроразрыву пласта, при бурении и заканчивании скважин и т. п. может быть использована доступная детализация найденной 3D-картины главных напряжений. При разработке дизайна гидроразрыва пласта (ГРП) и проведении ГРП определяющим является полученное трехмерное распределение направлений минимального главного напряжения в породе целевого объекта разработки. С помощью 3D-палеогеомеханической модели впервые можно корректно найти граничные условия при моделировании напряженно-деформированного состояния в призабойной зоне с целью решения проблем эксплуатации скважин, включая разрушение породы, вынос песка. Применение разработанного нового подхода в геомеханике для вышележащих перекрывающих пластов позволит определить области трещиноватости породы и избежать катастрофических поглощений при бурении. 3D-палео-геомеханическая модель является импортозамещающей технологией по отношению к геомеханическому ПО и ГРП-программному обеспечению.
Ключевые слова: подземное хранилище газа, главное напряжение, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, сцепление, напряженно-деформированное состояние, трещиноватость, упругость, фильтрационно-емкостные свойства, пласт-коллектор.
M.V. Pyatakhin1, e-mail: M_Pyatakhin@vniigaz.gazprom.ru; Yu.M. Pyatakhina2
1 Gazprom VNIIGAZ LLC (Moscow, Russia).
2 Gazpriboravtomatica LLC (Moscow, Russia).
3D Paleo-Geomechanical Modeling - a New Approach for the Production, Drilling, Hydraulic Fracturing
The paper describes a new approach to geomechanical modeling of hydrocarbon fields and underground gas storages (UGS). The deformation of strata of the deposits and UGS over geological time are found in a developed 3D paleo-geomechanical model using analysis of paleo-structures. Paleo-structures for the first time allow to determine the three-dimensional stress-strain behaviour of the rock at the boundaries of geological periods and at the modern stage taking into account tectonic forces. The found stresses in the rock of fields and underground gas storage, associated with tectonic forces, can significantly exceed the stresses in a traditional geomechanical models. The failure criteria were used to determine the complex spatial (3D) location of regions of fracturing of the rock and improved reservoir properties resulting from the destruction by tensile or shear. The potential of 3D paleo-geomechanical model is demonstrated by the example of
38
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
the Nevsky UGS. The obtained results can be used to place wells under construction, in technological design of fields and underground gas storage, reservoir simulation, determining the migration paths of fluids. The available detailing of 3D pictures of principal stresses can be used in the design and carrying out of works on hydraulic fracturing, drilling and well completion, etc. The obtained three-dimensional distribution of the directions of the minimum principal stress in the reservoir rock is the determining factor in the development of hydraulic fracturing design and conduct of hydraulic fracturing. Using 3D paleo-geomechanical model for the first time it is possible to find boundary conditions in the simulation of stress-strain state in the bottom hole zone with the aim of solving problems of well operation, including the destruction of rock, sand production. The application of the developed new approach in geomechanics for the overlying strata will allow to determine the area of fracture rocks and avoid catastrophic absorption of drilling mud during the drilling. 3D paleo-geomechanical model is an import-substituting technology in relation to the geomechanic and hydraulic fracturing software.
Keywords: stress-strain behaviour, fracturing, elasticity, reservoir properties, reservoir, underground gas storage, principal stress, Young's modulus, Poisson's ratio, cohesion.
При разработке месторождений углеводородов и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) большое внимание традиционно уделяется геологическому и гидродинамическому моделированию. При этом до настоящего времени геомеханические модели широко не использовались. Существует по крайней мере три причины возросшей актуальности геомеханического моделирования. Это, во-первых, возросшая сложность процессов на объектах добычи углеводородов. С истощением существующих месторождений приходится приступать к разработке в условиях пониженного пластового давления и ухудшившейся геомеханической обстановки. Во-вторых, по мере перехода к более сложным объектам, в частности, с нетрадиционными запасами углеводородов, роль геомеханического моделирования возрастает по сравнению с традиционными месторождениями и ПХГ, где напряженно-деформированное состояние (НДС) породы пластов либо было приближенно определено, либо считалось не представляющим существенного интереса для разработки. В-третьих, на первый план стали выходить геомеханические проблемы при эксплуатации скважин [1], когда разрушение породы и вынос песка приводят к ограничению дебита вплоть до прекращения добычи и увеличению риска аварийных ситуаций на скважинах.
