Построение геомеханических моделей геологических разрезов для расчета стабильности бурения горизонтальных скважин на нефтяных месторождениях
|
ВВЕДЕНИЕ 15
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
2. КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ ...17
2.1. Географическое описание района 17
2.2. Стратиграфия 18
Палеозойская группа 19
Девонская система 20
Каменноугольная система 21
Пермская система 21
Мезозойская группа - MZ 22
Кайнозойская группа - КZ 26
2.3. Тектоника 28
2.4. История открытия месторождения и нефтегазоносность 29
2.4.1. Палеозойский нефтегазоносный комплекс 30
2.4.2. Юрский нефтегазоносный комплекс 31
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 33
3.1. Краткое описание предлагаемого подхода 33
3.2. Напряженное состояние горных пород 34
3.3. Эффективное напряжение 36
3.4. Подготовка входных данных для построения геомеханической модели 38
3.4.1. Набор входных данных и выбор опорной скважины 38
3.4.2. Расчет упругих свойств 40
3.4.3. Угол внутреннего трения 46
3.4.4. Коэффициент Био 46
3.4.5. Прочность на одноосное сжатие 47
3.4.6. Вертикальное напряжение и поровое давление 48
3.4.7. Пластовое давление 49
3.4.8. Минимальные и максимальные горизонтальные горные напряжения 49
3.4.9. Определение направления действия максимального горизонтального стресса ..52
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 54
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 58
5.1. Анализ выявленных вредных и опасных факторов производственной среды 58
5.1.1. Метеоусловия 58
5.1.2. Вредные газы и химические реагенты 59
5.1.3. Пожарная безопасность 60
5.1.4. Охрана окружающей среды 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
Дальнейшее применение одномерной геомеханической модели 68
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
6. RESULTS OF INVESTIGATION 73
6.1. Wellbore stability overview 73
6.2. Model matching and calibration 73
6.3. Wellbore stability analysis 74
6.4. Stress state analysis 74
6.5. Trajectory planning and optimization 75
6.6. Prediction of wellbore stability in horizontal well and further recommendations for drilling 76
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 79
Приложение 1. Информация о скважине 1011 79
Приложение 2. Определение упругих свойств в лабораторных условиях 80
Приложение 3. Скорости распространения акустических волн, упругие свойства. Проверка сходимости с керновыми данными 81
Приложение 4. Определение прочности на одноосное сжатие для образцов-песчаников пласта Ю15 82
Приложение 5. Данные микроимиджера в скважине 1111 в интервале 3355-3359м 83
Приложение 6. Входные параметры для дальнейшего построения геомеханической модели 84
Приложение 7. Анализ стабильности ствола скважины при бурении. Одномерная геомеханическая модель, откалиброванная на показаная каверномера (справа), где желтым показаны интервалы обвалов. Толстая черная линия - плотность бурового раствора 87
Приложение 8. Точечный анализ напряженного состояния горных пород в зонах осложнений 90
Приложение 9. Рекомендованная плотность бурового раствора для аварийных интервалов скважины 1011 93
Приложение 10. Расчет траектории горизонтальной скважины 94
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
2. КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ ...17
2.1. Географическое описание района 17
2.2. Стратиграфия 18
Палеозойская группа 19
Девонская система 20
Каменноугольная система 21
Пермская система 21
Мезозойская группа - MZ 22
Кайнозойская группа - КZ 26
2.3. Тектоника 28
2.4. История открытия месторождения и нефтегазоносность 29
2.4.1. Палеозойский нефтегазоносный комплекс 30
2.4.2. Юрский нефтегазоносный комплекс 31
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 33
3.1. Краткое описание предлагаемого подхода 33
3.2. Напряженное состояние горных пород 34
3.3. Эффективное напряжение 36
3.4. Подготовка входных данных для построения геомеханической модели 38
3.4.1. Набор входных данных и выбор опорной скважины 38
3.4.2. Расчет упругих свойств 40
3.4.3. Угол внутреннего трения 46
3.4.4. Коэффициент Био 46
3.4.5. Прочность на одноосное сжатие 47
3.4.6. Вертикальное напряжение и поровое давление 48
3.4.7. Пластовое давление 49
3.4.8. Минимальные и максимальные горизонтальные горные напряжения 49
3.4.9. Определение направления действия максимального горизонтального стресса ..52
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 54
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 58
5.1. Анализ выявленных вредных и опасных факторов производственной среды 58
5.1.1. Метеоусловия 58
5.1.2. Вредные газы и химические реагенты 59
5.1.3. Пожарная безопасность 60
5.1.4. Охрана окружающей среды 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
Дальнейшее применение одномерной геомеханической модели 68
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
6. RESULTS OF INVESTIGATION 73
6.1. Wellbore stability overview 73
6.2. Model matching and calibration 73
