Результат интеллектуальной деятельности: Способ мониторинга подземного размещения отходов во время обратной закачки шлама в пласт

Изобретение относится к области управления отходами, в определении поведения трещины в пластах горных пород, во время операций по обратной закачке бурового шлама.

Известен способ оптимизации утилизации отходов в операциях нагнетания с давлением выше градиента гидроразрыва пласта (ГРП), относящийся к проведению утилизации отходов путем закачки в подземные проницаемые пласты.

Способ включает закачку порций подготовленной пульпы в поглощающую скважину выше давления гидравлического разрыва целевой зоны и нагнетание шлама отходов в трещину, образованную в целевой зоне, остановка закачки и проведение испытания на падение давления после остановки, а также закачивание последующего цикла порций отработанного шлама в ствол нагнетательной скважины с замещением их в стволе скважины промывочной жидкостью после прекращения закачки пульпы. В процессе циклической закачки отработанного шлама проводится анализ параметров закачки и определяется давление закрытие трещины. Способ предлагает использовать мгновенное давление остановки закачки (МДО) для определения давления закрытия трещины в зависимости от параметров пластов и величины самого МДО.

Способ описывает важность определения давления закрытия трещины, как основного параметра, влияющего на работу нагнетательной скважины и емкость подземных пластов, в которые производится закачка отходов. Также способ описывает недостатки определения давления закрытия трещины традиционными методами с использованием G-функции, квадратного корня от времени, логарифмического графика в связи с увеличением времени закрытия трещины из-за снижения проницаемости пластов. Указывается, что в некоторых случаях давление закрытия невозможно определить из-за слишком длительного закрытия трещины. Способ предлагает использовать мгновенное давление остановки закачки (МДО) для определения давления закрытия трещины в зависимости от параметров пластов и величины самого МДО (патент WO 2018/232419 А1, опубл. 20.12.2018, МПК Е21В 43/26, Е21Б 43/17).

Недостатком данного способа является то, что он может использоваться в исключительных случаях, где сложно определить давление закрытия трещины, что также влияет на качество определения давления. В остальных случаях давление закрытия трещины определяется традиционным путем посредством использования анализа G-функции и производных давления. Способ описывает только саму процедуру определения давления закрытия трещины, при этом не раскрывает вариантов дальнейшего использования рассчитанного давления закрытия трещины для целей мониторинга и проведения исследований поведения трещины.

Известен способ определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах, в котором при моделировании пластов во время закачки отходов определяют изменение пластового давления в горных породах от закачки жидкой фазы отходов, в зависимости от измененного пластового давления определяют развитие множественной трещиноватости, а также ширину, высоту и объем образованных трещин, учитывая значения ширины и высоты трещин, рассчитывают увеличение напряжения в ячейках модели, возникающее из-за развития трещин и накопления в них твердой фазы отходов. Затем сравнивают рассчитанный объем трещин с планируемым или фактическим закачанным объемом твердой фазы на текущий момент времени с начала закачки, если закачанный объем твердой фазы меньше расчетного объема образованных трещин, корректируют увеличение напряжения в ячейках модели на объем закачки, рассчитывают увеличение напряжения от жидкой фазы отходов за счет порового давления, а затем рассчитывают полное увеличение напряжения от накопления твердой и жидкой фаз отходов путем суммирования увеличений напряжений от твердой и жидкой фаз, при этом максимальный объем отходов рассчитывают как закачанный объем твердой и жидкой фаз на момент, когда минимальное напряжение в ячейках модели, подключенных к нагнетательной скважине, достигнет предельной величины напряжения (Патент RU №2771016 Способ определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах, опубл. 25.04.2022, МПК Е21В 49/00, G06F 17/00).

Недостатком данного способа является то, что способ проводится для определения емкости объекта, и он не предоставляет пути решения, возникшие в ходе фактических работ по закачке. Данный способ показывает хорошие результаты при построении модели, но не позволяет проводить анализ поведения давления и изменения напряжения в процессе проведения самой работы.

Наиболее близким по существенным признакам к предлагаемому изобретению является метод использования характеристик давления для прогнозирования аномального поведения давления в нагнетательных скважинах, включающий получение характеристик давления за период времени, интерпретацию характеристик давления за период времени для определения поведения трещины в пластах, выявление рисков, поиск решения на основе параметров трещины в пласте и реализацию этих решений.