Осознание специалистами возросшей роли геомеханических исследований привело к тому, что в настоящее время соответствующие разделы повсеместно включаются в проекты разработки. Практически все используемые геомеханические модели базируются на геологических моделях, определяющих расположение набора пластов и пропластков, и далее с помощью уравнений теории упругости вычисляются действующие напряжения и деформации породы. В чем заключается основной недостаток существующего подхода к геомеханическому моделированию? По нашему мнению, в первую очередь в том, что такие модели анализируют ситуацию, сложившуюся на сегодняшний день, опираются на современный геологический разрез месторождения или ПХГ. При этом НДС породы в конкретной точке определяется в основном частью горного давления, пропорциональной глубине залегания и средней плотности вышележащих горных пород [2]. Традиционные геомеханические модели не учитывают историю формирования залежи в масштабе геологического времени и действующие при этом вплоть до настоящего момента тектонические силы. Соответствующие напряжения, как показано ниже, сравнимы и даже могут превышать часть горного давления, обычно принимаемую во внимание, поэтому их неучет в геомеханических
моделях не может быть оправдан, так как не позволяет правильно определить НДС породы.
В настоящей работе предложен новый подход к геомеханическому моделированию и изложены основные положения этого подхода. В нашем 3D-палеогео-механическом моделировании палео-структурные построения отвечают за учет динамики целевого объекта (наибольшее внимание на месторождениях и ПХГ уделяется пластам-коллекторам) в геологическом времени, позволяют определить действующие на границах геологических периодов поля напряжений с учетом тектонических сил. Использование на рассматриваемых этапах критериев разрушения позволяет определить пространственное (3й) расположение областей трещиновато-сти породы, образующихся в результате разрушения растяжением или сдвигом. Нахождение этих областей имеет важное значение, например, при строительстве эксплуатационных скважин, поскольку такие области проявляют улучшенные фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС). Построение 3й-модели дает подробную картину интересующих нас параметров НДС породы. С практической точки зрения целями создания 3Э-палеогеомеханической модели являются:
• определение в масштабе рассматриваемого объекта (месторождение,
Ссылка для цитирования (for citation):
Пятахин М.В., Пятахина Ю.М. 3D-палеогеомеханическое моделирование - новый подход к разработке, бурению скважин, проведению гидроразрыва пласта // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 38-48.
Pyatakhin M.V., Pyatakhina Yu.M. 3D Paleo-Geomechanical. Modeling - a New Approach for the Production, Drilling, Hydraulic Fracturing (In Russ.) Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 6, P. 38-48.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 august 2017
39
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Рис. 1. Толщина Гдовского горизонта Fig. 1. The thickness of the Gdov horizon
Рис. 2. Разность абсолютных отметок кровли Гдовского горизонта и кровли Пярнуско-Наровского горизонта
Fig. 2. The difference among the absolute marks of the roof of the Gdovian horizon and the roof of the Pyarnus-Narovky horizon
ПХГ) областей трещиноватости породы и улучшенных ФЕС. Эти результаты могут быть использованы при строительстве скважин, технологическом проектировании месторождений и ПХГ, гидродинамическом моделировании, определении путей миграции флюидов; • нахождение трехмерного (ЗЭ) распределения напряжений, действующих на породу пласта в масштабе месторождения или ПХГ. Доступная детали-
зация найденной ЗЭ-картины главных напряжений может быть использована при проектировании и проведении работ по гидроразрыву пласта (ГРП), при бурении и заканчивании скважин и т. п.; • определение трехмерного(ЗЭ) распределения направлений минимального главного напряжения в породе целевого объекта разработки. Это распределение имеет ключевое значение при разработке дизайна ГРП и проведении ГРП;
• нахождение граничных условий при моделировании НДС в призабойной зоне пласта (ПЗП) с целью решения геомеханических проблем эксплуатации скважин (разрушение породы в ПЗП, вынос песка);
• решение других практических задач, базирующихся на 3D-палеогеомеха-ническом моделировании. Применение разработанного подхода для вышележащих перекрывающих пластов позволит определить области трещиноватости породы и избежать катастрофических поглощений при бурении. Рассмотрим основные этапы 30-палео-геомеханического моделирования на примере Невского ПХГ.
