Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ТРЕЩИНАМИ И ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН В СКВАЖИНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПОСОБА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

В общем настоящее изобретение относится к способу определения интервалов между трещинами в скважинах, дающих углеводородный флюид.

ПРЕДПОСЫЛКИ

Движение нефти и/или газа из подземного пласта в ствол скважины зависит от различных факторов. Например, скважины, дающие углеводороды, часто возбуждают, используя способы гидравлического разрыва пласта. Как хорошо известно в данной области техники, способы гидравлического разрыва пласта включают в себя введение флюида при давлениях, достаточно высоких для гидравлического разрыва пласта. Такими способами гидравлического разрыва пласта можно повышать добычу углеводородов из ствола скважины.

В отдельных случаях гидравлический разрыв пласта может приводить к образованию сети взаимосвязанных трещин. Создание сложных сетей трещин путем гидравлического разрыва пласта представляет собой эффективный способ добычи углеводородных флюидов из пласта с низкой проницаемостью, такого как сланцевый газовый коллектор. Несколько факторов могут влиять на создание сложных сетей трещин. Одним значимым фактором является анизотропия напряжения в пласте (то есть максимальное горизонтальное напряжение в пласте за вычетом минимального горизонтального напряжения в пласте в обычном режиме сдвигового напряжения). Как показано в публикации заявки № 2011/0017458 (Loyd E. East et al.) на патент США, при низкой анизотропии напряжения в пласте возрастает вероятность создания сложных сетей трещин при гидравлическом разрыве пласта.

Хотя способы образования сложных сетей трещин известны, усовершенствованные способы образования сетей трещин следует считать значительным достижением в данной области техники.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ

Вариант осуществления настоящего изобретения касается способа определения расстояний между трещинами в стволе скважины, при которых наводятся сложные сети трещин. Способ содержит получение размера D_F1 первой трещины, выбираемого из наименьшей длины или высоты первой трещины. Ожидаемый размер D_F2 второй трещины выбирают из наименьшей ожидаемой длины или ожидаемой высоты второй трещины, подлежащей образованию. Определяют приблизительное местоположение второй трещины, подлежащей образованию, при этом приблизительное местоположение находится на расстоянии D_1-2 вдоль ствола скважины от первой трещины, где D_1-2 является процентом среднего арифметического D_F1 и D_F2. Определяют приблизительное местоположение третьей трещины, которая подлежит образованию, между первой трещиной и второй трещиной для наведения сложных сетей трещин, при этом приблизительное местоположение третьей трещины находится на расстоянии D_1-3 вдоль ствола скважины от первой трещины и приблизительном расстоянии D_2-3 вдоль ствола скважины от второй трещины, чтобы отношение D_1-3:D_2-3 было примерно равно отношению D_F1:D_F2. Приблизительное местоположение второй трещины используют в качестве входных данных при первом численном моделировании, чтобы вычислить заданное местоположение второй трещины. Разрывают ствол скважины, чтобы образовать вторую трещину около заданного местоположения второй трещины. Приблизительное местоположение третьей трещины используют в качестве входных данных при втором численном моделировании, чтобы вычислить заданное местоположение третьей трещины. Разрывают ствол скважины, чтобы образовать третью трещину, которая может создавать сложные сети трещин вокруг заданного местоположения третьей трещины.

Другой вариант осуществления настоящего раскрытия касается подвергнутого разрыву ствола скважины. Подвергнутый разрыву ствол скважины содержит первую трещину, имеющую размер D_F1 трещины, выбранный из наименьшей длины или высоты первой трещины; и вторую трещину, имеющую ожидаемый размер D_F2 второй трещины, выбранный из наименьшей ожидаемой длины или ожидаемой высоты второй трещины. Расстояние между первой трещиной и второй трещиной определяется как процент среднего арифметического D_F1 и D_F2. Третья трещина расположена между первой трещиной и второй трещиной. Третья трещина находится на расстоянии D_1-3 вдоль ствола скважины от первой трещины и расстоянии D_2-3 вдоль ствола скважины от второй трещины, чтобы отношение D_1-3:D_2-3 было приблизительно равно отношению D_F1:D_F2.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

Фиг.1 - блок-схема последовательности действий способа определения интервалов между трещинами в процессе разрыва согласно варианту осуществления настоящего раскрытия; и

Фиг.2 - схематичный вид сбоку ствола скважины, иллюстрирующий интервалы между трещинами, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.

