Новые технологии, превосходящие по тем или иным показателям, а в идеале — по большинству параметров достигнутый уровень, всегда были основой успешного развития предприятия, отрасли, государства.
В силу исторически сложившихся обстоятельств, на рубеже XXI века приоритет России по многим технологическим направлениям либо ослаблен, либо утерян на данном этапе. К сожалению, это касается также геологоразведочной и добывающей отраслей, которые одновременно являются и наукоемкими, и высокозатратными. Слабая интегрированность российской экономики в мировую финансово-промышленную систему при недостатке собственных инвестиционных возможностей неблагоприятно сказались на финансовой обеспеченности новых технологических разработок.
Тем не менее, высокий научно-технический потенциал, который был достигнут к 90-м годам прошлого века, по мнению автора, является базой для нового прорыва на мировом рынке нефтегазовых технологий. Россия в ближайшие годы должна стать страной, идущей по пути инновационного развития, обеспечиваемого экономикой, основанной на знаниях, активно оперирующей на мировом рынке за счет конкурентоспособности научно-технической продукции.
Актуальность проблемы. Поиск, разведка и разработка месторождений углеводородов, как правило, сопровождается возникновением новых научных и технологических проблем. В России это связано с истощением запасов месторождений, находящихся в поздней стадии освоения. Эти трудности характерны даже для относительно простых горно-геологических условий при небольших глубинах залегания продуктивных горизонтов, однородных пластах с хорошей пьезопроводностью, при относительно простой геологической моделью залежи месторождений, преимущественно структурного типа.
Вовлечение в разработку трудноизвлекаемых запасов нефти требует серьезных усилий в отношении научного и технологического обоснования этого процесса, объединяющего целый ряд разноплановых задач поиска и эксплуатации месторождений.
Новые проблемы разработки месторождений, связанные с их более сложным строением, которое, к сожалению, определяется только на этапе разработки, состоят, на наш взгляд, в следующем: непостоянство коллекторских свойств пород, образующих нефтяные и газовые резервуары в сложных горно-геологических условиях с зонами неравномерной трещиноватости, • что приводит к неравномерной выработке запасов, нерегулярному фронту заводнения и образованию блокированных зон;
— трудности с выбором оптимальных схем добывающих и нагнетательных скважин, обусловленные существованием зон с разными фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), за счет прежде всего, трещиноватости;
— усложнение задач интенсификации работы пласта посредством техногенных воздействий, т.к. проведение таких операций в условиях сильно неоднородной среды требует тщательного их мониторинга. Постседиментационные коллекторы (ИСК) играют важную роль как при поисках, разведке, так и особенно эксплуатации залежей нефти и газа всех без исключения нефтегазоносных бассейнов (НРБ). По генезису они делятся на две большие группы: природные и техногенные. И те, и другие нередко обладают весьма высокими фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), а природные еще и запасами (вплоть до крупных и гигантских). Чаще всего резервуары с природными постседиментационными коллекторами являются сопутствующими, дополнительными по отношению к резервуарам с гранулярными (первичными) коллекторами. В то лее время известны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (УВ), связанные исключительно с постседиментационными коллекторами. Достаточно привести следующие наиболее яркие примеры. Юрубчено-Тахомская гигантская нефтегазоносная зона Восточной Сибири, резервуар который представлен трещинно-кавернозными рифейскими карбонатными породами. Здесь при среднем дебите, составляющем первые десятки т/сут., в отдельных скважинах, целенаправленно пробуренных в зоны интенсивной трещиноватости коллектора, например на Куюмбинском месторождении, были получены притоки нефти, на порядок и более превышающие средний дебит скважин. Гигантская залежь нефти месторождения Белый Тигр Вьетнама приурочен к трещиноватым гранитам. Гигантское месторождение нефти Хасси-Месауд северной Африки (Алжир) связана с кембрийскими трещиноватыми кварцитами-. Ярким примером высокой значимости техногенных ПСК является ачимовская толща гигантской Приобской нефтеносной зоны Западной Сибири с низкой емкостью гранулярных коллекторов. После гидроразрыва дебиты нефти достигают здесь 500 т/сут. и более. Аналогичные результаты (увеличение притока нефти на порядок) были получены после ГРП в зонах интенсивной трещиноватости терригенных коллекторов на других месторождениях Западной Сибири. В свете последних результатов, очевидной становится целесообразность изучения обеих групп ПСК как в теоретическом, так и особенно практическом отношениях.
Более того, были п-олучены убедительные свидетельства, что трещиноватость горных пород развита в осадочном чехле вообще и на площадях отдельных месторождений в частности, крайне неравномерно, образуя субвертикальные зоны трещиноватости, имеющие корни в фундаменте и захватывающие породы всего комплекса, которые сейчас принято относить к зоне промышленного недропользования.