ЭТАП 1: ПОСТРОЕНИЕ 3D-nA,nE0CTPyKTyP ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Ранее в работах [3, 4] рассматривались двухмерные палеоструктурные профили кровли Гдовского горизонта Невского ПХГ. Объектом хранения газа является относительно тонкий I гдовский пласт, входящий в состав Гдовского горизонта и примыкающий к его подошве. Мы будем использовать приведенные в [3, 4] данные по стратиграфическим разбивкам скважин. В рамках подхода [3, 4] показано, что основной структурообразующий этап для кровли Гдовского горизонта приурочен к моменту завершения формирования Воронежского горизонта и полностью совпадает с современным структурным планом. Мы можем построить все трехмерные палеострук-туры, соответствующие известным реперным горизонтам, выделяемым в осадочном чехле. Для каждой из них может быть построена полная трехмерная картина НДС породы Гдовского горизонта в соответствующие моменты геологического времени. Нас будут интересовать те палеоструктуры, где деформации целевого объекта - Гдовского горизонта - были существенными, что говорит о значительных вызывающих их тектонических напряжениях и возможном образовании областей трещиноватости породы. Для демонстрации нового подхода 3D^-леогеомеханического моделирования рассмотрим три палеоструктуры - на
40
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
w Неделя нефтепереработки, газа и нефтехимии в Москве 2017
\
y . г „ ' " " 'ГВ' "V f : . Г ****
• V-; . ■ - ' . ■ •
. - ■ ü i * т
Euro PcirsEcum Consultant i
.T. 7 ...
rr_
Уф S'
ЛИДИРУЮЩИЙ ФОРУМ ПО НЕФТЕХИМИИ, ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТИ И ГАЗА
ИнтерКонтиненталь Москва Тверская
С1ТСС 2017 - Газ и химия - Обзор рынков газа - Переработка метанола в
- 2-я технологическая конференция - Актуальная информация олефины и бензин
и выставка России и стран СНГ по текущим проектам - Аммиак и карбамид
18-19 СЕНТЯБРЯ - Синтез-газ, метанол - Мини - установки
КРТС 2017 16-я
Конференция и выставка по технологиям нефтехимии России и стран СНГ 19-20 СЕНТЯБРЯ
Обзор нефтехимических рынков
Актуальная информация по крупным проектам
- Новейшие технические решения для производства олефинов, полиолефинов, ароматических углеводородов и их производных
RRTC 2017 - 17th Russia & CIS Refining Technology Conference & Exhibition 21-22 СЕНТЯБРЯ
Обзор рынков Актуальная информация по крупным проектам
Операционная эффективность
Новейшие технические разработки для производства чистых топлив и переработки нефтяных остатков
Семинар компании ExxonMobil • 20 СЕНТЯБРЯ, 9.00-14.00 E^onMobil J
СПОНСОРЫ:
Axens A ALBEMARLE' @ Shell Global Solution, E^OnMobil GRI OffiH
КЛЮЧЕВЫЕ ДОКЛАДЧИК
A^L, JkALBEMARLE* E*pnMobil ЦЛУКОЙЛ ^HEH ptète %>CAR
© «"M »«ba' ^institute HALDOR TOPSOE IE ф 0A0 ВНИПИНБФТЬ
(15) ü (!f| uNexanr
PHOSAGfiO " -—
GÏÏHEÛ »ЖЖЖЕ« MP'Global
Platts
Ä Honeywell
РОСНЕФТЬ
Keivion
ЕШ?
НИИК
Stamicarbon _
ZONSULTING ÎNGINIERS
СП*® ticon
ln,tr«-,d ta I-
У. УРАЛХИМ И BOREALIS ЕВРСХИМ **0*f0CEL
Зарегистрируйтесь на Неделя-в-Москве.рф | +7 (495) 517 77 09 | moscow@europetroxom
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
момент завершения формирования собственно Гдовского горизонта, на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта и на современном этапе (рис. 1-3). Первая палеоструктура является также Зй-графиком толщины h(x,у) Гдовского горизонта. Распределение толщиныГдо-ва h(x,у) считалась в данной работе не зависящим от геологического времени, поскольку главный вклад в деформацию дает изменение формы пласта. В дальнейшем возможно некоторое уточнение результатов с учетом уплотнения породы с течением геологического времени. Как известно [3], Невское ПХГ простирается в направлении от юга-запада к северо-востоку. В данной работе будем использовать условную прямоугольную систему координат XYZ, оси X и Yлежат в горизонтальной плоскости. Для удобства трехмерного моделирования в нашей системе координат оси X и У повернуты против часовой стрелки на 45° относительно направления на север, а ось Z направлена вглубь Земли, абсолютные отметки горизонтов брались со знаком плюс, что удобно для построения ЗЭ-графиков палеострук-тур. В выбранной системе координат ПХГ простирается в направлении оси X, рассматриваемая область в горизонтальной плоскости охватывает эксплуатационные и разведочные скважины, по которым имеется информация по стратиграфическим разбивкам. Понятно, что переход от традиционных координат с направлением осей юг -север, запад - восток не затрагивает физической сущности вопроса и не может влиять на результаты. Как легко показать, изгиб Гдовского горизонта на каждом геологическом этапе определяется разностью абсолютных отметок ^(х,у) кровли Гдовского горизонта и кровли пласта, формирование которого завершилось на данном этапе. На рис. 2 приведена палеоструктура, характеризующая деформацию Гдовского горизонта на момент завершения накопления Пярнуско-Наровского горизонта.