Также раскрывается метод оценки рисков закачки при проведении операции по обратной закачке бурового шлама, включающий получение характеристик давления за определенный период времени, интерпретацию характеристик давления для определения свойств трещины, описание рисков, связанных с определенным свойством трещины в пласте, и реализацию решения на основе охарактеризованного риска. Варианты реализации преимущественно предоставляют операторам метод решения проблемы неидеального поведения давления во время операций обратной закачки шлама в пласт и метод оценки потенциальных рисков и воздействия операции обратной закачки шлама в пласт на недра и сам пласт (US 20100314104 А1, опубл. 16.12.2010, МПК Е21В 49/00).

Данный метод предлагает интерпретацию поведения давления в операциях по обратной закачке шлама в пласт и использование результатов интерпретации для определения поведения трещины, оценки рисков, поиска и реализации решений. В описании способа даны несколько примеров отклонений поведения трещины от нормы. Например, эффект влияния ствола скважины на падение давления, согласно описанию, указывает на наличие препятствия между стволом скважины и пластом, которое может быть вызвано скоплением отходов вблизи скважины. Согласно описанию, данное осложнение определяется на графике падения давления как прямая линия сразу после остановки скважины. Это осложнение увеличивает риск закупорки скважины, поэтому требует пристального контроля, оценки и проведения исследований.

Недостатком данного способа является то, что для определения причин осложнений и рисков предлагается использовать простое визуальное наблюдение кривых давлений.

Результаты визуального наблюдения и сравнения могут быть субъективными и для каждого проекта использование типовых кривых давления могут сильно отличаться в зависимости от геологии пластов, реологии закачиваемых жидкостей и технологии проведения самой закачки, что может привести к некорректной интерпретации рисков аномального поведения давления.

Недостатком данного способа является также то, что не предоставляет пути решения, возникшие в ходе фактических работ по закачке. Данный способ может приводить к ошибочной интерпретации поведения давления в процессе самой работы и связанных с ним рисков закачки, что также значительно снижает точность оценки поведения трещины в пласте и достоверность определения рисков.

Технической задачей является повышение точности оценки поведения трещины, а также достоверности определения рисков, связанных с отклонениями от нормального развития трещины в пластах горных пород при закачке отходов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе мониторинга подземного размещения отходов во время обратной закачки шлама в пласт, включающем получение характеристик поведения давления в течение периода времени; интерпретацию характеристик давления в течение периода времени для определения поведения трещины в пластах, выявление рисков, связанных с размещением отходов, и реализация решения, основанного на выявленном риске, определяют изменение давления закрытия трещины по фактической закачке отходов в течение всего периода эксплуатации скважины, а поведение трещины в пластах определяют по фактическому изменению напряжения пластов относительно размещенного объема отходов. Затем проводят сравнение изменений фактического давления закрытия трещины с фактическим изменением напряжения пластов, наличие или отсутствие рисков определяют по взаимному расположению кривой смоделированного напряжения пластов и точек фактического давления закрытия трещины, выявляют влияние каждого типа отходов на изменение давления закрытия трещины, по которым определяют оптимизацию закачки отходов путем изменения интенсивности закачки, свойств пластов и объема закачиваемых отходов.

Поведение трещины в пластах оценивают путем расчета параметров трещины и пластов, а также анализа изменения этих параметров во времени в зависимости от технических характеристик закачки с учетом размещенного объема жидких и твердых отходов.

Использование для сравнения изменение давления закрытия трещины по фактической закачке отходов и сравнение со смоделированными кривыми напряжения пластов, которые характеризуют поведение трещины в пластах, позволяет четко определить те или иные отклонения, которые могут возникать в ходе размещения отходов, улучшить точность определения рисков закачки и разработать процедуру предотвращения этих рисков, а также точность определения рисков, связанных с отклонениями от нормального развития трещины в пластах горных пород при закачке отходов.

Интерпретации отклонения напряжения пластов в объекте посредством использования оценки давления закрытия трещины для каждого типа закачиваемых отходов и сравнение его относительно смоделированных значений напряжения пластов, позволяет оценить риски недостижения проектного объема отходов и, исходя из этого, предотвратить их, что позволяет увеличить срок эксплуатации подземного объекта закачки.

Закачка отходов в пласты горных пород производится с образованием трещин гидравлического разрыва. Закачиваемые отходы могут содержать как твердую, так и жидкую фазы, которые при смешивании образуют суспензию, называемую пульпой. При закачке пульпы в пласты горных пород и образовании гидравлических трещин твердая фаза закачиваемых отходов накапливается в созданных трещинах, а жидкая фаза может фильтроваться в естественные пустоты (поровое пространство) горных пород, либо также оставаться в трещинах в зависимости от проницаемости горных пород.