Хотя в раскрытии допускаются различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты осуществления показаны для примера на чертежах и будут подробно описаны в этой заявке. Однако следует понимать, что раскрытие не предполагается ограниченным конкретными раскрытыми формами. Точнее, концепция охватывает все модификации, эквиваленты и варианты, попадающие в пределы сущности и в объем изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В настоящем раскрытии изложен способ определения уточненных расстояний между трещинами, при которых делается возможным посредством напряжения, наводимого чистым давлением трещин, снижать анизотропию напряжения в пласте и тем самым улучшать сложные сети трещин в пласте с низкой проницаемостью. Независимо от значения чистого давления каждой трещины способом в общем случае можно определять уточненные расстояния между трещинами.

На фиг.1 показан способ определения интервалов между трещинами в скважине согласно варианту осуществления настоящего раскрытия. Кроме того, способ будет описываться с обращением к фиг.2, на которой показан схематичный вид скважины 100, содержащей ствол 102 скважины, в котором образованы трещины при использовании способов настоящего раскрытия. Ствол 102 скважины может быть криволинейным или может находиться под любым углом относительно поверхности, например, может быть вертикальным стволом скважины, горизонтальным стволом скважины или стволом скважины, образованным под любым другим углом относительно поверхности. В варианте осуществления ствол скважины представляет собой приблизительно горизонтальный ствол скважины.

Как показано в блоке 2 из фиг.1, способ содержит получение размера D_F1 первой трещины. Исходя из соображений, которые будут описаны более подробно ниже, D_F1 можно выбирать для обозначения длины или высоты трещины в зависимости от того, какая из этих величин наименьшая. Как представлено на фиг.2, D_F1 показан как размер трещины 110 по высоте. В варианте осуществления образуют первую трещину и в таком случае размер D_F1 можно оценивать, например, на основании микросейсмических измерений или любым другим подходящим способом измерения размеров трещин. В качестве варианта D_F1 можно получать на основании предполагаемых размеров, приведенных на плане образования трещин, или любым другим подходящим способом. Трещину 110 можно образовывать любым подходящим способом.

Как показано в блоке 4 из фиг.1, способ содержит получение ожидаемого размера D_F2 второй трещины 120. D_F2 можно выбирать для обозначения длины или высоты трещины в зависимости от того, какая из этих величин наименьшая. Как представлено на фиг.2, D_F2 показан как размер трещины 120 по высоте. В качестве варианта тот же самый параметр, длину или высоту, используемый для D_F1, можно также использовать для D_F2 в зависимости от того, какая величина, длина или высота, является наименьшей для второй трещины.

Для определения приблизительного местоположения второй трещины 120 значение D_F2 можно прогнозировать любым подходящим способом. Например, D_F2 можно получать на основании предполагаемых размеров, приведенных на плане образования трещин.

Как показано на фиг.2, для вычислений, выполняемых в этой заявке, можно принять, что 1/2 высоты каждой из трещин, включая D_F1, D_F2, и других трещин, показанных на фиг.2, приходится на каждую сторону ствола 102 скважины. Специалист в данной области техники без труда поймет, что в действительности трещина по всей вероятности не будет образовываться столь симметрично.

Как показано в блоке 6 из фиг.1, до образования второй трещины 120 можно оценить заданный интервал D_1-2 между первой трещиной 110 и второй трещиной 120. D_1-2 можно оценить на основании процента среднего арифметического D_F1 и D_F2. Например, оцененное расстояние между первой трещиной и второй трещиной может быть от около 0,3×(D_F1+D_F2)/2 до около 0,8×(D_F1+D_F2)/2, такое как от около 0,35×(D_F1+D_F2)/2 до около 0,7×(D_F1+D_F2)/2. В варианте осуществления оцененное расстояние между первой трещиной и второй трещиной составляет около 0,6×(D_F1+D_F2)/2.

Как будет рассмотрено ниже, базис для оценивания расстояния между первой и второй трещинами основан на двух аналитических решениях и численном моделировании. Два аналитических решения представляют собой модель двумерной трещины (полубесконечную модель) и модель дисковидной трещины, которые обе широко известны в данной области техники. Из аналитических моделей можно получить следующую оценку для заданного расстояния между трещинами.

Из модели двумерной трещины (полубесконечной модели)

(уравнение 1)

где:

L₁ - расстояние вдоль ствола скважины от точки образования первой трещины до точки, в которой наблюдается максимальный скачок напряжения, наводимый чистым давлением в первой трещине;

L₂ - расстояние вдоль ствола скважины от точки образования второй трещины до точки, в которой наблюдается максимальный скачок напряжения, наводимый чистым давлением во второй трещине;

h₁ - высота первой трещины;

h₂ - высота второй трещины; и

υ - коэффициент Пуассона для пласта.