На текущем этапе деформация Гдовского горизонта определяется поверхностью, образуемой абсолютными отметками его кровли на современном этапе
Рис. 3. Форма кровли Гдовского горизонта по абсолютным отметкам на современном этапе Fig. 3. The form of the roof of the Gdovian horizon according to absolute marks at the present stage
(рис. 3). Видна определенная схожесть формы палеоструктур на рис. 2 и 3, что подтверждает преемственность в формировании Гдовского горизонта вплоть до современного этапа, отмеченную в [3, 4].
ЭТАП 2:ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДЫ В МАСШТАБЕ ЦЕЛЕВОГО ОБЪЕКТА
В рассматриваемом примере целевым объектом будет Гдовский горизонт Невского ПХГ, с особым практическим интересом к входящему в его состав объекту хранения газа - I гдовскому пласту, расположенному над подошвой Гдовского горизонта. В разработанной нами 3Э-палеогеоме-ханической модели будем использовать принцип независимости действия сил [5]. При этом напряжения и деформации, существующие в рассматриваемой системе, есть результат суперпозиции напряжений и деформаций, вызванных различными нагрузками, приложенными к системе. В нашей модели будем рассматривать, во-первых, обычно учитываемые напряжения,связанные с весом вышележащих горных пород. Запишем соответствующие выражения для эффективных, т. е. действующих на скелет породы, вертикальной овэ и горизонтальной огэ составляющих напряжения:
Овэ=рп gH - p,
а. =
гэ 1 - V
(рпдн-р),
где рп - средняя плотность вышележащих горных породж; д - ускорение свободного падения; Н - глубина залегания; р - давление флюида в пласте; V - коэффициент Пуассона породы. Коэффициент Био принят равным единице, поскольку глубины залегания сравнительно невелики. Во-вторых, в 3Э-палеогеомеханиче-ской модели будем рассматривать связанные с тектоническими силами напряжения, которые в обычных геомеханических моделях не известны и потому не могут быть учтены, хотя в реальности они весьма существенны и могут даже превышать напряжения, связанные с весом вышележащих пород. Использование 3Э-палеострук-тур, изменяющихся при переходе от одного геологического периода к другому, позволяет найти напряжения, связанные с тектоническими нагрузками. Выражения для компонент тензора напряжений стк в областях упругой деформации (закон Гука) имеют вид [6]:
а =
(l+v)(l-2v)
+ V("yy + UJ]'
[(1-vK
42
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
%=(l+v)(l-2v)[(1"VK +
+vK+uJl
(1 + v)(l - 2v)
a = -E— u
xy 1 + V x/ °xz = Г+V Uxz'
[(l-v)tie +
«У = V
где и к - компоненты тензора деформаций; Е - модуль Юнга породы пласта. Граничные условия, выполняющиеся на поверхности Гдовского горизонта, задаются выражением:
; P,
где пк - компоненты единичного вектора, направленного по внешней нормали к поверхности пласта; Р. - компоненты внешней силы, действующей на единицу площади поверхности пласта. Итоговые напряжения, действующие в любой точке на породу Гдовского горизонта, определялись суммированием соответствующих компонент напряжений, определяемых как весом вышележащих горных пород,так и тектоническими силами.
