Description:

"Прогнозирование поля тектонического напряжения до бурения на основе геомеханических моделей Pre-drilling prediction of the tectonic stress field with geomechanical models Andreas Henk*" Предисловие Знание поля тектонического напряжения в коллекторе существенно для оптимизации бурения и добычи. Устойчивость ствола скважины, ориентация естественных и гидравлически вызванных разломов, анизотропия потока жидкости, наряду с другими, все это сильно зависит от текущего распределения напряжений. Несколько методов от инклинометрического анализа ответвлений ствола скважины до восстановления неупругих деформаций и сдвигового акустического анализа анизотропии кернов (например, Yale, 2003; Sperner и др., 2003) могут использоваться для определения ориентаций и относительных величин напряжений в естественном залегании, но очевидно, эта ценная информация станет доступной только после бурения скважины. Однако есть многочисленные случаи, где ориентация напряжения должна быть известна до бурения. Например, если планируется применение множества гидроразрывов в горизонтальной скважине, то ориентация области напряжения должна быть известна заранее, потому что для оптимального проектирования гидроразрывов ствол горизонтальной скважины должен быть параллелен направлению минимального главного напряжения. Точно так же планирование траектории скважины для устойчивости ее ствола, а также проектирование вторичных и третичных мероприятий по добыче (например, нагнетание воды в пласт, применение гидроразрывов) значительно улучшаются за счет знания полей напряжений среды. Информация относительно региональных ориентаций напряжения может быть получена из крупномасштабных сборов данных, таких как проект всемирной карты напряжений (Zoback, 1992; Sperner и др., 2003). Ориентация и величина области напряжения в осадочных бассейнах могут быть очень переменными и особенно вблизи разломов местные ориентации напряжения могут отличаться от направления регионального простирания до 90° (например, Yale, 2003). В таких случаях получение ориентаций напряжений, действующих конкретно в резервуаре, из карт регионального масштаба неизбежно приведет к неправильному предсказанию до бурения. В этой статье используется численный подход моделирования для определения величины и ориентации тектонических напряжений в коллекторе, особенно локальных изменений напряжения вблизи разломов. Модель основана на конфигурациях коллектора и разломов, полученных по сейсмическим данным, и на граничных условиях, представляющих поле региональных напряжений. Таким образом, этот инструмент также применим к случаям, где скважинные данные отсутствуют. Вслед за краткой схемой подхода моделирования приводится пример ее применения, чтобы оценить практическую ценность таких геомеханических моделей для предсказания поля тектонических напряжений в тектонически экранированных коллекторах до бурения. Факторы, влияющие на переориентацию напряжений вблизи разломов Используя массивы данных, полученных на нескольких типах осадочных бассейнов, распространенных по всему миру, Yale (2003) обсуждает качественные характеристики некоторых факторов, влияющих на изменения ориентаций напряжений в естественном залегании и утверждает, что величина избыточного горизонтального напряжения, расстояние до разломов, и структура разломов - ключевые параметры. Он обнаружил, что локальные отклонения в области напряжения наиболее характерны для районов, где разница между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями небольшая. Но даже в условиях больших тектонических напряжений, то есть в районах с большим избыточным горизонтальным напряжением, ориентации полей напряжений могут сильно изменяться, если разломы делят коллектор на отдельные, замкнутые блоки, ограниченные сбросами. Некоторое количественное понимание отклонений локальных напряжений достигнуто при помощи двумерных (2D) численных моделей разломов простых конфигураций (например, Pollard и Segall, 1987; Ohlmacher и Aydin, 1997; Sassi и Faure, 1997). Они отмечают, что ориентации локальных напряжений вблизи разломов зависят от фрикционных свойств пород и разлома (сцепление, коэффициент трения) так же как и угол между плоскостью разлома и осью наибольшего регионального главного напряжения. Тектоническая обстановка, которая удостоилась большого внимания в этом отношении, представляет собой ограниченную надвиговую область между двумя сбросо-сдвиговыми разломами, где горизонтальные движения могут привести к формированию тектонически экранированного поднятия или воздымающейся структуры. Ориентации и величины напряжений в таких структурах при сжимающих условиях также зависят от специфических характеристик разломов, таких как амплитуда смещения и перекрытие сдвиговых разломов (Ohlmacher и Aydin, 1997). В то время как такие 2D модели являются полезными инструментами для достижения некоторого общего понимания факторов, регулирующих ориентации напряжения, при применении к реальной среде требуется трехмерный (3D) подход для расчета характерных конфигураций разломов и коллектора, а также их механических свойств. Последние достижения в численных методах и вычислительной мощи позволяют строить такие детальные трехмерные модели для получения поля напряжений и анализа деформации. Геомеханические модели коллекторов - количественный подход Способ трехмерного (3D) моделирования, использованный в данном исследовании, использует метод конечных элементов (Finite Element - FE) и