6.3. Wellbore stability analysis 74
6.4. Stress state analysis 74
6.5. Trajectory planning and optimization 75
6.6. Prediction of wellbore stability in horizontal well and further recommendations for drilling 76
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 79
Приложение 1. Информация о скважине 1011 79
Приложение 2. Определение упругих свойств в лабораторных условиях 80
Приложение 3. Скорости распространения акустических волн, упругие свойства. Проверка сходимости с керновыми данными 81
Приложение 4. Определение прочности на одноосное сжатие для образцов-песчаников пласта Ю15 82
Приложение 5. Данные микроимиджера в скважине 1111 в интервале 3355-3359м 83
Приложение 6. Входные параметры для дальнейшего построения геомеханической модели 84
Приложение 7. Анализ стабильности ствола скважины при бурении. Одномерная геомеханическая модель, откалиброванная на показаная каверномера (справа), где желтым показаны интервалы обвалов. Толстая черная линия - плотность бурового раствора 87
Приложение 8. Точечный анализ напряженного состояния горных пород в зонах осложнений 90
Приложение 9. Рекомендованная плотность бурового раствора для аварийных интервалов скважины 1011 93
Приложение 10. Расчет траектории горизонтальной скважины 94
Объектом исследований являлись горные породы вдоль всего геологического разреза
на территории месторождения А., более детально были изучены палеозойские и юрские отложения.
Цель работы – геомеханический анализ напряженного состояния горных пород с целью предсказания стабильности ствола при бурении наклонно-направленных и горизонтальных
скважин на нефтяном месторождении.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
- проведение комплексного анализа геологической и геофизической информации;
- определение упругих и прочностных свойств горных пород;
- построение и последующая калибровка одномерной геомеханической модели;
- выделение зон и интервалов с повышенным риском возникновения осложнений при
их бурении;
- заключение и последующие рекомендации для предотвращения аварий при бурении
скважин.
В процессе подготовки выпускной квалификационной работы проводились
исследования, направленные на оценку механических параметров горных пород; выполнен
анализ действующих напряжений на территории месторождения; произведена оценка
стабильности бурения скважины; а также произведена оценка экономической эффективности
предлагаемых мероприятий.
В результате исследования предложена методика определения упругих свойств горных
пород; проведено определение прочностных свойств для горных пород, характерных для
данного разреза; выполнено определение магнитуды и направление действующих
вертикальных и горизонтальных напряжений; выполнено построение и калибровка
одномерной геомеханической модели; проектирование оптимальной траектории
горизонтальной скважины с выбором оптимального места зарезки бокового ствола; выданы
рекомендации для последующего бурения горизонтальных скважин для комплекса Ю-15 на
данной территории.
на территории месторождения А., более детально были изучены палеозойские и юрские отложения.
Цель работы – геомеханический анализ напряженного состояния горных пород с целью предсказания стабильности ствола при бурении наклонно-направленных и горизонтальных
скважин на нефтяном месторождении.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
- проведение комплексного анализа геологической и геофизической информации;
- определение упругих и прочностных свойств горных пород;
- построение и последующая калибровка одномерной геомеханической модели;
- выделение зон и интервалов с повышенным риском возникновения осложнений при
их бурении;
- заключение и последующие рекомендации для предотвращения аварий при бурении
скважин.
В процессе подготовки выпускной квалификационной работы проводились
исследования, направленные на оценку механических параметров горных пород; выполнен
анализ действующих напряжений на территории месторождения; произведена оценка
стабильности бурения скважины; а также произведена оценка экономической эффективности
предлагаемых мероприятий.
В результате исследования предложена методика определения упругих свойств горных
пород; проведено определение прочностных свойств для горных пород, характерных для
данного разреза; выполнено определение магнитуды и направление действующих
вертикальных и горизонтальных напряжений; выполнено построение и калибровка
одномерной геомеханической модели; проектирование оптимальной траектории
горизонтальной скважины с выбором оптимального места зарезки бокового ствола; выданы
рекомендации для последующего бурения горизонтальных скважин для комплекса Ю-15 на
данной территории.
В результате работы были проведены исследования механического состояния горных
пород, что позволило применять полученную геомеханическую модель для предсказания
обвалов и зон поглощений раствора при бурении скважин, тем самым снижая возможные
риски, связанные с возникновением аварий и осложнений.