После нахождения главных горизонтальных ог, о2 и вертикального а3 напряжения проверялось выполнение критериев разрушения. Первое условие разрушения породы пласта действующими на него растягивающими напряжениями, которые в существующих геомеханических моделях практически не могут возникнуть, имеет вид:
о < -а,
mi n р
где ар - предел прочности породы на одноосное растяжение; о . - минимальное
г тт
из главных напряжений, действующих на породу. В результате находятся области трещиноватости и улучшенных ФЕС породы Гдовского горизонта в результате действия растягивающих напряжений. Далее использовался критерий Кулона -Мора:
о = 2C tan а + о (tan а)2,
max mm * '
где а - максимальное из главных
m max
напряжений, действующих на породу; С и а - сцепление и угол разрушения породы пласта:
л ф
а = 4П'
Ф - угол внутреннего трения породы. Критерий Кулона - Мора позволил найти области трещиноватости Гдовского горизонта как результат сдвиговых разрушений. Образование таких областей в пластах-коллекторах рассматривалось в работе [2] в одномерной постановке. Поскольку в областях разрушений породы растяжением и сдвигом приближение упругой деформации не работает, главные напряжения в этих областях находились с помощью критерия Кулона - Мора. Таким образом, было определено полное (3Э) поле напряжений в нашем целевом объекте - Гдовском горизонте Невского ПХГ. Для различных практических потребностей, в первую очередь при ГРП, важное значение имеет также полученное нами трехмерное (3й) распределение направлений минимального горизонтального главного напряжения в породе целевого объекта разработки. Это распределение имеет ключевое значение при разработке дизайна ГРП и проведении ГРП. Направления отсчитывались от оси У нашей трехмерной модели, соответствующей направлению на северо-запад. 3Э-палеогеомеханическая модель позволяет определить главные напряжения и другие интересующие нас величины в любой точке пласта. Мы продемонстрируем результаты для прилегающей к подошве Гдовского горизонта области, соответствующей I гдову, где деформации и напряжения максимальны по абсолютной величине. Поскольку средняя толщина объекта хранения газа I гдовского пласта на порядок меньше средней толщины Гдовского горизонта, значения определяемых в 3й-палеогео-механической модели величин слабо изменяются по толщине I гдовского пласта. Без ограничения общности давление флюида в I гдовском пласте будем считать гидростатическим.
Расчеты проводились с помощью программы, написанной на языке Fortran. Расчетная сетка по горизонтали состояла из 500 тыс., в некоторых случаях -из 2 млн узлов. Использовались также следующие входные данные: средняя плотность вышележащих горных пород рп = 2500 кг/м3; сцепление и угол внутреннего трения породы пласта по результатам исследования керна из интервала 1002-1018 м скв. № 184 Гдовского горизонта Невского ПХГ [1] С = 3,03 МПа и 38,9°. Поскольку эксперименты по определению модуля Юнга, коэффициента Пуассона и прочности на одноосное растяжение для Гдовского песчаника не проводились, мы использовали данные для близкого по свойствам песчаника Щигровского горизонта Увязовского ПХГ: E = 4,4 ГПа;
v = 0,28, о = 0,37 МПа.
р
ЭТАП 3: АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ
Результаты 3D-палеогеомеханического моделирования для Гдовского горизонта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта приведены на рис. 4 и 5. На рис. 4 показана схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ. Желтый цвет на схеме соответствует областям, где деформации породы упругие. Видно, что эти области составляют большую часть площади ПХГ. Красным цветом обозначены области разрушения породы растягивающими напряжениями, образующие сложную структуру из крупных «пятен» в левом нижнем и правом верхнем углах схемы, а также у правой границы схемы. В дополнение к крупным имеется множество мелких областей трещиноватости из-за разрушения растяжением, распределенных по площади структуры. Отметим, что уже сам факт появления областей разрушения породы растягивающими напряжениями говорит о значимости и величине тектонических сил, действующих на породу, которые в традиционных геомеханических моделях не учитываются. Действительно, найденные в нашей 30-палеогеомеха-нической модели связанные с тектоническими силами напряжения сравнимы по величине или даже превышают
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 august 2017
43
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
обычно рассматриваемые напряжения, связанные с весом вышележащих горных пород.
Области разрушения сдвигом породы I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярну-ско-Наровского горизонта обозначены на рис. 4 зеленым цветом. Они смещены от центра к левому нижнему углу схемы и занимают значительно меньшую площадь по сравнению с областями разрушения породы растягивающими напряжениями. Это сложная мозаика из сравнительно небольших пятен, обусловленная изменчивостью пале-орельефа в этих областях. Важность правильного и точного определения на местности областей разрушения породы сдвигом подтверждается близким расположением эксплуатационных скважин Невского ПХГ, обозначенных треугольниками на рис. 4 (разведочные скважины обозначены квадратами). 3D-палеогеомеханическая модель позволяет определить трехмерное поле напряжений, действующих на породу Гдовского горизонта Невского ПХГ. Из составляющих 3D-поля напряжений с практической точки зрения, в частности для моделирования ГРП, особенно важно пространственное распределение по величине и направлению минимального горизонтального главного напряжения. Величина минимального горизонтального главного напряжения, действующего на породу I гдовского пласта, характеризуется линиями уровня. На рис. 5 они приведены на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта.