При накоплении отходов в создаваемых трещинах происходит деформация пластов, которая ведет к постепенному увеличению напряжения в пластах с ростом объема закачанных отходов. Фильтрация жидкости в естественные пустоты (поровое пространство) горных пород приводит к увеличению порового давления флюида в этих пустотах (пластового давления), которое в свою очередь также приводит к увеличению напряжения в пластах.

Сумма изменений напряжений от размещения жидких отходов и деформации горных пород от размещения твердых отходов представляет собой полное изменение напряжения пластов.

σ₁=σ₂+P_r, где

σ₁ - общее напряжение пластов;

σ₂ - напряжение от деформации горных пород;

P_r - поровое давления.

Во время закачки отходов нормальным является плавный рост напряжения пластов с увеличением накопленного объема закачки. Скорость увеличения напряжения пластов зависит от свойств пластов, свойств отходов, а также технических параметров закачки, таких как интенсивность и скорость закачки.

Анализ проводят на основе моделирования напряжения пластов при закачке отходов, определения изменения фактического напряжения пластов при проведении работ по закачке отходов и сравнения смоделированного напряжений пластов и фактического давления закрытия трещины.

Так как величина напряжения пластов равна давлению закрытия трещины, то давление закрытия трещины можно определить во время закачки или во время остановки закачки. Существует множество методик определения давления закрытия трещины. Давление закрытия трещины, например, можно определить при пошаговом (ступенчатом) увеличении или снижении расхода закачки. Другим способом определения давления закрытия трещины служит анализ кривой падения давления при остановке скважины. Для этого можно построить график давления относительно квадратного корня от времени, либо построить график давления относительно специальной G-функции. Давление закрытия трещины на этих графиках определяется либо по точке перегиба кривой давления, либо по поведению производной давления.

Напряжение пластов, которое равно давлению закрытия трещины, является важнейшей величиной, характеризующей текущее состояние пластов, в которые производится закачка отходов. От напряжения пластов напрямую зависит текущее давление закачки, как в самих пластах, так и на устье нагнетательной скважины, через которую производится закачка отходов. Закачка отходов прекращается, когда давление в скважине или пластах достигает установленного ограничения по давлению. Это может быть, например, ограничение по прочности скважинного или поверхностного оборудования, или по мощности насосов закачки. Ограничением по давлению также может выступать предельная величина напряжения в пластах, которая может быть установлена существующими правилами или условиями проведения закачки на проекте.

Данный способ мониторинга закачки предлагает сравнение изменений фактического давления закрытия трещины с фактическим изменением напряжения пластов, которое показывает, каким должно быть напряжение пластов в заданный момент времени, либо после размещения определенного объема отходов. Смоделированное напряжение пластов представляет собой напряжение в неких идеальных условиях, отклонение фактического напряжения от смоделированного в заданный период времени (накопленный объем) закачки будет означать отклонение текущих условий закачки от идеальных, что должно говорить о возникновении осложнений в пластах закачки.

Твердая и жидкая фазы отходов оказывают различное влияние на конечное изменение общего напряжения пластов, поэтому смоделированное напряжение пластов рассчитывается с учетом изменения напряжения как от внедрения в пласты твердой фазы, так и от фильтрации жидкой составляющей отходов из трещины в пласт.

Учет влияния жидкой и твердой фазы на изменения напряжения в пласте позволяет улучшить качество и достоверность модели развития трещины, точности оценки поведения трещины в пластах, а также достоверности определения рисков, связанных с отклонениями от нормального развития трещины в пластах горных пород при закачке отходов.

Вначале моделируется максимальные геометрические размеры трещины и изменение напряжения от закачки твердых отходов, затем проводиться гидродинамическое моделирование закачки жидкой фазы. В гидродинамической модели учитывается трещина гидроразрыва пласта, которая задается как набор ячеек модели. Расход закачки в модели должен соответствовать прогнозируемому или фактическому расходу, скорректированному в соответствие с объемным содержанием жидкой фазы в закачиваемых отходах. Результатом гидродинамического моделирования является получение в модели области повышенного давления вокруг нагнетательной скважины. По результатам гидродинамического моделирования строится профиль пластового давления и оценивается изменения напряжения пластов от порового давления. Общее напряжение пластов будет суммарным результатом изменения напряжения от размещения твердых отходов за счет деформации горной породы и изменения напряжения от изменения порового давления за счет фильтрации жидких отходов. Затем строится график изменения смоделированного напряжения пластов. График может строиться в зависимости от времени закачки, накопленного объема закачки всего объема отходов, накопленного объема закачки твердой фазы, накопленного объема закачки жидкой фазы и т.д. в соответствии с поставленными целями. Далее на этом же графике строятся точки фактического давления закрытия трещины.