Для скважины 1011 на месторождении А. по результатам интерпретации данных ГИС,
данных о ГРП, данных механических исследований керна (тест на одноосное сжатие, тест на
всесторонее сжатие, тест на сжимаемость) были определены упругие и прочностные
механические свойства для горных пород вдоль ствола скважины. В совокупности с
определенными главными тектоническими напряжениями, действующими в районе
месторождения, и значениями пластового давления, это позволило построить одномерную
геомеханическую модель, учитывающей напряженное состояние пород, вскрытых
скважиной. Откалиброванная на данные каротажа-каверномера, модель была использована
для расчета стабильности основного ствола скважины. Анализ показал сходимость
результатов полученных в результате расчета с показаниями каротажа каверномера, а
именно:
- вывалы глинистых и угленосных толщ в интервале 1464-1539м, связанный с
действием тангенциальных сил;
- вывалы горных пород (аргиллитов и углей) в интервале 2146-2167м, связанный с
действием тангенциальных и вертикальных напряжений, что привело к прихвату бурильного
инструмента при бурении скважины;
- вывалы горных пород в интервал 2146-2167м связанные с недостаточной плотностью
бурового раствора, что привело к обрушению стенок скважины;
- поглощения бурового раствора в интервале палеозойских отложений пласта М1,
связанные с развитием зон трещиноватости в карбонатных коллекторах (известняки).
Основной целью работы являлось предсказание стабильности бурения наклоннонаправленных и горизонтальных скважин. В качестве оптимального объекта разработки,
представляющего повышенный интерес с точки зрения максимальной нефтеотдачи, для
последующего бурения горизонтальной скважины были выбраны объекты песчаные пласты
Ю15 в интервале 3114-3140м. Таким образом, была спроектирована оптимальная траектория
горизонтальной скважины, с выбором оптимального места зарезки дополнительного ствола в
крепких сцементированных породах.67
Основные параметры для бурения дополнительного ствола скважины:
- место срезки для дополнительного ствола – 2837м;
- зенитный угол в точке срезки – 5 град;
- угол набора – 2град/10м;
- радиус набора кривизны – 286.7м;
- конечная глубина забоя горизонтальной секции – 3127м;
- длина горизонтальной секции 90 град. – 300м;
- максимальное смещение по горизонтали – 588м.
Наиболее напряженным и сложным с точки зрения бурения скважины являются
горизонтальные скважины, с углом наклона 90о к вертикали, поскольку в этом случае
максимальным основным напряжением является геостатическое давление, что может
привести к «схлапыванию» ствола скважины и возникновению обвалов горных пород.
В ходе проведенного исследования, было установлено, что с точки зрения
устойчивости ствола скважины наилучшим азимутом направления для бурения
горизонтальной скважины является направление перпендикулярно азимуту простирания
действия максимального горизонтального напряжения.
Так как обвалы горных пород не всегда связаны с недостаточным весом столба
жидкости бурового раствора, ввиду разной природы действия трёх эффективных
напряжений, в этих интервалах был проведен дополнительный точечный анализ. Анализ
показал, что максимальные эффективные напряжения приводящие к обрушению стенок
горных пород связаны с действием тангенциальных напряжений вокруг стенок ствола
скважины, риск возникновения которых может быть уменьшен до приемлемых значений
(ниже предела прочности горных пород) либо предотвращен полностью. Таким образом,
наиболее оптимальным с точки зрения стабильности горизонтального ствола скважины
оптимальными значениями плотности бурового раствора в обозначенных интервалах для
объектов Ю15 и М1 являются:
- для пласта Ю15 – 1.2 г/см3
- для пласта М1 – 1.2 г/см3.68
Ввиду геологических особенностей карбонатных пород пласта М1 (развитая сеть
естественной трещиноватости) для предотвращения образования зон поглощений раствора и
устранения последствий данных явлений необходимо проведение специальных
мероприятий по снижению интенсивности поглощений бурового раствора, включающих
бурение на депрессии; применение специальных буровых растворов, обладающих
повышенными вязкостными и специальными тампонирующими свойствами, либо
перекрытие интервала поглощения бурового раствора обсадной колонной с последующим
цементированием.
Проведенная оценка экономической эффективности позволяет сделать вывод о
рентабельности и необходимости применения данного подхода при разработке проектов на
бурение скважин. Анализ показал, что сокращение времени, затраченное на ликвидацию
аварий и простоев, связанные с возникновением прихватов, позволяет уменьшить срок
бурения скважины и снизить конечную стоимость.
пород, что позволило применять полученную геомеханическую модель для предсказания
обвалов и зон поглощений раствора при бурении скважин, тем самым снижая возможные
риски, связанные с возникновением аварий и осложнений.