Эти зоны чередуются с зонами консолидированных пород и могут перекрываться пластами плохопроницаемых пород, образуя потенциальные ловушки для углеводородов и создавая условия либо для возникновения своеобразных по генезису месторождений нефти и газа, либо условия повышенной фильтрации в продуктивных пластах.
И та, и другая форма существования зон повышенной проницаемости представляет значительный интерес в отношении поисков новых месторождений, их разработки и оптимизации процесса добычи на уже разрабатываемых месторождений. Применение схем разработки, учитывающих наличие зон повышенной пьезопроводности, может привести к увеличению коэффициента конечной нефтеотдачи пласта, т. е. к достижению одной из главных целей оптимизации разработки месторождений.
Реализация этих задач сопряжена с главной проблемой — отсутствие информации о распределении открытой трещиноватости в пределах месторождения до начала его разбуривания. Данная проблема обусловлена, в свою очередь, отсутствием специальных методов сейсморазведки для достоверного изучения трещиноватых зон. В силу сложности физических процессов, протекающих в этих зонах, и специфики взаимодействия полей при наличии открытой трещиноватости необходимо совершенствование, а для некоторых задач этого направления и разработка теоретического обоснования новых способов исследования таких зон.
Успешность разработки основ новых сейсмоакустических технологий зависит в большой степени от качества модели верхних слоев земной оболочки и понимания физики процессов, протекающих в этих слоях. Традиционно в сейсмоакустике (сейсморазведке) подходящей моделью считается слоистая среда, а основное внимание уделяется изучению продольных и поперечных отраженных волн, распространяющихся в этих средах в соответствии с законами геометрической сейсмики.
По мере выхода сейсмоакустических методов в более сложные сейсмогеологические условия, накопления опыта работ и данных при решении более тонких задач, стало очевидным, что существует целый класс волн, возникающих при импульсном возбуждении трещиноватых сред, характер распространения которых не отвечает законам, успешно применяемых в случае зеркально-отраженных волн.
Упругие волны в зонах открытой трещиноватости, образующие поле рассеянных переотражений, обладают информативностью о новых (для сейсмики) параметров среды — трещиноватости, что достаточно важно для концентрации усилий по разработке теоретического, экспериментального и технологического обоснования способов их исследования.
Разработка теоретических и экспериментальных моделей, способов и средств изучения горных сред с открытой трещиноватостью и интерпретационных моделей не может быть успешной, если не основывается на анализе более общих процессов, протекающих в мантийной и коровой зонах. Исследование взаимосвязи этих процессов с процессами в верхней коре должно серьезно повысить качество работ и достоверность интерпретации полученных данных.
Таким образом, необходимость решения вопросов, связанных с комплексом взаимозависимых проблем теоретико-методического и технического плана, возникающих при постоянно расширяющихся исследованиях зон открытой трещиноватости осадочного чехла определяет актуальность данной работы.
Цель работы состоит в разработке теоретических, научно-методических и экспериментально-технологических основ сейсмоакустических методов, обеспечивающих решение принципиально новых геологических задач, связанных с поисками и разведкой месторождений углеводородов в условиях сред с открытой трещиноватостью.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи диссертационных исследований.
1. Изучить процессы трещинообразования, протекающие в верхних слоях земной оболочки и в зонах, доступных для недропользования, на основе чего исследовать возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах.
2. Разработать способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах.
3. Разработать научно и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости.
4. Разработать научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации.
5. Разработать основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при бурении скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтяных месторождений.
Научная новизна.
1. Обоснована связь динамиюг волноводов, флюидного режима верхней коры и техногенной сейсмичности в рамках системного подхода к анализу зон трещиноватости.
2. Сформулировано условие устойчивости динамических систем горных сред, которое поддерживается за счет отрицательных обратных связей полей деформаций и напряжений, а так же автоколебательных процессов в нелинейной пластовой среде.
3. Дано научное обоснование и сформулированы технологические требования, обеспечивающие адекватность измерительных сейсмоакустических систем физическим процессам, протекающим в особых динамических зонах (разломы, трещиноватые блоки, волноводы).
4. Дано научное обоснование и определены основные параметры, обеспечивающие эффективность модели рассеивания волн в технологии СЛБО.
5. Сформулированы принципы организации сейсмоакустических систем в активном режиме волнового воздействия на среды и в режиме мониторинга при техногенных воздействиях.
6. Разработаны модели пространственно-временной осцилляции зон напряженно-деформированного состояния горных пород при техногенных воздействиях.
7. Дано научно-методическое обоснование сейсмоакустических технологий и сформулированы требования к практической организации работ при системном подходе ко всему процессу разведки и разработки геологических объектов от выбора точек заложения скважины до мониторинга разработки месторождения.
Практическая значимость работы.
Практическая значимость работы определяется результатами, полученными при решении задач общего характера, а так же при практическом использовании этих результатов.
Наиболее важными практически значимыми результатами работ можно считать следующее.