Видно, что области напряжений меньше 0,5 МПа, в основном отрицательных, растягивающих, хорошо согласуются с областями разрушения породы растяжением и сдвигом, приведенными на рис. 4. Обращает на себя внимание наличие достаточно протяженных областей, обозначенных синим цветом, где минимальное горизонтальное главное напряжение не превышает 3,0 МПа. Важный новый результат, который нельзя было бы получить в традиционной геомеханической модели - наличие на структуре локальных небольших по площади областей сильного сжатия породы вследствие действия тек-
Рис. 4. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта:
желтый цвет - область упругой деформации породы; зеленый - области разрушения сдвигом; красный - области разрушения породы растягивающими напряжениями; квадраты - разведочные скважины; треугольники - эксплуатационные скважины
Fig. 4. The scheme of fracture regions of the I Gdovian horizon of the Nevsky UGS at the time of the completion of the formation of the Pyarnus-Narovky horizon:
yellow color - the area of elastic deformation of the rock; green - the areas of shearing failure; red -the areas of rock destruction by tensile stresses; squares - exploratory wells; triangles - production wells
Рис. 5. Линии уровня минимального горизонтального главного напряжения, действующего на породу I гдовского пласта на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта, построенные по трехмерному полю напряжений. На шкале справа указан уровень напряжений в МПа
Fig. 5. The lines of the level of the minimum horizontal principal stress affecting on the rock of the I Gdovian horizon at the time of the completion of the formation the Pyarnus-Narovky horizon. The lines were constructed according to the three-dimensional pressure field. The scale on the right side indicates the pressure level in MPa
44
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ОаэБШ
17-19 октября 2017
Россия, Москва, КВЦ «Сокольники»
15-я Юбилейная международная выставка газобаллонного, газозаправочного оборудования и техники на газомоторном топливе
Газобаллонное оборудование Газозаправочное оборудование Техника на газомоторном топливе
Организатор Группа компаний 1ТЕ
+7 (499)-750-08-28 gassuf@ite-expo.ru
ПОЛУЧИТЕ БИЛЕТ www.gassuf.ru
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Рис. 6. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта при уменьшенном на порядок сцеплении породы: желтый цвет - область упругой деформации породы; зеленый - области разрушения сдвигом; красный - области разрушения породы растягивающими напряжениями Fig. 6. The scheme of fracture areas of the I Gdovian horizon of the Nevsky UGS at the time of the completion of the formation of the Pyarnus-Narovky horizon with the reduced cohesion of the rock by an order:
yellow color - the area of elastic deformation of the rock; green - the areas of shearing failure; red -the areas of rock destruction by tensile stresses
Рис. 7. Увеличенный фрагмент схемы областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на современном этапе:
желтый цвет - область упругой деформации породы; зеленый - области разрушения сдвигом; красный - области разрушения породы растягивающими напряжениями Fig. 7. The enlarged fragment of the scheme of fracturing regions of the I Gdovian horizon of the Nevsky U GS at the present stage:
yellow color - the area of elastic deformation of the rock; green - the areas of shearing failure; red -the areas of rock destruction by tensile stresses
тонических сил (рис. 5). Достигаемый уровень горизонтальных сжимающих напряжений, обусловленных особенностями палеорельефа, составляет местами более 15,5 МПа, что существенно больше напряжений в традиционных геомеханических моделях, определяемых весом вышележащих горных пород. При 3Э-палеогеомеханическом моделировании на примере Невского ПХГ использовались фактические промысловые и экспериментальные данные по скважинам и керну. Разработанная модель позволяет также исследовать влияние варьирования ключевых параметров на общую картину напряженно-деформированного состояния породы в масштабе всего ПХГ. На рис. 6 приведена схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта при уменьшенном на порядок сцеплении породы, при неизменных остальных показателях механических свойств. Видно,что, во-первых, области разрушения породы растяжением, отмеченные на рис. 6 красным цветом, остались неизменными, как и на рис. 4 для фактических значений параметров. Во-вторых, такое существенное уменьшение сцепления породы приводит к появлению обширных областей сдвиговых разрушений породы, отмеченных на рис. 6 зеленым цветом. Результаты 3й-палеогеомеханического моделирования для Гдовского горизонта Невского ПХГ на современном этапе приведены на рис. 7-9. Укрупненный фрагмент схемы областей трещиноватости I гдовского пласта представлен на рис. 7.
