Способ определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах

Изобретение относится к способам определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах. Сущность: выполняют моделирование пластов во время закачки отходов на основе параметров пластов. В процессе моделирования 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. 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. 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. Технический результат: повышение точности определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах, и расширение сферы использования. 16 ил.

 

Изобретение относится к области управления отходами, образующимися в процессе бурения скважин, по определению максимального объема отходов, который можно разместить в подземных пластах горных пород при закачке через нагнетательную скважину с размещением отходов в создаваемой при закачке системе трещин и поровом пространстве горных пород.

Известен способ подземного захоронения буровых отходов в многолетнемерзлых породах, включающий их гидротранспорт по трубопроводу от буровой установки к подземному резервуару и заполнение его через скважину буровыми отходами.

В процессе бурения пород отделяют буровой шлам от бурового раствора и по мере накопления бурового шлама периодически проводят его подготовку к гидротранспорту в виде пульпы с использованием в качестве транспортирующей жидкости отработанного бурового раствора или технической воды. После закачки буровой шлам отделяется от транспортирующей жидкости с возвратом жидкости к буровой установке. В период длительных остановок гидротранспортной системы пульпу удаляют из транспортирующего трубопровода созданием вакуума в трубопроводной сети или продувкой ее сжатым воздухом (патент №242218, опубликован 27.06.2009 г., МПК В09В 5/00, B65D 5/00.)

Недостатком данного способа является то, что его применение ограничено глубинами и районами залегания многолетнемерзлых пород. Способ предусматривает захоронение только бурового шлама, исключая жидкие отходы, объемы образования которых при строительстве скважин могут значительно превышать объемы образования бурового шлама. Помимо этого, в способе нет возможности оценки максимального объема отходов, который можно разместить в породах.

Известно подземное размещение отходов, содержащих твердую фазу (твердые частицы), которое предусматривает сбор отходов, их обработку, подготовку и закачку под высоким давлением в пласты горных пород, расположенных на определенной глубине ниже поверхности земли или морского дна (при закачке на море) («Утилизация нефтяных шламов путем подземного периодического гидравлического разрыва пласта: пример применения и концепции моделирования» ("Disposal of Oily Cuttings by Downhole Periodic Fracturing Injections, Valhall, North Sea: Case Study and Modeling Concepts.") Z.A. Moschovidis и другие. Статья SPE № SPE-25757-PA Декабрь 1994).

(https://www.onepetro.org/journal-paper/SPE-25757-PA?sort=&start=0&q=25757&from_year=&peer_reviewed=&published_between=&fromSearchResults=true&to_year=&rows=25#)

Отходы в подземные горные породы закачиваются в виде пульпы - суспензии, состоящей из измельченной твердой фазы и жидкой фазы. В случае закачки отходов, образовавшихся в процессе бурения скважины, твердая фаза будет представлена различными типами выбуренных горных пород (шламом). Жидкая фаза отходов может быть представлена различными видами жидкостей, а также водой. Перед закачкой под землю твердая фаза измельчается до определенного размера и смешивается с жидкой фазой в определенной пропорции.

Закачка твердой фазы, требует создания дополнительных полостей. Создание искусственных полостей внутри горных пород обычно связано с образованием трещин, которые возникают при закачке жидкостей и пульпы в подземные пласты горных пород под давлением.

Недостатком данной методики является то, что, несмотря, на введение специального термина «утилизационный домен» и применение моделирования гидравлического разрыва пласта для определения его характеристик, в ней отсутствует возможность расчета максимально объема отходов при подземной закачке, который можно было бы разместить в выбранных пластах горных пород.

В 1998-1999 гг. Научно-исследовательским институтом газа США (US Gas Research Institute) была организована тестовая закачки отходов в пласты подземных горных пород на испытательной площадке Маундс компании Бейкер Хьюз в Оклахоме. Целью исследований было установление развития трещиноватости и формирования трещинного домена в горных породах при закачке отходов. Результаты эксперимента показали создание в пластах горных пород при закачке отходов системы множественных трещин, объем которой может служить хранилищем для закачанной твердой и частично или полностью, жидкой фазы (Эксперимент Маунд по подземной закачке бурового шлама: итоговые результаты и выводы» ("The Mounds Drill-Cuttings Injection Field Experiment: Final Results and Conclusions") статья SPE №59115, Февраль 2000)

(https://www.onepetro.org/conference-paper/SPE-59115-MS?sort=&start=0&q=59115&from_year=&peer_reviewed=&published_between=&fromSearchResults=true&to_year=&rows=25#)

Недостатком данной методики является то, что, несмотря, на подробное описание возникающей при подземном размещении буровых отходов сложной системы множественных трещин, не производится оценка интенсивности создаваемой трещиноватости и объема созданных трещин. Опубликованные результаты могут служить основой для дальнейших исследований, но их нельзя напрямую использовать для оценки максимального объема отходов, который можно разместить в пластах горных пород.

