Геомеханическое моделирование в оценке величины допустимой депрессии для скважины с открытым забоем

Источник: Журнал «PROнефть»

Прогнозирование количества вынесенной породы из скважин с открытым забоем – одна из главных задач при назначении для них рабочей депрессии.

Как известно, вопрос пескопроявления и выноса твердой фазы необходимо рассматривать с двух сторон: геомеханической – для оценки степени разрушения околоскважинного пространства, и гидродинамической – для определения скорости потока и ее влияния на вынос разрушенных частиц. Однако часто наблюдается незакономерный вынос породы, обусловленный влиянием особых процессов, происходящих в призабойной зоне, когда при снижении забойного давления вынос отсутствует, и, наоборот, с его повышением обломки породы появляются на поверхности. Это свидетельствует об уже имеющихся разрушениях околоскважинной зоны. В этом случае 1D геомеханическая модель (MEM – Mechanical Earth Model) позволяет оценить уровень и характер разрушений, что в свою очередь определяет возможность увеличения депрессии на текущий период эксплуатации скважины, чтобы избежать ее полного разрушения.

Оценка возможности повышения депрессии с целью увеличения добычи была проведена для скв. S-1 месторождения Х, карбонатный коллектор которого характеризуется аномально высоким пластовым давлением. Вынос твердой фазы происходил вне зависимости от применяемой депрессии или дебита. Опыт освоения соседней скважины данного месторождения, полностью разрушенной при опробовании, также свидетельствует о разрушающем воздействии применяемой депрессии. Главная задача заключается в том, чтобы найти критическое значение давления, при котором не будет происходить постепенного разрушения околоскважинной зоны, а также неконтролируемого выноса породы.

Целью данной работы являлась оценка состояния открытого забоя исследуемой скважины. Необходимо было дать рекомендации по ограничению депрессии (возможно ли ее увеличить на текущий момент), чтобы избежать негативных последствий при эксплуатации скважины. 

ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ

Для решения описанной задачи был проведен расчет и анализ 1D МЕМ, представляющей собой коллаборацию действующих в пласте напряжений, упруго-прочностных свойств, пластового давления с учетом искривления скважинной выработки [1]. На текущий момент пластовое давление по скважине S-1 снизилось с 72,8 МПа до 67,3 МПа. Общее количество твердых частиц, вынесенных на поверхность Мsolid , составило 724 кг. Используя в данной модели некоторое пре- дельное значение, по которому можно определить, разрушится ли тот или иной интервал при тех или иных условиях (в данном случае использовался критерий Мора-Кулона), а также оценить состояние и степень разрушения прослоя мощности открытого забоя. На рис. 1 приведена данная модель, где желто-оранжево-красная заливка указывает на интервалы, которые являются наиболее слабыми и больше других подвержены разрушению.


Рис. 1. 1D MEM участка коллектора с разной глубиной повреждений относительно радиуса скважины

Левая граница зоны с серой заливкой характеризует градиент начала нефтегазопроявления, зоны с желтой заливкой – градиент начала обрушений, правая граница зоны с голубой заливкой - градиент начала поглощений, а зоны с темно-синей заливкой – градиент разрыва или градиент начала трещинообразования. Между данными зонами находится так называемое «безопасное окно» бурового раствора, указывающее на вес бурового раствора, который можно применять при бурении данной скважины, чтобы не вызвать осложнений и аварий во время ее проводки.

Чтобы перейти от качественного анализа к количественному, существует концепция глубины повреждений (depth of damage), основанная на утверждении, что критическое состояние ствола скважины или самый высокий риск обрушения достигается в тот момент, когда радиус скважины по наибольшей оси эллипса составляет 20-25 % номинального радиуса скважины [2] (зона, указанная красной заливкой на рис. 1). Следует отметить, что в плане модель разрушения ствола скважины в идеале представляет собой эллипс: со стороны большей оси действует минимальное горизонтальное напряжение, со стороны меньшей – максимальное SHmax (рис. 2).


Рис. 2. Фактическое разрушение (а) и модель разрушения (б) ствола скважины (в плане) в зонах с наибольшей вероятностью выноса породы:
r0 – начальный радиус скважины; ra, rb – соответственно большая и малая полуось эллипса разрушения

Если предположить, что максимальное разрушение ствола возникает в момент достижения максимальной депрессии (или минимального забойного давления), то количество разрушенной породы по принятой эллиптической модели разрушения Mmodel должно быть с долей погрешности соизмеримо с накопленным количеством фактически вынесенной породы на поверхность Msolid. Таким образом, об адекватности подобранной эллиптической модели по всему открытому стволу можно судить, сравнивая количество разрушенной породы, определеное по модели, с накопленным количеством породы, фактически вынесенной на поверхность, что в итоге позволяет оценить критичность состояния всего резервуара.

В таблице представлены результаты расчетов по модели разрушения. Следует отметить, что рассчитанное по модели количество разрушенной породы при забойном давлении 46 МПа практически соответствует ее фактической массе.