Из модели дисковидной трещины

(уравнение 2)

где L₁, L₂, h₁, h₂ и υ аналогичны описанным выше для уравнения 1.

Из уравнений 1 и 2 видно, что оптимальное расстояние между трещинами можно вычислять с использованием среднего арифметического высот первой и второй трещин, или (h₁+h₂)/2, умноженного на определенный множитель, такой как для полубесконечной модели трещины и для модели дисковидной трещины. В дополнение к этому аналитическим решением трехмерной задачи для эллипсоидной трещины подтверждается, что напряжение, наводимое чистым давлением в обычных двукрылых трещинах, может находиться между значением напряжения, определенным в соответствии с моделью дисковидной трещины, и значением напряжения, определенным в соответствии с полубесконечной моделью трещины. Кроме того, мы имеем и при этом 0≤υ≤0,5. Однако поскольку коэффициенты Пуассона для большинства пластов находятся между 0,2 и 0,4, то и Поэтому оцененное расстояние между трещинами, определенное с использованием приведенных выше моделей, находится между около 35% и около 70% среднего арифметического высот первой и второй трещин (в предположении, что высота является наименьшим размером, выбранным из длины и высоты трещины). Более подробное описание вывода формул 1 и 2 находится в предшествующей конференции публикации Hyunil Jo, Ph. D., Baker Hughes, SPE, под названием “Optimizing Fracture Spacing to Induce Complex Fractures in a Hydraulically Fractured Horizontal Wellbore”, SPE America’s Unconventional Resources Conference, Pittsburg, Pennsylvania (June 5-7, 2012), публикация №SPE-154930) (в дальнейшем называемая “SPE-154930-PP”), которая полностью включена в эту заявку путем ссылки.

В приведенных выше аналитических моделях предполагается, что первая и вторая трещины являются прямолинейными или что они параллельны друг другу. С другой стороны, чтобы принять во внимание влияние криволинейной трещины на скачок напряжения, наводимый чистым давлением, было разработано численное моделирование с использованием метода граничных элементов (МГЭ). Моделированием методом граничных элементов можно учесть эффект взаимодействия напряжений между первой трещиной, которая распространилась, и второй трещиной, которая распространяется.

Результаты моделирования методом граничных элементов показывают, что вторая трещина обычно является криволинейной, хотя ее кривизна зависит от различных факторов, таких как расстояние между трещинами и чистое давление. При том, что точные причины, по которым вторая трещина является криволинейной, не ясны, кривизна может вызываться изменением распределения сдвигового напряжения, наводимым взаимодействием между первой и второй трещинами в то время, когда вторая трещина распространяется. Моделирования показывают, что величина кривизны является зависимой от чистого давления и расстояния между трещинами (например, величина расстояния между первой и второй трещинами может оказывать влияние на кривизну второй трещины). Например, как рассмотрено более подробно в SPE-154930-PP, трещина может иметь аттрактивную геометрию, когда расстояние между трещинами находится в пределах определенных значений. Однако за пределами этих значений вторая трещина может иметь репульсивную геометрию. Например, вторая трещина, отнесенная на 200 футов (60,98 м) от первой трещины, может иметь в наибольшей степени репульсивную геометрию с кривизной, которая уменьшается по мере сокращения расстояния. При определенном расстоянии, таком как 70 футов (21,336 м), вторая трещина больше может не иметь репульсивной геометрии, а вместо этого будет параллельна первой трещине. При расстоянии меньше чем 60 футов (18,288 м) вторая трещина может иметь аттрактивную геометрию. Изменение распределения сдвигового напряжения, наводимое взаимодействием между первой и второй трещинами в то время, когда вторая трещина распространяется, может быть причиной аттрактивной, репульсивной или параллельной геометрии трещины.

Кривизна второй трещины может влиять на скачок напряжения при сопоставлении с ситуацией, в которой образуется параллельная трещина. Из численного моделирования следует, что трещины с репульсивной геометрией могут усиливать скачок напряжения, наводимый взаимодействием трещин (то есть могут в большей степени снижать анизотропию напряжения в пласте), тогда как трещины с аттрактивной геометрией ослабляют скачок напряжения (то есть могут в меньшей степени снижать анизотропию напряжения в пласте). Результаты этих численных моделирований позволяют предположить, что повышенный скачок напряжения, наводимый взаимодействием трещин, может получаться при расстоянии между первой и второй трещинами, составляющем около 60% среднего арифметического высот первой и второй трещин. Этот показатель в большинстве случаев можно использовать для получения в начальном приближении местоположения трещины, которое можно использовать в качестве входных данных при выполнении численных моделирований, чтобы вычислять заданное местоположение второй трещины.