Наличие или отсутствие рисков определяют по взаимному расположению кривой смоделированного напряжения пластов и точек фактического давления закрытия трещины в данный момент времени.

Более высокое значение давления закрытия трещины в заданный момент времени или заданный объем закачки по сравнению со смоделированным напряжением пластов, означает, что напряжение при осуществлении закачки растет более быстрыми темпами, чем было запланировано. Это увеличивает риск недостижения требуемой емкости пластов по объему отходов и преждевременного прекращения закачки. Причинами более высокого значения фактического напряжения пластов могут являться различные факторы, например скопление твердой фазы отходов вблизи скважины и не эффективное распределение твердой фазы в трещине. Либо причиной может быть слишком интенсивная закачка отходов, когда жидкая фаза не успевает фильтроваться в пласты, что приводит к более интенсивному росту порового давления.

Для определения конечной причины возникновения более высокого напряжения пластов применяются специальные методы исследования давления закачки, например, такие как метод Хорнера для определения текущего порового давления и проводимости пластов, а также графики G-функции, которые служат для определения момента закрытия трещины.

Более низкое значение фактического напряжения в заданный момент времени или после закачки определенного объема по сравнению со смоделированным напряжением пластов может означать неконтролируемый вертикальный рост трещины за пределы пластов, в которые было запланировано осуществлять закачку. При выходе за пределы пластов, где изначально происходило накопление отходов и увеличение напряжения, трещина может прорваться в пласты, в которые ранее не производилась закачка и, соответственно, в которых отсутствовало увеличение напряжения пластов. Пересечение трещиной таких пластов с низким значением напряжения пластов приведет к падению давления закрытия трещины, что будет отображаться на графике сравнения, как более низкое напряжение пластов по сравнению со смоделированным напряжением. Данное поведение трещины увеличивает риск пересечения пластов, в которые нельзя производить закачку отходов, например, пресноводных пластов или нефтегазонасыщенных пластов. Не контролируемый вертикальный рост трещины также увеличивает риск недостижения требуемой емкости пластов, поскольку при выходе трещины за разрешенные границы или при возникновении угрозы пересечения пластов, в которые закачка запрещена, закачка отходов должна быть остановлена.

Также возможен сценарий поведения трещины, когда более высокие значения фактического напряжения пластов сменяются более низкими значениями напряжения при сравнении со смоделированным напряжением. Такое поведение может происходить, когда слишком высокие значения напряжения пластов, возникшие, например, из-за накопления твердой фазы отходов в прискважинной зоне пластов, приводят к неконтролируемому вертикальному росту трещины. Такое поведение трещины также является не желательным, поскольку несет в себе те же риски, что и при описанном выше неконтролируемом росте, когда напряжение пластов становится ниже смоделированного без предварительного увеличения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На Фиг. 1 - Пример графика кривой смоделированного напряжения пластов, построенного относительно накопленного объема закачки отходов.

На Фиг. 2 - Пример более высоких значений фактического давления закрытия трещины, по сравнению со смоделированным напряжением.

На Фиг. 3 - Пример более низких значений фактического давления закрытия трещины, по сравнению со смоделированным напряжением.

На Фиг. 4 - Пример, когда более высокие значения фактического давления закрытия трещины, сменяются более низкими значениями напряжения по сравнению со смоделированными значениями напряжения при неконтролируемом вертикальном росте трещины.

На Фиг. 5 - Пример сравнения смоделированной кривой напряжения пластов, и фактического давления закрытия трещины для случая более высоких значений фактического давления закрытия трещины.

На Фиг. 6 - Пример сравнения смоделированного напряжения пластов, и фактического давления закрытия трещины для случая, когда более высокое фактического давления закрытия трещины сменяется более низким фактического давления закрытия трещины относительно смоделированного напряжения.

Заявленный способ мониторинга подземного размещения отходов осуществляется следующим образом.

Пример 1. Сравнение смоделированного напряжения пластов и фактического давления закрытия трещины. Закачка отходов в данном случае производится в непроницаемый пласт аргиллитов.

Для осуществления первого примера было предварительно смоделировано изменение напряжения пластов от закачки жидких и твердых отходов. В данном случае напряжение пластов, было смоделировано с использованием гидравлической и гидродинамической моделей и при помощи прогноза развития множественной трещиноватости. При использовании данного способа напряжение пластов включает в себя две составляющие - напряжение пластов от изменения порового давления от жидкой фазы и напряжение пластов от деформации пород при внедрении твердой фазы в созданные трещины.