1. Предложена новая геосейсмическая модель коры выветривания в осадочном чехле Западно-Сибирского региона.
2. Разработаны общие принципы применения сейсмоакустической технологии, включающие весь цикл работ — от поисков до эксплуатации месторождений.
3. Разработаны усовершенствованные схемы применения сейсмоакустических технологий, позволяющие повысить точность и геологическую достоверность информации.
4. Исследованы взаимодействия полей напряжений и деформаций при наложении внешних природных и техногенных факторов.
5. Установлена приуроченность участков продуктивных пластов с высоким дебитом к зонам повышенной энергии рассеянных волн.
6. Представлены рекомендации на основе выделения зон аномально высокой трещиноватости на Северо-Демьянском месторождении, при реализации которых получены: максимальные дебиты нефти — до 300 т/сут. во вновь пробуренных скважинах,.
— максимальное увеличение дебита нефти в скважине — с 2 т/сут. до 80 т/сут. за счет проведения в ней ГРП в зону максимальной трещиноватости коллектора.
7. Применены схемы сейсмоакустического сопровождения, методов разработки месторождений, позволившие определить направление развития трещиноватости при ГРП и направление продвижения фронта заводнения на основе анализа интенсивности развития трещиноватости при циклическом заводнении залежи.
Внедрение результатов работ.
Результаты работ внедрены в практику исследований нефтедобывающих и геофизических организаций Российской Федерации -" Тюменской нефтяной компанией", ОАО «Лукойл», ОАО «Сургутнефть», на площадях в нефтегазоносных регионов Западной и Восточной Сибири, а также Бортовой зоны Прикаспия в Оренбургской области.
Фактический материал и личный вклад автора.
Работа выполнена на основе фактического материала, полученного в процессе натурных исследований на объектах «Тюменской нефтяной компании» с участием специалистов «Тюменнефтегеофизики» и при комплексных исследованиях совместно с ГНЦ «ВНИИгеосистем», «Институтом новых нефтегазовых технологий» РАЕН. Все результаты исследований получены лично автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы.
Результаты работ докладывались на конференциях и семинарах: «Многоволновая сейсморазведка» (Новосибирск, 1985 г.) — «Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений» (Казань, 2000 г.) — «Научно-практическая конференция» (Тюмень, 2000 г.) — на международных конференциях: 10-ый симпозиум по повышению нефтеотдачи ЕАвЕ (Брайтон, Великобритания 1999 г.) — 63-я конференция ЕАвЕ (Амстердам, Нидерланды 2001 г.) — 64-ая конференция ЕАвЕ (Флоренция, Италия, 2002 г.), 65-ая конференция ЕАвЕ (Ставангер, Норвегия, 2003 г.), Московская международная геофизическая конференция БЕв, ЕАвЕ, ЕАГО и РАЕН (Москва, Россия, 2003 г.), 66-ая конференция ЕАвЕ (Париж, Франция, 2004 г.).
Публикации.
Основные положения диссертационной работы отражены в 5 монографиях, аналитическом обзоре, 26 научных статьях, 6 докладах на международных геофизических конференциях, патентах.
Основные защищаемые положения.
1. Выполнение оценки взаимосвязи тектоно-физических, волновых и флюидных процессов в глобальных и локальных элементах особых динамических зон коры обеспечивает обоснованный выбор сейсмоакустических технологий исследования геологической среды.
2. Разработанные математические и физические модели волновых процессов, протекающих в зонах открытой трещиноватости горных пород, обеспечивают оценку условий образования рассеянных волн и обоснование применения в этих условиях сейсмической технологии СЛБО.
3. Разработанные принципы системного подхода к применению сейсморазведочных технологий обеспечивают обоснованный их выбор на этапах поиска, разведки и разработки месторождений.
4. Разработанные основы сопровождения техногенных воздействий дают возможность обоснованного выбора сейсмоакустических технологий для мониторинга изучаемых геологических объектов.
Объем и структура работы.
Работа состоит из введения, 4 глав с 42 разделами и заключения. Общий объем работы включает 248 страниц текста с 51 рисунком, 4 таблицами и списком литературы из 118 наименований. Благодарности.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., профессору О. Л. Кузнецову за чуткое внимание и неизменную поддержку в процессе работы над диссертацией.
Автор искренне благодарит И. А. Чиркина, В. Е. Рока, A.B. Каракина, Г. В. Рогоцкого, Ю. Н. Карагодина, С. И. Шленкина, Н. М. Белкина, В. З. Кокшарова и многих других за плодотворное творческое сотрудничество.