Группа Диаметр ствола
с учетом
показаний
каверномера D, м
Площадь зоны
разрушения, м2
Количество разрушенно породы, м3
(масса, кг), при давлении, МПа
красной желтой светло-желтой 46 47,7 50 52,3
1 0,14 0,00862 0,00238 0,00077 0,0167 0,0085 0,0055 0,0020
2 0,1397 0,00858 0,00237 0,00077 0,0370 0,0255 0,0240 0,0162
3 0,1397 0,00858 0,00237 0,00077 0,0135 0,0102 0,0039 0,0015
4 0,145 0,00924 0,00256 0,00083 0,2234 0,1550 0,1266 0,0982
Всего         0,2906 (755,52) 0,1993 (518,11) 0,1600 (415,93) 0,1178 (306,33)

Из рис. 1 видно, что зеленая линия, соответствующая минимальному (за время эксплуатации скважины) забойному давлению, пересекает красно-оранжево-желтую зону во многих интервалах, следовательно, разрушения достигли критического уровня в некоторых особенно слабых интервалах, и превышение данного значения давления в дальнейшем может негативно отразиться на стабильности ствола скважины. Критическое значение забойного давления для скважины S-1 составило 46 МПа.

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ИСТОЩЕНИЯ НА СТАБИЛЬНОСТЬ СТЕНОК СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Помимо критической депрессии, которая может стать причиной сдвиговых разрушений в той или иной области, по мере истощения и снижения пластового давления повышаются эффективные напряжения σeff, представляющие собой разность полного напряжения σ и текущего пластового давления pinit


где η – коэффициент пороупругости.

Эффективное тангенциальное напряжение вычисляется по формуле


где σ1, σ2 – главные напряжения в поперечном сечении ствола скважины, МПа;
pw – текущее забойное давление, МПа.

Эти напряжения (тангенциальные или кольцевые), действующие на стенки ствола скважины, могут привести к разрушению горной породы. Для того, чтобы компенсировать нарастающие напряжения, забойное давление в процессе эксплуатации должно превышать установленное критическое значение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 3 представлен результирующий график, суммирующий вышесказанные положения по определению допустимой депрессии для скважины S-1, исходя из существующих пластовых условий.


Рис. 3. Определение допустимой депрессии для скважины S-1 c учетом истощения пласта и состояния его призабойной зоны

По рис. 3 можно определить, в каком диапазоне должна быть депрессия, чтобы избежать сдвиговых разрушений в околоскважинной зоне. При попадании в «конус» возникают условия, способствующие образованию дополнительных разрушений за счет возрастающих тангенциальных напряжений, действующих на стенки ствола. Крайняя правая образующая конуса указывает на критическую депрессию, превышение которой крайне нежелательно и может привести к полному обрушению скважины. Крайняя левая образующая является границей опасной зоны: при депрессии ниже данного предельного значения риск разрушений минимизирован. Таким образом, при текущем пластовом давлении скважины S-1, равном 67,3 МПа, диапазон значений депрессии Δp, при которой могут возникать разрушения, составляет 19,0-21,3 МПа. При текущем критическом забойном давлении, равном 46 МПа, возможно снижение забойного давления с текущего значения 51 МПа на 5 МПа.

На основе полученных результатов была составлена программа по снижению забойного давления, которое необходимо проводить пошагово в три этапа: 1,5 МПа на каждом этапе. После каждого этапа необходимо контролировать состояние скважины. В случае возникновения выноса твердой фазы следует пересматривать 1D MEM и эллиптическую модель разрушения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы был предложен оперативный метод определения критической и допустимой депрессии для скв. S-1 с открытым забоем, рассчитана допустимая депрессия с учетом тангенциальных напряжений на текущий период эксплуатации скважины, а также определена ее динамика по мере снижения пластового давления. Для подобной оценки требуется только корректно построенная 1D MEM ствола скважины, которая позволяет корректно определить главные напряжения, а также упруго-прочностные свойства пород. Последние, как правило, являются самой большой неопределенностью в подобных моделях и в наибольшей степени влияют на результаты исследования.

В частности, такой параметр, как прочность на одноосное сжатие UCS, существенно влияет на вид и локализацию разрушений. Магнитуда и анизотропия напряжений также вносят весомые изменения в модель стабильности ствола.

Контроль разрушения околоскважинного пространства при разработке – процесс сложный, зависящий от совокупности множества факторов. Разрушения могут носить непредсказуемый характер: ослабленные участки по границам вполне могут создать условия для разрушения устойчивых интервалов (например, сколы по плоскостям трещин). Однако приведенный метод является хорошим инструментом, позволяющим оценить рабочий потенциал скважины до полного ее разрушения или обвала, и может быть использован в оценке состояния призабойной зоны пласта в случае наличия хвостовика, например, может объяснить резкое увеличение скин-фактора или неустойчивость перфорационных отверстий.

Список литературы

1. Zoback M.D. Reservoir Geomechanics. – Cambridge: Cambridge University Press, 2007. – 500 р.

2. US Patent Application No. 13/863572. Determining A Limit Of Failure In A Wellbore Wall / M. Frydman. – filed 17.04.13. 


Авторы статьи:  Ю.В. Кондрашова РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Источник:  Журнал «PROнефть»

Возврат к списку