Наиболее близким по существенным признакам к предлагаемому изобретению является Метод определения максимального объема бурового шлама, утилизируемого в пласте (US 20100332204, 30.12.2010, МПК G06G 7/48, Е21В 49/00).

Метод определения максимального объема бурового шлама, утилизируемого в пласте, включает:

Введение параметров пласта в симулятор;

Моделирование пласта во время закачки отходов на основе параметров пласта; определение давления внутри трещины по результатам моделирования; определение повышения давления закрытия трещины на основе результатов моделирования;

Расчет утилизируемого объема на основе давления внутри трещины и давления закрытия трещины, при этом расчет утилизируемого объема включает определение разницы между горным давлением и начальным минимальным напряжением пласта при начальном давлении закрытия трещины;

Расчет временного интервала закачки отходов на основе рассчитанного утилизируемого объема; и

Вывод как минимум одного значения утилизационной емкости и временного интервала, при этом расчет утилизируемого объема включает расчет максимального объема закачки до достижения горного давления.

Одним из основных недостатков данной методики является то, что расчет максимального объема отходов проводят только по твердой фазе. Жидкая фаза составляет, как правило, 80% и больше от всего объема закачиваемых отходов, зачастую объем закачиваемых жидкостей значительно превышает 80% всего объема отходов. Отсутствие учета объема и интенсивности закачки жидкостей существенно ограничивают как точность расчетов, так и сферу использования данной методики.

Расчет максимального объема основан на том, что вся твердая фаза будет располагаться в одной трещине, при этом не учитывается, что пласты горных пород характеризуются присутствием естественной трещиноватости, которая при увеличении пластового давления до определенных значений также может накапливать твердую фазу. Также не учитывается возможность создания сложного трещинного домена, состоящего из множества трещин ГРП и естественной трещиноватости.

При расчете емкости учитывается только смоделированное эффективное давление в трещине, тогда как очевидно, что емкость объекта закачки будет также зависеть и от свойств пересекаемых ею пластов.

Расчет максимального объема основан на определении увеличения давления при закачке единичной порции пульпы, при этом единичное увеличение давления, которое должно прямо пропорционально зависеть от увеличения давления закрытия трещины, рассчитывается исходя из эффективного давления в трещине в ходе закачки. Несмотря на то, что эффективное давление в трещине также зависит от величины деформации породы, оно не может в полной мере служить основой для расчета увеличения напряжения, поскольку помимо всего прочего, зависит от технических параметров закачки. Например, увеличение расхода закачки увеличивает эффективность гидроразрыва пласта, а соответственно, должно увеличивать максимальный объем отходов, который можно разместить в пласте. Но увеличение расхода также приводит к увеличению эффективного давления в трещине, что, согласно логике метода должно приводить к уменьшению максимального объема.

Для того чтобы определить увеличение напряжения при закачке единичной порции пульпы введен искусственный «коэффициент заполнения» трещины (fill fraction), который, фактически является переводным коэффициентом для расчета давления закрытия трещины (текущего минимального напряжения пласта) из эффективного давления в трещине во время закачки. Причины использования этого коэффициента не понятны, поскольку большинство современных программ-симуляторов гидроразрыва пласта позволяют производить моделирование после остановки закачки и, соответственно, позволяют напрямую определить давление закрытия трещины без использования искусственных преобразований.

Недостатком данной методики является то, что все расчеты основаны на одномерной модели, которая не учитывает изменчивость свойств горных пород по площади, возможное присутствие тектонических разломов, различного рода геологических осложнений, а также, пробуренных, строящихся или будущих скважин в районе проведения закачки отходов, что существенно ограничивает точность расчетов.

Технической задачей является повышение точности расчетов и расширение сферы использования.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах, включающем введение параметров пластов в программу-симулятор, моделирование пластов во время закачки отходов на основе параметров пластов, вывод как минимум одного значения утилизационного объема отходов и временного интервала, моделирование пластов во время закачки отходов проводят на основе моделирования гидравлического разрыва пласта и гидродинамической фильтрации жидкой фазы. По результатам моделирования определяют геометрию трещины гидроразрыва пласта и прогнозируют развитие сети вторичных трещин, расчет утилизационного объема отходов проводят на основе оцененного объема созданных трещин и прогноза увеличения напряжения в горных породах из-за роста напряжения вследствие фильтрации и накопления жидкой фазы и накопления твердой фазы.

