Параметрическое обеспечение и контроль технологии гидроразрыва пласта по данным ГИС

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является одной из наиболее распространённых технологий повышения продуктивности скважин и темпов отбора нефти и газа. Но, несмотря на широкое распространение данного метода и накопленный опыт применения, не все операции ГРП оказываются эффективными. Это объясняется как недостаточно обоснованным выбором технологии, так и некорректным определением параметров проведения и несоблюдением самой технологии гидроразрыва пласта.

Устранить причины неуспешности проведения операций ГРП можно на основе активного внедрения геофизического сопровождения [1] на всех стадиях его проведения в скважинах, начиная от обоснования подбора объектов воздействия и заканчивая контролем за процессом развития и оценкой его эффективности.

Гидроразрыв пласта проводится на основе полученных расчётных параметров, включающих минимальное и максимальное давление гидроразрыва и скорость его набора, длину и раскрытость трещины разрыва, необходимое количество рабочей смеси и проппанта. Для расчёта этих параметров необходимы знания [2] глубин залегания и толщин пластов, литологических характеристик выделенных пластов и прослоев, коэффициентов общей плотности, пористости, проницаемости, глинистости, коэффициента Пуассона и модуля Юнга. Перечисленные характеристики могут быть получены по результатам ГИС.

Поскольку технология ГРП требует точной оценки свойств пласта, а стандартный комплекс ГИС не всегда позволяет полноценно изучить скважинное пространство, возникает необходимость в дополнительных геофизических исследованиях. Рассмотрим рекомендуемый дополнительный комплекс ГИС.

Метод ВАК­Д благодаря использованию набора зондов (монопольных с разными рабочими частотами и дипольных с двумя ортогонально ориентированными системами поляризации диполей) позволяет получить амплитудные и временные параметры волн, рассчитать физико­механические свойства (ФМС) горных пород, рассчитать коэффициент акустической анизотропии и определить её направление, построить карту анизотропии, выделить проницаемые пласты и оценить их проницаемость. Увеличения коэффициента азимутальной акустической анизотропии часто связаны с наличием естественных трещин в интервале исследований. Определение азимута естественной трещиноватости или напряжённого состояния пород можно считать весьма перспективным с целью прогнозирования направления трещины гидроразрыва.

Выделенные по ВАК­Д интервалы анизотропии могут быть обусловлены не только трещиноватостью, но и слоистостью, и литологией горных пород, а трещины могут являться залеченными. Для разрешения подобных задач используют показания методов стандартного комплекса ГИС, проведённых в необсаженной скважине. Также недостаток в исходных данных для изучения трещиноватости обуславливает использование дополнительного комплекса методов в открытом стволе скважины (в случае, если на скважине заранее запланировано ГРП).

Например, результаты исследований возможно дополнить данными электрических методов, проводимых в открытом стволе, в частности, данными электрического микросканирования (ЭМС). С помощью ЭМС можем получить изображение скважины с целью определения наклона пластов, расположения трещин, структуры осадочных пород, исследования тонкослоистых структур [4]. Перспективным в этом направлении считается КарСар МС­110. В настоящее время данный прибор проходит завершающую стадию промышленных испытаний.

Как правило, ВАК­Д до ГРП с целью определения параметров, необходимых для проектирования, проводят уже в обсаженной скважине. Но выделенные участки анизотропии могут быть связаны с дефектами обсадной колонны, поэтому изучение акустической анизотропии следует начинать с исследований в открытом стволе скважин, а исследования в обсадной колонне дополнять данными акустической цементометрии (АКЦ) в комплексе со сканирующей акустической цементометрией (АКЦ­С).

Контроль качества цементирования [1] имеет своей задачей определение величины и типа дефектов в цементном кольце, а также оценку опасности, которую они представляют с точки зрения возможности нарушения изоляции заколонного пространства при проведении ГРП. Для проведении АКЦ­С используются высокочастотные приборы, позволяющие получить карту сцепления цементного камня с колонной и выделять дефекты в цементном кольце. На рис. 1 представлены результаты исследования комплексом методов ВАК­Д, АКЦ, АКЦ­С до ГРП.

Для оценки результата ГРП комплекс должен включать методы ГИС, позволяющие оценить изменение свойств горных пород, в частности, ФМС и проницаемости, качество цементирования обсадной колонны. Задачи данного этапа также могут быть решены с помощью метода ВАК­Д совместно с комплексом АКЦ + АКЦ­С.

На рис. 2 представлен интервал исследований в скважине до и после ГРП. После гидроразрыва в интервале ГРП коэффициент Пуассона (KPU), коэффициент объёмной сжимаемости (ВЕТА) увеличиваются, как и проницаемость (Кпр) и коэффициент анизотропии (KANI).

Исследования ВАК­Д после ГРП при получении желаемого притока зачастую не проводят, что является упущением. Оценка эффективности проведения ГРП при этом не полноценна.

Выше перечисленные задачи могут быть решены при проведении работ с помощью специальных приборов. Они предназначены для проведения волнового акустического каротажа, обеспечивая одновременную регистрацию волновых пакетов от монопольного, ХХ и YY дипольных источников акустического излучения. В режиме исследования дипольными источниками достигается измерение поперечной волны в широком диапазоне скважинных условий. Полученные данные могут быть использованы для изучения акустической анизотропии.