Выбрана одна из центральных областей ПХГ, где размещены эксплуатационные скважины, приведенные на рис. 4. В отличие от ПХГ в целом в выбранном фрагменте области разрушения породы растяжением (отмечены красным цветом) и сдвигом (отмечены зеленым цветом) занимают существенную часть площади, примерно половину или более. Форма областей разрушения сложная, мозаичная, обусловленная сложностью формы палеорельефа,причем в отличие от всего ПХГ площади областей с различными типами разрушений
46
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
s E
7000 -I
6000-
1000-
I ■
I
5.SWE+05 î.«ME*0« S.SOCE-H» S.OOCE-Ч» 1Д50ЕЮ7 1.3ЮЕ-07 1,5WE-07 2.400E+07
-i—•—i—1—r^—I—1—I—h—Г
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
X, м X, m
Рис. 8. Линии уровня минимального главного напряжения, действующего на породу I гдовского пласта на современном этапе, построенные по трехмерному полю напряжений. На шкале справа указан уровень напряжений в МПа
Fig. 8. The lines of the level of the minimum principal stress affecting on the rock of the I Gdovian horizon at the present stage. The lines were constructed according to the three-dimensional stress field. The scale on the right side indicates the stress level in MPa
Рис. 9. Линии уровня 3D-распределения направления минимального главного напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте на современном этапе. На шкале справа указан диапазон градусов угла отклонения от направления на северо-запад
Fig. 9. The lines of the level of the 3D distribution of the direction of the minimum principal stress in the rock, affecting on the I Gdovian horizon at the present stage. The range of degrees of deviation angle from the direction to the northwest is indicated on the scale
сравнимы по величине между собой. Области разрушения породы сдвигом могут как примыкать к областям разрушения растяжением (рис. 7), так и образовывать отдельные области.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
3D-ПАЛЕОГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ
Таким образом, разработанная 3D-па-леогеомеханическая модель позволяет детально локализовать трещиноватые области целевого пласта, в рассматриваемом случае - I гдова. Практическое использование результатов моделирования перспективно для решения задач проектирования разработки, оптимального размещения эксплуатационных скважин там, где структурные ловушки сочетаются с областями трещиннова-тости породы с улучшенными ФЕС, и других важных проблем разработки месторождений и эксплуатации ПХГ. Отдельная важная задача - оптимальный дизайн гидроразрыва пласта. Для моделирования ГРП необходимо найти трехмерное поле напряжений, действующих на породу пласта. Результаты использования для этой цели разработанной нами 3й-палеогеомеханической модели на примере Гдовского горизонта Невского ПХГ приведены на рис. 8 и 9. Для моделирования ГРП особенно важно пространственное распределение по величине и направлению минимального горизонтального главного напряжения, определяющего направление трещины гидроразрыва и необходимые давления. Линии уровня, характеризующие величину минимального горизонтального главного напряжения, действующего на породу I гдовского пласта на современном этапе, приведены на рис. 8. По сравнению с результатами определения НДС породы на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта (рис. 5) общий уровень напряжений заметно вырос. Отличие современного этапа состоит также в том, что области напряжений меньше 0,5 МПа проявляются только локально и имеют маленькие размеры. С областями разрушенной трещиноватой породы хорошо согласуются области с величиной минимального горизонтального главного напряжения от 0,5 до 3,0 МПа.