График анализа показан на Фиг. 5, где цифрами указаны 1 - смоделированное напряжение пластов, 2 - фактическое давление закрытия трещины соответствующее смоделированному напряжению, 3 - фактического давления закрытия трещины, значения которого превышают смоделированное.

В период с апреля по май 2021 года в описываемом примере 1 была запланирована интенсивная закачка отходов. Смоделированное напряжение, в этот период времени характеризуется умеренным ростом значений от 311 бар до 338 бар. При снижении интенсивности закачки с мая по июль 2021 года было спрогнозировано снижение напряжения пластов, из-за фильтрации жидкой фазы в пласты и понижения пластового давления.

Сравнение фактического давления закрытия трещины со смоделированным напряжением пластов показало, что темп роста и абсолютные значения фактического давления закрытия трещины значительно превышают смоделированное напряжение пластов. В результате анализа было выявлено, что причиной более быстрого роста фактического давления закрытия трещины явилась закачка пульпы слишком маленькими порциями без промежуточных промывок водой, что привело к быстрому скоплению твердой фазы в трещинах вблизи скважины и неэффективному распределению объема твердой фазы по пластам. Быстрое падение фактического давления закрытия трещины после достижения максимальных значений на исследуемом промежутке времени в данном случае не было связано с неконтролируемым ростом трещины согласно проведенным исследованиям. Похожая ситуация в этой скважине повторилась в июле-августе 2021 года. В ноябре-декабре 2021 года значения фактического давления закрытия трещины стали соответствовать смоделированным значениям напряжения пластов, благодаря предпринятым мерам по оптимизации закачки отходов, путем изменения объема порций и свойств пульпы.

Пример 2. Сравнение смоделированного напряжения пластов и фактического давления закрытия трещины. Закачка отходов в данном случае производится в чередующиеся пласты непроницаемых аргиллитов и слабопроницаемых алевролитов.

Для осуществления второго примера также было смоделировано напряжение пластов от закачки жидких и твердых отходов. Была построена модель развития гидравлической трещины и гидродинамическая модель с последующим прогнозом развития множественной трещиноватости. Использование данного способа оценки напряжения в пластах позволило учитывать изменение напряжения от внедрения твердой фазы за счет деформации горных пород и изменения порового давления за счет фильтрации в пласт жидкой фазы.

График анализа показан на Фиг. 6, где цифрами указаны 1 - смоделированное напряжение пластов, 2 - фактическое давление закрытия трещины соответствующее смоделированному напряжению, 3 - фактическое давление закрытия трещины, значения которого превышают смоделированное, 4 - фактическое давление закрытия трещины, значения которого существенно ниже смоделированного напряжения.

В период 2016-2017 годов согласно результатам моделирования предполагалось постепенное увеличение напряжения пластов с ростом объема закачанных отходов. Небольшие колебания смоделированного напряжения пластов в этот период происходили из-за изменения интенсивности закачки. В конце 2015 - начале 2016 фактические значения напряжения пластов в целом соответствовали смоделированному напряжению пластов, некоторое расхождение объясняется погрешностями расчетов и в данном случае были признано допустимым и не отражающим увеличения рисков. Значительное превышение фактического давления закрытия трещины относительного смоделированного напряжения пластов произошло в 2016-2017 годах. Данный рост был вызван более быстрым ростом пластового давления, а также накоплением твердой фазы отходов. При снижении интенсивности закачки, а также благодаря изменению свойств закачиваемых отходов, к концу 2016, началу 2017 года фактическое давление закрытия трещины снизилось до значений смоделированного напряжения. Следующее значительное превышение фактическим напряжением пластов смоделированных значений произошло в феврале-марте 2017 года. После достижения максимума напряжение пластов начало снижаться, однако снижение завершилось ниже значений смоделированного напряжения пластов. Напряжение пластов оставалось низким значительный период времени, поэтому была оценена вероятность неконтролируемого роста трещины. Дополнительные исследования, проведенные в 2018 году, показали отсутствие неконтролируемого вертикального роста трещины и угрозы прорыва трещины в нежелательные пласты. В данном случае падение давления закрытия трещины ниже смоделированного напряжения пластов было связано с более интенсивным развитием множественной трещиноватости в пластах из-за высокого давления закачки, которое привело к увеличению эффективности распределения накопленной твердой фазы и снижению напряжения пластов ниже прогнозных значений.