Основные выводы по результатам изучения зон техногенной трещиноватости (от ГРП) сводятся к следующему:
1. Исследованы особенности формирования зоны трещиноватости в про-цессе ГРП. Показано, что развитие субгоризонтальной трещиноватости происходит в пласте при условии снятия горного давления. При этом возможно прогнозирование азимутального направления развития техногенной трещиноватости, если учитывать распределение фоновой трещиноватости в районе скважины проектируемого ГРП и расположение нагнетательных скважин. Впервые получены данные, показывающие, что в процессе гидроразрыва наряду с трещинообразованием имеет место схлопывание субгоризонтальных трещин, полости которых искусственно не закреплены. При изменениях давления в нагнетательной системе происходит переориентация плоскостей трещиноватости «субвертикальная <-> субгоризонтальная». Впервые отмечена тесная зависимость между градиентом давления в нагнетательной системе ГРП и интенсивностью трещинообразования, которая может быть использована для повышения эффективности гидроразрыва.
2. Определены направление, размеры и внутренняя структура техногенной зоны трещиноватости от ГРП. Достоверность этих определений подтверждается независимыми измерениями, выполненными различными методами. Данные результаты получены впервые и не имеют аналогов в мировой практике. Показано, что зоны трещиноватости сформировались в юго-восточном направлении от скважин, где проводились ГРП, их размеры по длинной оси — 300-^-400 м, максимальное изменение трещиноватости (относительно фоновой) в зоне воздействия ГРП достигает 20% на единицу объема, равную 0,01 км³.
3. Изучена динамика изменения зоны техногенной трещиноватости в течение длительного периода времени после ГРП (до 45 дней). Впервые получены результаты, показывающие, что при закрепленной трещиноватости, образованной от ГРП, возможно значительное увеличение размеров зоны техногенного воздействия и интенсивности трещиноватости в ней. По данным последнего наблюдения СЛБО это увеличение может быть двукратным. При этом отмечается нелинейность динамических процессов как в самой техногенной зоне, так и за ее пределами.
4. Получены оценки влияния ГРП на окружающую геосреду и нефтяную залежь. Показано, что в результате ГРП в разрезе скважин во всем интервале его проведения произошло разрушение коллектора, в основном, по субвертикальным плоскостям, что существенно повысило проницаемость коллектора. При этом отмечается изменение (перераспределение) интервалов трещиноватости выше глубины проведения ГРП до 150 м. После проведения ГРП в продуктивном пласте образованы зоны техногенной трещиноватости, в которых полости трещин закреплены, что стабилизировало их положение в пространственно-временном измерении. Удачный, по нашему мнению, подбор закрепляющего материала (пропанта) не позволил в течение наблюдаемого времени (45 суток) ухудшить трещиноватость в техногенной зоне и создал условия для ее увеличения. В результате проведенного ГРП в скв. 3526 были «вскрыты» области (возможно, целики, останцы или линзы) слабого дренирования нефти, что способствует повышению нефтеизвлечения.
4.2. Сопровождение технологии циклического заводнения залежей.
В процессе проведения работ по циклическому заводнению залежи происходит достаточно сильное взаимодействие вытесняющего агента с поротрещиноватыми средами. Как отмечалось выше, закачка флюида, равно как и любого другого энергоносителя, приводит геосистему в неустойчивое состояние, сопровождающееся перераспределение нормальных и касательных напряжений, а также изменением поля трещиноватости.
Результаты изучения пространственно-временных изменений трещиноватости на нефтяных месторождениях в процессе техногенных воздействий неоднократно подтвердили, что закачка энергии (сейсмоакустической, вибросейсмической и др.) и флюида (циклическое заводнение, гидроразрыв) в пласт приводят, в первую очередь, к перераспределению трещиноватости в геосреде и, в частности, продуктивном пласте. При этом меняется не только пространственная структура трещиноватости, но и доминирующее направление трещин.
Направление трещин в геосреде определяется, в основном, вертикальным и горизонтальными векторами сжимающих усилий. В зависимости от их соотношения определяется доминирующее направление полостей трещин в горизонтальной и вертикальных проекциях (в плоскостях X, Y, Z). Схематическое изменение направления трещиноватости в зависимости от соотношения векторов напряжения показано на рис. 1.1а. При техногенном воздействии соотношение скалярных величин векторов напряжения можно изменить, что позволяет перераспределить трещиноватость (ее макроструктуру и доминирующее направление). Перераспределение или управление трещиноватостью в геосреде возможно через изменение пластового давления. Роль пластового давления заключается в том, что оно влияет на величину вертикального вектора напряжения, компенсируя действие горного давления на скелет породы. Изменение вертикального вектора приводит к перераспределению поля напряжения и, как следствие, к изменению поля трещиноватости.