Кроме этого, они обязаны измерять в открытом стволе скважин кинематических и динамических характеристик упругих волн и в обсаженных – для оценки качества цементирования обсадных колонн. При работе с цифровой станцией обеспечивается регистрация волнового пакета по двум приёмникам. Излучатель работает в трёх режимах: высоких частот (ВЧ), низких частот (НЧ), рефлектор (предназначен для излучения и приёма акустического сигнала излучателем). Монопольный режим обеспечивает измерение скоростей продольной, поперечной и волны Стоунли.

Комплексные работы специальными приборами позволяют провести исследования методами ВАК­Д и АКЦ.

Для оценки качества цементирования, а также для измерения геометрии внутренней стенки обсадной колонны рекомендуются приборы с восьмиканальными (не менее) радиально распределённым акустическими зондами. В качестве ультразвуковых излучателей и приёмников используются две группы, в каждой по 8 дисковых пьезокерамических преобразователей, сдвинутых друг относительно друга на 45°. В приборе реализовано три режима работы: АКЦ, рефлектор, профиль.

Комплексные исследования с помощью специальных приборов могут дать наиболее полную информацию о качестве цементирования, контакте цемента с обсадной колонной и горной породой.

Для точного определения направления акустической анизотропии необходима совместная запись приборов акустического каротажа со скважинным инклинометром. В связи с этим сборка скважинных приборов должна быть дополнена инклинометром, в частности УГИ­42.

Для защиты гироскопического инклинометра, обеспечения герметичности и электрического согласования при проведении работ связками приборов предназначен корпусный прибор КарСар КП73.

При проведении ГРП в скважину спускают автономные манометры. На рис. 3а представлен автономный манометр, а на рис. 3б контейнер, в который его помещают для совмещения с остальной компоновкой (для проведения гидроразрыва).

Использование автономных манометров позволяет проводить контроль давлений во время гидроразрыва пласта. На рис. 4 приведён график замеров давления и температуры при проведении ГРП.

Существует ряд методов, позволяющих дополнительно к данным ГИС увеличить качество контроля проведения ГРП. Одним из них являются микросейсмические исследования. Микросейсмические колебания [2] – это микроземлетрясения, вызываемые изменениями напряжения и порового давления, связанными с трещиной ГРП. Эти микроземлетрясения происходят в результате деформаций растяжений или проскальзывания по ранее существующим ослабленным плоскостям (по естественным трещинам и др.).

Сбор данных о микросейсмических колебаниях производится в несколько этапов. До гидроразрыва пласта определяют уровень и частотный состав сейсмических шумов. Во время кумулятивного прострела перфорации [6] для уточнения координат забоя скважины, скоростного разреза и резонансных характеристик коллектора продуктивного пласта. После этого следует стадия мониторинга микросейсмических событий, возникающих во время процесса ГРП. Затем с помощью анализа микросейсмических событий оценивают геометрию системы трещин.

Примеры результатов микросейсмического мониторинга представлены на рис. 5 и рис. 6.

Микросейсмический мониторинг (МСМ) имеет значительно больший радиус исследования, чем методы ГИС, и позволяет получать данные за достаточно продолжительный период времени.

Лучшее понимание процесса ГРП на основе данных микросейсмического мониторинга позволяет планировать рациональную расстановку скважин для новых месторождений, подготавливать оптимальные программы ГРП, оценивать программы перфорации скважин, а также проводить калибровку воздействия на пласт при моделировании гидроразрыва [2].

Таким образом, определим комплекс методов, необходимых для параметрического сопровождения технологии ГРП:

– до ГРП в открытом стволе: микросейсмические исследования, стандартный комплекс ГИС, дополнительные методы ГИС (ВАК­Д, ЭМС), анализ полученных парамет­ров;

​– до ГРП в обсаженной скважине: ВАК­Д, АКЦ, АКЦ­С, исследования температурного режима, давления, приточности, анализ параметров, контроль качества цементирования;

– во время ГРП: микросейсмический мониторинг ГРП, контроль давлений, контроль за процессом развития;

​– после ГРП: ВАК­Д, АКЦ, АКЦ­С, исследования температурного режима, давления, приточности, микросейсмические исследования, оценка эффективности проведения ГРП, контроль качества цементирования.

Рассмотренный комплекс методов позволяет обеспечить геофизическое сопровождение технологии ГРП на всех этапах его проведения.

1. Гуторов Ю.А., Шакурова А.Ф. Основы технологии гидроразрыва пласта в нефтяных и газовых скважинах. – Уфа: УГНТУ, 2009. – 199 с.

2. Джоэль Г. Ле­Кливеи др. фирма «Шлюмберже». Микросейсмический мониторинг развития трещин ГРП для оптимизации мероприятий по повышению нефтеотдачи месторождений // ж.­л. «Нефтеотдача» 2005, №4. – 7 c.

3. Козяр В.Ф., Белоконь Д.В. и др. Акустические исследования в нефтегазовых скважинах: состояние и направления развития// НТВ Каротажник, №63, 1999. – 29 c.

4. Микросканер скважинный КарСар МС110: пас­порт прибора. – г. Саратов: «ООО Геофизтехника», 2012. – 5 с.

5. Экономидес М., Олини Р., Валько П. Унифицированный дизайн гидроразрыва пласта: от теории к практике. – Москва­Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2007. – 236 с.

6. Презентационные материалы ООО «Геофизтехника», г. Саратов.

7. Рабинович Е.В., Туркин А.С., Новаковский Ю.Л. Наземная локация микросейсмических сигналов для мониторинга гидравлического разрыва пласта //ж.­л. «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», 2012, №1 (25) часть 1. – с. 104­112