соответственно коммерческий код FE: ANSYS. Данный численный метод был выбран по причине того, что он обеспечивает точный расчет напряжений и деформаций для неоднородных структур со сложным строением и составом, обладающим нелинейными свойствами. Последовательность процедур включает в себя построение модели по интерпретированным сейсмическим данным, дискретизацию (выбор сетки), а также введение граничных условий для представления окружающего поля напряжения и воспроизведения наблюденных напряженных состояний в пунктах калибровки (если возможно). Модель конечных элементов описывает упругую и пластичную деформацию породы. Механическое поведение в упругой области описывается законом Гука, связывающим деформации с напряжениями через модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Пластичная деформация с хрупким разрушением определена по закону МораКулона, где используются удельные литологические величины сцепления и угла внутреннего трения. Увеличение объема из-за перераспределения зерен в течение начальных стадий трещинообразования регулируется углом дилатации. Если в процесс вовлечены материалы с пластичными реологическими свойствами, например соль, то пластичная деформация таких материалов может быть описана температурным законом и или зависящим от скорости деформации законом крипа. Конфигурация 3D модели может быть взята из данных сейсмической интерпретации посредством программных пакетов CAD, таких как AutoCAD, где задаются отдельные блоки коллектора, ограниченные разломами, и поверхности разломов. Такое построение модели конечного элемента по надежным методам моделирования облегчает дальнейшее построение сети и ее уточнение в ANSYS. Дискретизация делит среду на многочисленные элементы с формами призмы и или кирпича, в то время как так называемые элементы контакта задаются на противоположных сторонах существующих разломов. Эти элементы контакта могут рассматриваться как пружины, помещенные между блоками, ограниченными разломами. Сила контакта зависит от жесткости контакта (k) и проницаемости между этими двумя телами. В идеале здесь не должно быть проницаемости, но это подразумевает, что k бесконечен, что приведет к неустойчивому численному решению. Значение k, используемого в практике, зависит от модуля Юнга пород в контакте и минимизирует проницаемость, поддерживая устойчивое решение. В добавок коэффициенты трения разломов могут быть присвоены элементам контакта, которые начнут скользить, если предел прочности при сдвиге, описанный законом Мора-Кулона, будет превышен. Это допускается для различных смещений между независимо дискретизированными блоками модели, ограниченными разломами. Граничные условия смещения или напряжения введены для торцов модели, чтобы имитировать региональное поле напряжений. Количественный анализ локальных переориентаций напряжения в пределах тектонически экранированного коллектора может базироваться исключительно на конфигурациях коллектора и разломов, полученных из сейсмических данных и некоторой информации относительно напряжения окружающей области, взятой их крупномасштабных массивов данных. Однако качество прогноза сильно растет, если имеются данные калибровки, например, имеется скважина, в которой производились измерения ориентаций и величин напряжений. В этом случае смещения или напряжения применительно к вертикальным границам модели постепенно увеличивают, пока расчетные напряжения не будут соответствовать наблюдениям в локальной скважине, так же как и региональные ориентации напряжения. Эта откалиброванная модель конечного элемента лежит в основе прогнозов поля напряжения в частях бассейна, где не бурились скважины. Рис. 1 Месторождение газа Husum-Schneeren в северной Германии (см. вкладку по расположению). Слева: мигрированный сейсмический разрез (измененный по Hollmann и др., 1997). Справа: вид гл' Ключевые слова: fracture, локальный, горизонтальный, технический статья, вертикальный, конечный элемент, построение, угол, моделирование, статья, свойство, ориентация величина, поле, данный, проницаемость, geomechanical, месторождение, ограниченный разлом, structural interpretation, естественный, геомеханический, tectonophysics, региональный, разлом, граничный, течение, бассейн, fault, взятый, yale, ohlmacher, получить, конфигурация, трещина, тектонический, полученный, порода, husum-schneeren, плоскость, соль, тектонический напряжение, экранировать, ориентация напряжение, коллектор, горизонтальный напряжение, контакт, калибровка, break ноябрь, вблизи, тектонически, горизонтальный скважина, основа, конечный, величина напряжение, скважина, смещение, расстояние, взять, напряжение коллектор, величина, естественный залегание, faure, блок, aydin, наибольший, направление, break, образ, pollard, ствол, массив, freiburg, поле напряжение, ориентация, применение, germany, сейсмический дать, расчетный напряжение, справа, предсказание, nieuwland, london, информация, формирование, интерпретированный сейсмический, разлом полученный, ограниченный, северный германия, использованный, малый, сейсмический, должный, численный, геомеханический модель, бурение, использовать, технический, zoback, деформация, ноябрь, метод, hollmann, ziegler, район, journal, анализ, привести, структура, показывать, региональный поле, подход, проектирование, напряжение, вблизи разлом, модель, дать, пластичный, eage, сильный, среда, minkoff, закон, элемент, stress, область, конфигурация коллектор, использоваться, гидроразрыв, зависеть