Поэтому одним из способов перераспределения трещиноватости является использование технологии циклического заводнения нефтяной залежи, предусматривающей периодическое включение и отключение добывающих и нагнетательных скважин, что приводит к периодическому изменению пластового давления на первые десятки атмосфер. Отключение нагнетательных скважин при работающих добывающих скважинах приводит к падению пластового давления и увеличению субвертикальной трещиноватости. Последнее способствует более интенсивному перетоку ф нефти из слабопроницаемых низкопоровых пропластков с относительно высокой остаточной нефтенасыщенностью (из-за плохого вытеснения нефти водой) в высокопроницаемые «промытые» пропластки. В следующем цикле, когда включаются нагнетательные скважины, происходит повышение пластового давления и, как следствие, уменьшение вертикального вектора напряжения в пласте, что приводит к частичному схлопыванию субвертикальной трещиноватости и снижению темпов вертикального перетока нефти в промываемые пропластки. Это ухудшает извлечение нефти из, так называемых, останцов. Однако, основной задачей данного цикла ^ является вытеснение нефти, попавшей в промываемые пропластки, к добывающим скважинам. Таким образом, циклическое заводнение нефтяного пласта, имеющего тонкослоистую, разнородную по проницаемости структуру, действует подобно поршневому насосу, способствующему более полной вертикальной выработке пласта.
Основные особенности пространственно-временного изменения трещиноватости вблизи нагнетательной скважины достаточно наглядно и • подробно показаны выше по КСП на Ермаковском месторождении в Западной Сибири (раздел 4.1.4, рис. 4.10). Можно отметить повторяемость картины распределения трещиноватости (по данным КСП), например, на даты 28−30.07 и 10−13.08 или 01−02.08 и 30−31.08.
Одновременно с указанным явлением выполнение циклического заводнения вызывает распространение волн давления в пласте, что приводит к квазипериодическому изменению площадной макроструктуры трещиноватости, т. е. инициируется латеральное перераспределение трещиноватости в пласте. В этой ситуации создаются условия для более полной латеральной выработки пласта, т.к. появление дополнительной трещиноватости в слабодренируемых частях залежи способствует более интенсивному перетоку нефти в зоны с активным движением флюида, ф Кроме того, в большом объеме были выполнены режимные наблюдения на Ромашкинском и Бавлинском месторождениях (в Республике Татарстан) методом СЛБО в комплексе с изучением коэффициента светопоглощения (КСП) нефти по пробам, периодически (1−5 дней) отбираемым на устьях добывающих скважин (И. А. Чиркин, Ю.А. Тренчиков). Все полученные материалы экспериментально подтвердили изложенные выше положения.
Во-первых, распространение волн давления, образующихся при циклическом нагнетании, приводит к латеральному перераспределению ^ трещиноватости (рис. 4.10, 4.12).
Во-вторых, участки площади, на которых отмечается минимальная дисперсия трещиноватости во времени, характеризуются притоками нефти с минимальными значениями КСП, а на участках с максимальной дисперсией трещиноватости наблюдаются притоки нефти с максимальной окисленностью (рис. 4.13).
Эффективность латерального перераспределения трещиноватости # увеличивается при использовании циклического заводнения с изменением фронта нагнетания, когда периодически включаются различные группы нагнетательных скважин. Именно эта технология заводнения в настоящее время дает положительные результаты по более полному извлечению нефти на месторождениях АО «Татнефть», находящихся в поздней стадии эксплуатации.
Однако необходимо отметить, что система заводнения с фиксированной сеткой нагнетательных скважин имеет ограничения. При длительном ее использовании сценарии изменения структуры трещиноватости часто повторяются, что приводит к более полной выработке.
24 июля 1997.
3000 4000 sooo sooo.
27 июля 1997.
30 и юл я 1997.
Рис. 4.12. Республика Татарстан. Ромашкинское месторождение. Алькеевская площадь. КНС 28−107. Изменение поля открытой трещиноватости при циклическом заводнении продуктивной толщи пашийских отложений (тсрригенный коллектор) отдельных участков залежи. Поэтому дополнением технологии циклического заводнения могут служить другие методы, основанные на «закачке» упругой и тепловой энергии в пласт и провоцирующие новое перераспределение трещиноватости. Одним из таких оптимальных методов, дополняющих циклическое заводнение, является сейсмоакустическое (СА) воздействие на пласт, длительно проводимое из скважин.
0,5 л.
Щ, а Р-" ЕС х § I 4 я 2 ас со.
1 Я °'3 э 1 о 5.
0 & 5 л о.
1 §.
I е н л о в.
8 I я 5 2 Н.
Сг" и § & о.
341 638.
•.
338 • ф 308.
364 * 340.
• 298.
• 286.
I—.
Среднее значение коэффициента светопоглощения нефта по пробам из скважин, усл. ед.
Рис. 4.13. Республика Татарстан, Бавлинское м-ние, пашийский горизонт. Зависимость между изменением трещиноватости и окислснностью нефти (КСП).