Как показано в блоке 10 из фиг.1, оцененное местоположение, вычисленное для второй трещины, можно использовать для определения заданного местоположения второй трещины путем применения способов численного моделирования. Например, моделирования можно выполнять, чтобы исследовать значение скачка напряжения, наводимого чистым давлением, для местоположения трещины, вычисленного на основании 60% среднего арифметического высот первой и второй трещин, а также других возможных местоположений трещин вблизи оцененного местоположения, таких как 40%, 50%, 55%, 65% и 70% среднего арифметического высот первой и второй трещин. Затем получившиеся значения скачков напряжения можно сравнивать, чтобы определять заданное местоположение, где трещину следует образовывать. Как показано в блоке 12 из фиг.1, трещину в стволе скважины можно образовывать вблизи заданного местоположения второй трещины.

Третью трещину 130, которая может создавать сложные сети трещин, можно располагать между первой трещиной 110 и второй трещиной 120. Как показано на фиг.2, местоположение третьей трещины 130 находится на расстоянии D_1-3 вдоль ствола скважины от первой трещины и расстоянии D_2-3 вдоль ствола скважины от второй скважины. Как показано в блоке 8 из фиг.1, в варианте осуществления приблизительное местоположение третьей трещины определяют заданием отношения D_1-3:D_2-3 примерно равным отношению D_F1:D_F2. Например, отношение D_1-3:D_2-3 может быть в пределах ±5% значения среднего арифметического двух высот D_F1 и D_F2 трещин, такого как в соотношении [D_F1±(0,05)(D_F1+D_F2)/2]:[(D_F2±(0,05)(D_F1+D_F2)/2].

Аналогично тому, как это было в случае определения местоположения второй трещины, для определения приблизительного местоположения третьей трещины 130 можно использовать прогнозное значение для D_F2. В качестве варианта значение D_F2, которое используют для определения местоположения третьей трещины, можно получать при использовании других подходящих способов, например, как это хорошо известно в данной области техники, путем оценивания реального размера на основании микросейсмических измерений после образования второй трещины.

Как показано в блоке 14 из фиг.1, оцененное местоположение, вычисленное для третьей трещины, можно использовать для определения заданного местоположения третьей трещины при использовании способов численного моделирования. Например, моделирование можно выполнять, чтобы исследовать значение скачка напряжения, наводимого чистым давлением, для различных местоположений трещины на приблизительном месте нахождения третьей трещины или вблизи него. Затем получившиеся значения скачков напряжения для различных местоположений трещины можно сравнивать, чтобы определять заданное место, на котором следует образовывать трещину. Как показано в блоке 16 из фиг.1, трещину в стволе скважины можно образовывать около заданного местоположения третьей трещины.

Дополнительные трещины можно образовывать при использовании способов, описанных в этой заявке. В общем случае процесс, рассмотренный выше для оценивания и определения заданных местоположений трещин 120 и 130, можно повторять для образования любого количества дополнительных трещин. Например, на фиг.2 показаны четвертая трещина 140 и пятая трещина 150, имеющие интервалы между трещинами, определяемые способами настоящего раскрытия. Пятая трещина может быть образована для создания сложной сети трещин. В одном варианте осуществления процесс образования четвертой трещины 140 и пятой трещины 150 может выполняться, если расстояние D_1-2 между и второй трещинами больше, чем значение D_F1.

Было установлено, что более совершенные сложные сети трещин получаются в пространстве между второй и четвертой трещинами, если расстояние D_1-2 между первой и второй трещинами больше, чем значение D_F1. Причина состоит в том, что когда это условие удовлетворяется, эффект ослабления напряжения, вызванный первой трещиной, почти исчезает в пространстве между второй и четвертой трещинами. Эффект ослабления напряжения между трещинами обычно определяется наименьшим размером области трещины (то есть высотой трещины или длиной трещины), которая обычно является высотой трещины. Например, поэтому в случаях, когда высота трещины является наименьшей из высоты трещины или длины трещины, то способами настоящего изобретения можно получать улучшенные результаты, если расстояние между первой и второй трещинами больше, чем высота первой трещины.