Для скважины 1011 на месторождении А. по результатам интерпретации данных ГИС,
данных о ГРП, данных механических исследований керна (тест на одноосное сжатие, тест на
всесторонее сжатие, тест на сжимаемость) были определены упругие и прочностные
механические свойства для горных пород вдоль ствола скважины. В совокупности с
определенными главными тектоническими напряжениями, действующими в районе
месторождения, и значениями пластового давления, это позволило построить одномерную
геомеханическую модель, учитывающей напряженное состояние пород, вскрытых
скважиной. Откалиброванная на данные каротажа-каверномера, модель была использована
для расчета стабильности основного ствола скважины. Анализ показал сходимость
результатов полученных в результате расчета с показаниями каротажа каверномера, а
именно:
- вывалы глинистых и угленосных толщ в интервале 1464-1539м, связанный с
действием тангенциальных сил;
- вывалы горных пород (аргиллитов и углей) в интервале 2146-2167м, связанный с
действием тангенциальных и вертикальных напряжений, что привело к прихвату бурильного
инструмента при бурении скважины;
- вывалы горных пород в интервал 2146-2167м связанные с недостаточной плотностью
бурового раствора, что привело к обрушению стенок скважины;
- поглощения бурового раствора в интервале палеозойских отложений пласта М1,
связанные с развитием зон трещиноватости в карбонатных коллекторах (известняки).
Основной целью работы являлось предсказание стабильности бурения наклоннонаправленных и горизонтальных скважин. В качестве оптимального объекта разработки,
представляющего повышенный интерес с точки зрения максимальной нефтеотдачи, для
последующего бурения горизонтальной скважины были выбраны объекты песчаные пласты
Ю15 в интервале 3114-3140м. Таким образом, была спроектирована оптимальная траектория
горизонтальной скважины, с выбором оптимального места зарезки дополнительного ствола в
крепких сцементированных породах.67
Основные параметры для бурения дополнительного ствола скважины:
- место срезки для дополнительного ствола – 2837м;
- зенитный угол в точке срезки – 5 град;
- угол набора – 2град/10м;
- радиус набора кривизны – 286.7м;
- конечная глубина забоя горизонтальной секции – 3127м;
- длина горизонтальной секции 90 град. – 300м;
- максимальное смещение по горизонтали – 588м.
Наиболее напряженным и сложным с точки зрения бурения скважины являются
горизонтальные скважины, с углом наклона 90о к вертикали, поскольку в этом случае
максимальным основным напряжением является геостатическое давление, что может
привести к «схлапыванию» ствола скважины и возникновению обвалов горных пород.
В ходе проведенного исследования, было установлено, что с точки зрения
устойчивости ствола скважины наилучшим азимутом направления для бурения
горизонтальной скважины является направление перпендикулярно азимуту простирания
действия максимального горизонтального напряжения.
Так как обвалы горных пород не всегда связаны с недостаточным весом столба
жидкости бурового раствора, ввиду разной природы действия трёх эффективных
напряжений, в этих интервалах был проведен дополнительный точечный анализ. Анализ
показал, что максимальные эффективные напряжения приводящие к обрушению стенок
горных пород связаны с действием тангенциальных напряжений вокруг стенок ствола
скважины, риск возникновения которых может быть уменьшен до приемлемых значений
(ниже предела прочности горных пород) либо предотвращен полностью. Таким образом,
наиболее оптимальным с точки зрения стабильности горизонтального ствола скважины
оптимальными значениями плотности бурового раствора в обозначенных интервалах для
объектов Ю15 и М1 являются:
- для пласта Ю15 – 1.2 г/см3
- для пласта М1 – 1.2 г/см3.68
Ввиду геологических особенностей карбонатных пород пласта М1 (развитая сеть
естественной трещиноватости) для предотвращения образования зон поглощений раствора и
устранения последствий данных явлений необходимо проведение специальных
мероприятий по снижению интенсивности поглощений бурового раствора, включающих
бурение на депрессии; применение специальных буровых растворов, обладающих
повышенными вязкостными и специальными тампонирующими свойствами, либо
перекрытие интервала поглощения бурового раствора обсадной колонной с последующим
цементированием.
Проведенная оценка экономической эффективности позволяет сделать вывод о
рентабельности и необходимости применения данного подхода при разработке проектов на
бурение скважин. Анализ показал, что сокращение времени, затраченное на ликвидацию
аварий и простоев, связанные с возникновением прихватов, позволяет уменьшить срок
бурения скважины и снизить конечную стоимость.