В заключение можно констатировать, что опыт использование 4-И СЛБО на нефтяных месторождениях позволил изучить характер пространственно-временного изменения трещиноватости и установить тот факт, что влияние техногенных воздействий на продуктивные пласты связано, прежде всего, с перераспределением трещиноватости в нем. Поскольку трещиноватость существенно влияет на проницаемость нефтенасыщенных коллекторов, то ее перераспределение способствует более полной выработке запасов. В связи с этим актуальной становится задача по искусственному формированию трещиноватости в геосреде и управлению этим процессом с целью повышения коэффициента нефтеизвлечения для залежи. По нашему мнению, это новое направление исследований является весьма перспективным с точки зрения повышения эффективности разработки нефтяных месторождений.
4.3. Геотехнические приложения сейсмоакустических технологий.
Специфика и многообразие геологических сред с открытой трещиноватостью ставят перед профессионалами целый ряд технических проблем широкого спектра — от аварийности бурения в трещиноватых интервалах до эффективности разработки трещиноватых коллекторов. Решение этих проблем всегда было прерогативой самих разработчиков и буровиков, не имевших, к сожалению, средств прогноза и контроля успешности применяемых технологий. Однако, с разработкой новых сейсмоакустических технологий для сред с открытой трещиноватостью решение целого ряда задач из практики нефтегазопромысловых работ становится реальным.
4.3.1. Прогноз возможных осложнений при бурении на основе информации о трещиноватости прискважинной зоны по данным СЛБО.
В процессе бурения нефтегазовых скважин зачастую возникают аварийные ситуации, связанные с поглощением бурового раствора, последующим прихватом бурового инструментария и возможным его обрывом или с резким разгазированием бурового раствора и последующим неуправляемым фонтанированием скважины, которое приводит к экологическому ущербу и другим негативным последствиям. Как правило, основной причиной подобных осложнений бурения является вскрытие зон интенсивной трещиноватости, где происходит либо стремительное поглощение бурового раствора при аномально низком пластовом давлении (АНПД), либо выброс пластового флюида и газа при АВПД. Прогноз наличия интервалов открытой трещиноватости в разрезе скважины возможен до начала ее бурения на основе изучения пространственного распределения трещиноватости в геосреде методом СЛБО [80,108].
Используемая в СЛБО технология полевых наблюдений и алгоритмы обработки сейсмического волнового поля позволяют получить информацию об объемном распределении открытой трещиноватости в геосреде. Как отмечалось ранее, одной из особенностей СЛБО является размещение излучающей и приемной апертур за пределами площади наблюдения, где рассеянные волны можно выделить, используя синфазное накопление с кратностью порядка 104. Таким образом, изучение 3-мерного поля открытой трещиноватости методом СЛБО на участке планируемого бурения скважин позволяет оценить изменение интенсивности открытой трещиноватости вдоль проектируемого ствола скважины и выделить интервалы максимальной трещиноватости, с которыми может быть связано либо поглощение бурового раствора, либо его резкое разгазирование.
Выполненный анализ данных СЛБО на многочисленных участках, где наблюдались указанные осложнения в процессе бурения, показал, что их возникновение связано именно с зонами аномально высокой трещиноватости.
1. Примером открытого фонтанирования скважины в процессе бурения является скв. 30 на Северо-Демьянском нефтяном месторождении в Западной Сибири (Тюменская область, Россия). Здесь при вскрытии продуктивных отложений баженовской свиты в зоне аномально-высокой трещиноватости (по данным СЛБО), имеющей субвертикальное развитие из толщи фундамента, произошло открытое фонтанирование скважины с дебитом более 300 т. нефти в сутки — максимальным притоком для данного месторождения (рис. 4.14).
Рис 4 14. Западная Сибирь, Ссвсро-Демьянскос месторождение. Совмещенный глубинный сейсмический разрез по отраженным волнам методом ОРТ (черно-белый фон) и рассеянными волнами методом СЛБО (цветной фон).
2. Другим примером аварийной ситуации, связанной с резким поглощением бурового раствора в процессе бурения является скв. 20 000 — Миннибаевская на Ромашкинском месторождении в Татарстане. Здесь на глубине около 5000 м в толще фундамента произошло резкое поглощение бурового раствора, далее последовал прихват бурового инструмента и затем его обрыв при попытке извлечения. Дальнейшее углубление скважины было прекращено. После анализа данных СЛБО, выполненных позже на этой площади, было отмечено, что аварийная ситуация возникла из-за вскрытия скважиной локальной зоны аномально высокой трещи, но ватости, что вызвало резкое поглощение бурового раствора (рис. 4.15),.
3. Примером целенаправленного прогноза зоны осложнения бурения являются результаты работ, выполненные в районе бурения сверхглубокой скважины 20 009-Ново-Елховская в Татарстане (И.А. Чиркин, А.К. Назипов). Здесь в процессе бурения на глубинах порядка -5,2 км началось интенсивное поглощение бурового раствора, сопровождающееся прихватом инструмента. Выполненные работы СЛБО показали, что скважиной вскрыта локальная зона с максимальной трешиноватостыо (рис. 4.16а). Поскольку данная зона.
Скважина 20 000 Мнпнбаевская.