После образования четвертой трещины 140 можно определить заданный интервал D_2-4 между второй трещиной 120 и четвертой трещиной 140. D_2-4 оценивают с использованием процента значения среднего арифметического D_F2 и D_F4, где D_F4 выбирают из наименьшей ожидаемой длины или ожидаемой высоты четвертой трещины 140.

Например, оцененное расстояние между второй трещиной и четвертой трещиной может быть от около 0,3×(D_F2+D_F4)/2 до около 0,8×(D_F2+D_F4)/2, таким как от около 0,35×(D_F2+D_F4)/2 до около 0,7×(D_F2+D_F4)/2. В варианте осуществления оцененное расстояние между второй трещиной и четвертой трещиной составляет около 0,6×(D_F2+D_F4)/2. Оцененное расстояние можно подтверждать или корректировать на основании способов численного моделирования, которые хорошо известны в данной области техники.

Пятая трещина 150, которая может создавать сложную сеть трещин, может быть расположена между второй трещиной 120 и четвертой трещины 140. Как показано на фиг.2, местоположение пятой трещины 150 находится на расстоянии D_2-5 вдоль ствола скважины от второй трещины и расстоянии D_4-5 вдоль ствола скважины от четвертой трещины. В одном варианте осуществления расстояния D_2-5 и D_4-5 выбирают так, чтобы отношение D_2-5:D_4-5 было приблизительно равно отношению D_F2:D_F4. Например, отношение D_2-5:D_4-5 может быть в пределах ±5% значения среднего значения высот D_F2 и D_F4 трещин, такого как в соотношении [D_F2±(0,05)(D_F2+D_F4)/2]:[D_F4±(0,05)(D_F2+D_F4)/2].

Как это было в случае определения местоположения четвертой трещины, для определения местоположения пятой трещины 150 можно прогнозировать значение D_F4. В качестве варианта значение D_F4, которое используют для определения местоположения пятой трещины, может быть получено при использовании других подходящих способов, хорошо известных в данной области техники, таких как оценивание величины D_F4 на основании микросейсмических измерений после образования четвертой трещины.

Как упоминалось выше, процесс образования четвертой трещины 140 и пятой трещины 150 может быть выполнен, если расстояние D_1-2 между первой и второй трещинами больше, чем значение D_F1. С другой стороны, если D_1-2 меньше, чем значение D_F1, или равно ему, второй набор трещин может быть образован на расстоянии, превышающем D_F2, от трещины 120 вместо образования трещин 140 и 150, описанных выше. Второй набор трещин (непоказанный) может быть образован путем повторения процесса, рассмотренного выше при образовании трещин 110, 120 и 130.

Настоящее раскрытие будет дополнительно описано применительно к следующим примерам, которые не означают ограничения изобретения, а дополнительно иллюстрируют различные варианты осуществления.

ПРИМЕРЫ

Нижеследующий пример представлен только для иллюстрации и не должен восприниматься как ограничивающий формулу изобретения этого раскрытия.

Обратимся к фиг.2 и предположим, что D_F1, D_F2 и D_F4 представляют собой размеры высоты, имеющие следующие значения:

D_F1=80 футов (24,384 м);

D_F2=190 футов (57,912 м);

D_F4=90 футов (27,432 м).

При задании расстояния между первой и второй трещинами, равного 60% среднего арифметического высот первой и второй трещин:

Вычисленный интервал D_1-2=(80+190)/2×0,6 =81 фут (24,688 м).

Третья трещина должна располагаться на вычисленном расстоянии

D_1-3=80/(80+190)×81=24 фута (7,315 м) от первой трещины и

D_2-3=190/(80+190)×81=57 футов (17,373 м) от второй трещины.

Поскольку расстояние ((81 фут (24,688 м)) между первой и второй трещинами больше, чем D_F1 ((80 футов (24,384 м), аналогичный процесс вычисления можно выполнить, чтобы определить интервалы для четвертой и пятой трещин. Поэтому расстояние D_2-4 между второй и четвертыми трещинами может быть вычислено как (190+90)/2×0,6=84 фута (25,603 м).

Для пятой трещины может быть вычислено расстояние D_2-5=190/(190+90)×84=57 футов (15,24 м) от второй трещины и расстояние D_4-5=90/(190+90)×84=27 футов (8,229 м) от четвертой трещины.

Хотя были показаны и описаны различные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничено ими и, как должно быть понятно специалисту в данной области техники, включает в себя все модификации и изменения.