На современном этапе, как и ранее на момент завершения формирования Пярнуско-Наровского горизонта, проявляется новый важный результат, который невозможно было получить в тради-
ционной геомеханической модели, состоящий в присутствии на структуре локальных небольших по площади областей сильного сжатия породы (рис. 8). Причина их существования - действие
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 august 2017
47
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
тектонических сил, обуславливающих изменение палеорельефа в течение геологического времени. На современном этапе горизонтальные сжимающие напряжения достигают локально уровня 24,0 МПа, что, конечно, существенно превышает возможные напряжения, определяемые весом вышележащих пород, в традиционных моделях. При моделировании и проектировании ГРП наряду с величиной минимального главного горизонтального напряжения определяющее значение имеет его направление. На основе разработанной нами 3D-палеогеомеханической модели были проведены расчеты трехмерного распределения направления минимального главного напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте. Результаты для современного этапа приведены на рис. 9. Направление минимального главного горизонтального напряжения в породе характеризовалось углом отклонения от направления на северо-запад. Области с различными диапазонами углов отклонения показаны на рис. 9 разными цветами. Можно сделать вывод, что в целом по площади ПХГ направление минимального главного горизонтального напряжения близко к направлению вдоль оси У (поперек структуры), отклонение по углу в основном не превышает 15° как по, так и против часовой стрелки. Анализ результатов для 3Э-распределения направления минимального главного
напряжения в породе, действующего в I гдовском пласте на современном этапе (рис. 9), показывает наличие в структуре протяженных «нитевидных» областей, причем поперек «нити» угол отклонения минимального главного горизонтального напряжения быстро меняется. Существование таких областей потребует при планировании ГРП проведения детального локального анализа на основе разработанной нами 3Э-палеогеомеханической модели для корректного определения направления трещин гидроразрыва.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе описан новый подход к геомеханическому моделированию месторождений углеводородов и подземных хранилищ газа. В 3Э-палеогеомехани-ческой модели динамика целевого объекта в геологическом времени исследуется с помощью палеоструктурных построений. Палеоструктуры впервые позволяют с учетом тектонических сил определить трехмерные поля напряжений в породе, действующих на границах геологических периодов, а также на современном этапе. Найденные напряжения, связанные с тектоническими силами, могут существенно превышать напряжения в традиционных геомеханических моделях. Использование критериев разрушения позволяет определить сложное пространственное (3Э) расположение областей трещинова-
тости породы и улучшенных ФЕС, образующихся в результате разрушения растяжением или сдвигом. Возможности 3Э-палеогеомеханической модели продемонстрированы на примере Невского ПХГ. Полученные результаты могут быть использованы при размещении эксплуатационных скважин, технологическом проектировании месторождений и ПХГ, гидродинамическом моделировании,определении путей миграции флюидов. Доступная детализация найденной 3Э-картины главных напряжений может быть использована при проектировании и проведении работ по ГРП, при бурении (во избежание катастрофических поглощений бурового раствора), заканчивании скважин и т. п. Найденное трехмерное распределение направлений минимального главного напряжения в породе целевого объекта разработки является определяющим при разработке дизайна ГРП и проведении ГРП. Разработанный новый подход в геомеханике - 3Э-па-леогеомеханическое моделирование -впервые позволяет последовательно определить граничные условия при моделировании НДС в призабойной зоне с целью решения проблем эксплуатации скважин (разрушение породы, вынос песка). 3Э-палеогеомеханическая модель является импортозамещающей технологией по отношению к геомеханическому и ГРП-программному обеспечению.
Литература:
1. Пятахин М.В. Геомеханические проблемы при эксплуатации скважин. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. 266 с.
2. Пятахин М.В., Пятахина Ю.М. Управление техногенной трещиноватостью для улучшения фильтрационно-емкостных свойств коллекторов подземных хранилищ газа // Газовая промышленность. 2016. № 4. С. 39-43.
3. Давыдов А.Н., Рубан Г.Н., Шерстобитова Г.А., Хан С.А., Королев Д.С. Создание матрицы напряжений гдовского горизонта Невского подземного хранилища газа для уточнения мест заложения эксплуатационных скважин // Георесурсы. 2010. № 4 (36). С. 35-39.
4. Хан С.А., Давыдов А.Н. Совершенствование метода палеоструктурного анализа для повышения эффективности эксплуатации нефтегазовых месторождений и ПХГ. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. 137 с.
5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. 608 с.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987. 248 с.
References:
1. Pyatakhin M.V. Geomechanical Problems in the Wells Operation. Moscow, Gazprom VNIIGAZ, 2011, 266 pp. (In Russian)
2. Pyatahin M.V., Pyatakhina Yu.M. The Management of Technogenic Fracture to Improve Reservoir Properties of Collectors of Underground Gas Storages. Gazovaya promyshlennost' = Gas industry, 2016, No. 4, P. 39-43. (In Russian)
3. Davydov A.N., Ruban G.N., Sherstobitova G.A., Khan S.A., Korolev D.S. The Creation of a Pressure Matrix of the Gdovian Horizon of the Nevsky Underground Gas Storage Facility to Specify the Locations of Production Wells. Georesursy = Georesources, 2010, No. 4 (36), P. 35-39. (In Russian)
4. Khan S.A., Davydov A.N. The Improvement of the Method of the Paleostructural Analysis to Improve the Efficiency of the Operation of Oil and Gas Field and UGS. Moscow, Gazprom VNIIGAZ, 2013, 137 pp. (In Russian)
5. Belyaev N.M. The Material Resistance. Moscow, Nauka, 1976, 608 pp. (In Russian)
6. Landau L.D., Lifshits E.M. The Theory of eEasticity. Moscow, Nauka, 1987, 248 pp. (In Russian)
48
№ 7-8 август 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