Юг л Север
Участок повышенной трещи, но ватости (по СЛБ01 Отмечен, но данным бурения. ГИС и керну.
Участок интенсивной трещиноватости (по СЛБО), в котором в процессе бурения произошел обвал порол, поглощение бурового раствора. прихват инструмента н его обрыв, что явились причиной прекращения бу рения.
ТрендаИОЫ1 ость усл. «А.
И— III I—гтткня «АО за, а «» «М 1».
Рис 4.15. Республика Татарстан. Ромашкинское месторождение, Минибаевская площадь.
Вертикальный разрез поля открытой трещиноватости по данным СЛБО имела относительно малую мощность по глубине (-100 м), то было принято решение не отклонять ствол для обхода аномальной зоны, а продолжить вертикальную проводку скважины по специальной технологии бурения. С целью прогноза возможного осложнения бурения (при дальнейшем углублении скважины) был построен изменения трещиноватости вдоль пробуренного и проектируемого ствола скважины от 1,6 км до 10,2 км (рис. 4.166). Данный график, названный «Псевдокаротаж трещиноватости», использовался при последующем бурении скважины 20 009 для проведения предупредительных мероприятий, предотвращающих возможные осложнения.
Псевдокаротаж трещиноватости является синтетической кривой, получаемой по данным СЛБО с использованием процедуры усреднения сейсмических данных в окрестностях ствола скважины (±50 м). Поскольку.
Рис. 4.16. Республика Татарстан, Ново-Елховское месторождение, скважина № 20 009.
Корреляция между распределением открытой трещиноватосги по данным СЛБО (а) и показаниями пссвдокаротажа по трещиноватости FracPseduLog (б).
При прогнозе осложнения бурения по данным СЛБО возможно разделение предполагаемых зон АВПД и АНПД. Опыт наших исследований позволяет считать, что для субвертикальных зон аномально высокой трещи новатости, имеющих корни глубокого заложения, характерна ситуация АВПД, а для локальных «бескориевых» зон интенсивной трещи новатостиАНПД.
Сравнение данных СЛБО и соответствующих кривых псевдокаротажа по трещиноватосги с данными, полученными при бурении, подтверждает каротажная кривая получена по сейсмическим данным, ее разрешение определяется разрешением исходных данных и ограничено величиной порядка 50−100 м, что достаточно для выделения массивных трещиноватых зон, которые обычно и являются причиной серьезных осложнений при бурении. МАХ.
1 ¦
§ о х.
1 ¦ .и. о.
Скв.20(Ю9 Чнергня рассеянных воли высокую корреляцию и эффективность прогноза возможных осложнений при бурении по данным СЛБО.
В настоящее время данная технология прогноза возможных осложнений бурения используется для скважин, заложение которых планируется на площадях месторождений, где были выполнены исследования СЛБО.
4.3.2. Принципы оптимального размещения добывающих скважин.
Информация о пространственном распределении зон открытой трещиноватости имеет важное значение, прежде всего, для карбонатных, низкопоровых и залегающих на больших глубинах (свыше —3,5 км) коллекторов. Она является своеобразным ключом к обеспечению высоких дебитов скважин, проектируемых к бурению. Размещение эксплуатационных скважин с учетом информации о распределении поля трещиноватости коллекторов на этапе проектирования разработки месторождения позволяет значительно повысить средний приток нефти на скважину [107]. Это достигается за счет сокращения бурения непродуктивных и нерентабельных скважин в зонах уплотнения и целенаправленного разбуривания участков с интенсивной трещиноватостью, где могут быть получены высокие и максимальные дебиты нефти.
Экспериментальным обоснованием такого подхода являются результаты исследований, выполненные в Республике Татарстан (19 941 995 гг), Западной Сибири (1998;2004 гг) и других регионах РФ, где на месторождениях проводилось изучение трещиноватости коллекторов и геосреды в целом методом СЛБО.
Например, в компании «Татнефть» был выполнен сопоставительный анализ промысловых характеристик добывающих скважин, стабильно работающих в течение 10−15 лет, и значений трещиноватости по данным СЛБО. Всего для сопоставления было отобрано 127 скважин, характеризующиеся непрерывной эксплуатацией, на 4-х участках с общей площадью -70 кв. км на 1рех месторождениях: Бавлинское, Новоелховское и Соколкино-Сарапалинское. Отобранные скважины были разделены на три группы, характеризующиеся по данным СЛБО расположением в зонах высокой, средней и низкой трещиноватости. Осредненные промысловые характеристики скважин по этим группам представлены на рис. 4.17. На графике вытеснения нефти (рис. 4.17а) видно, что скважины с высокой трещиноватостью коллектора имеют в среднем накопленную добычу нефти в -2,5 раза выше, чем скважины, находящиеся в поле низкой трещиноватости.
На ко I и гсинам добыча нефти на 1 скн., т.
О 0,2 0,4 0.6 0,8 1.
Относительная накопленная добыча нефш.
— плотная зона, — средняя трещине ватость, высокая трещиневатость.
Рис 4 17. Сравнение изменении накопленной добычи нефти и обводненности продукции для коллекторов с малой, срсднсй и высокой трещиноватостью по осредненным графикам вытеснения нефти (а) и обводненности (б).
При этом скважины с максимальной добычей нефти приурочены к центральным частям зон максимальной трещиноватости.
Другой пример соответствия, характерный для Западной Сибири, получен на Северо-Даниловском месторождении, упомянутом выше в разделе 3.3.3. Здесь по результатам испытания на приток коллекторов, приуроченных к коре выветривания (КВ), были получены дебиты флюида, представленные ниже в таблице 4.1.
Заключение
.
По мере развития наук о Земле, как в общем плане, так и в плане совершенствования практических методов поиска, разведки и разработки месторождений углеводородов все более пристальное внимание привлекают трещиноватые структуры осадочного чехла. Занимая подчиненное положение в период доминирования литолого-стратиграфических концепций, они выходят на первый план в вопросах, определяющих стратегию и методы поиска новых месторождений.
Выполненные в рамках диссертации исследования, направленные на разработку современных технологий, обеспечивающих решение задачи поисков и разведки углеводородных месторождений нового типа, обусловленных наличием зон с открытой трещиноватостью, позволили получить следующие результаты.
1. На основе изучения процессов трещинообразования, протекающих в верхних слоях оболочки Земли и зонах доступных для недропользования, исследованы возможные пути миграции углеводородов и условия формирования залежей в трещинно-поровых средах. При этом обосновано существование субвертикальных транзитных зон в осадочном чехле, охватывающих как терригенные, так и карбонатные породы и показано, что при дилатансионном расширении среды вместе с зонами разуплотнения образуются и сопряженные с ними зоны консолидации (уплотнения) пород. Установлено существование в верхней части земной коры реологически ослабленных трещиноватых субгоризонтальных зон пониженной скорости сейсмоакустических волн, относящихся к квазиволноводам, и сформулированы признаки их выделения. Установлено высокое флюидонасыщение зон аномально высокой трещиноватости в осадочной толще.
2. Разработаны способы построения эффективных математических и геолого-геофизических моделей волновых процессов в пористых и трещинных средах, что позволило провести моделирования физических процессов трещинообразования и расчет математических моделей волновых явлений при одновременном рассеянии вперед и боковом рассеянии в средах с открытой трещиноватостью и флюидном заполнением трещин. Разработки легли в основу проведенного системного анализа волновых и флюидных процессов в структурах разрушения и обоснования взаимосвязи процессов в верхней коре и зонах промышленного недропользования, что дает основание для существенного уточнения геодинамических моделей при анализе сейсмоакустических наблюдений.
3. Разработаны теоретически и экспериментально обоснованные требования к созданию более совершенных технологий сейсмоакустических исследований зон открытой трещиноватости. При этом:
— определены требования к структуре, параметрам и позиционированию систем приема и возбуждения упругих волн при работах по технологии СЛБО;
— разработано обоснование способов повышения точности и разрешающей способности технологии СЛБО посредством применения 2-х и более кратного обзора геосреды с разных азимутальных направлений;
— определены требования к минимальным размерам апертур приема и излучения с целью выполнения условия расформирования отраженных волн;
— определено минимальное число накоплений на приеме для получения достаточного энергетического уровня рассеянных волн.
4. Разработаны научно-методические и технологически обоснованные принципы сейсмоакустического сопровождения методов разрушающего и упругого воздействия на геологические объекты эксплуатации, на основе чего:
— разработаны общие требования и принципы совместной технологии СЛБОиГРП;
— показано, что для получения максимальных и высоких притоков нефти необходимо вскрытие продуктивных отложений в центрах зон аномально высокой трещиноватости в сводовых участках ловушки.
5. Разработаны основы применения сейсмоакустики для повышения качества решения геологических задач и предотвращения аварий при бурении глубоких скважин, а также системы контроля за эксплуатацией нефтегазовых месторождений. При этом:
— исследовано пространственно-временное распределение зон трещиноватости, образующиеся при ГРП;
— изучена динамика развития, релаксации и изменения во времени зон техногенной трещиноватости;
— сформулированы направления развития технологии СЛБО в сфере управления ГРП;
— установлены явления постразрывной осцилляции зон трещиноватости, образующихся при ГРП, связанной с перестройкой внутренней структуры и рекомбинацией разуплотненных и консолидированных блоков;
— получены результаты, подтверждающие обоснованность выдачи рекомендаций по выбору оптимального направления бурения горизонтальных стволов скважин;
— сформулированы принципы мониторинга техногенных воздействий и определены пространственно-временные требования к организации систем сейсмоакустического мониторинга.
Таким образом, задачи, поставленные перед диссертационными исследованиями решены полностью.