Расчет утилизационного объема отходов проводят на основе построения модели распределения свойств горных пород по латерали и вертикали моделируемых пластов.

Расчет утилизационного объема отходов проводят на основе моделирования гидравлического разрыва пласта и определения геометрии трещины.

Расчет утилизационного объема отходов проводят на основе построения модели фильтрации жидкости в пласты.

Расчет утилизационного объема отходов проводят на основе прогноза пластового давления во времени.

Расчет утилизационного объема и проводят на основе увеличения напряжения пластов во времени.

Расчет утилизационного объема проводят с учетом интенсивности закачки Предлагаемый способ учитывает закачку жидкой фазы отходов и позволяет оценить максимальный объем отходов, как по твердой, так и по жидкой фазе. При этом учитываются фильтрационно-емкостные свойства пластов горных пород, и их изменение по вертикали и латерали. Помимо этого, возможен учет изменений технологических параметров закачки, таких как интенсивность закачки, содержание твердой фазы, реологии жидкостей на протяжении всего процесса.

Расчет максимального объема отходов по твердой фазе основан на образовании множественной трещиноватости, включая естественные трещины горных пород, оценке геометрии трещины и определении вовлеченности окружающих пластов горных пород в процесс закачки.

Учет фильтрации и накопления жидкой фазы отходов в пласте, а также учет создания множественной трещиноватости существенно повышают точность расчетов. Учет фильтрации жидкой фазы, помимо этого, существенно расширяет сферу использования способа, позволяя применять способ для случаев с существенной составляющей жидкостей в общем объеме отходов.

Одной из составляющих общего роста напряжения в подземных горных породах вследствие закачки отходов, является деформация горных пород из-за образования трещин гидроразрыва пласта и раскрытия естественных трещин и накопления в созданной системе трещин твердой фазы закачиваемых отходов (Michael Economides, Ronald Oligney, Peter Valko, "Unified Fracture Design", 2002, Orsa Press, Alvin, Texas, USA (https://www.petroleumengineers.ru/sites/default/files/ufd_sample_chapters.pdf) и "The Mounds Drill-Cuttings Injection Field Experiment: Final Results and Conclusions" статья SPE №59115 Февраль 2000).

Построение модели, включающей требуемые для моделирования параметры

Модель подземных пластов - это объемное представление изучаемого пласта или группы пластов подземных горных пород, содержащее информацию о геометрии, структуре, толщинах, фильтрационно-емкостных свойствах горных пород. Геометрия модели подземных пластов горных пород может быть построена на основе структурных данных, включающих в себя информацию по пространственному расположению и глубинам залегания кровли и подошвы изучаемых геологических пластов, геометрию и параметры находящихся на изучаемой территории тектонических глубинных разломов и другие геологические данные.

Для создания трехмерного распределения свойств горных пород пространственная структурная модель разбивается на ячейки с заполнением пространства между латеральными границами, а также между кровлей и подошвой каждого пласта. Структурная модель при этом задает форму сетки ячеек и создает границы модели. Модель физических свойств пластов горных пород является количественным представлением геологических данных. Распределение свойств в созданной трехмерной модели иллюстрирует геологические тела и их изменения в недрах. Распределение свойств - это заполнение пространства модели геологическими данными, необходимыми для моделирования гидравлического разрыва и гидродинамического моделирования фильтрации жидкости.

Гидродинамическое моделирование, моделирование гидравлического разрыва пласта и прогноз развития трещиноватости связаны с использованием ряда входных параметров, характеризующих фильтрационные, механические и другие свойства горных пород, а также свойства закачиваемых жидкостей и твердой фазы. Свойствами горных пород могут быть, например коэффициент Пуассона, модуль Юнга, значения напряжений и пластовых давлений в породах, пористость, проницаемость, коэффициенты утечек, температура. Свойствами жидкостей могут быть, например реологические свойства, плотность, температура. Свойствами твердой фазы могут быть, например размер частиц, механические свойства частиц, зависимость свойств твердых частиц от эффективного напряжения.

Моделирование гидравлического разрыва пласта

Для оценки профиля изменения пластовых давлений, с целью расчета интенсивности развития трещиноватости, а также для определения вовлечения в закачку пластов горных пород, необходимо определить геометрические размеры основной создаваемой трещины гидроразрыва пласта, которая соединяет скважину с пластами горных пород и сетью трещин, развивающейся в пластах. Геометрические размеры трещины можно определить аналитически с использованием известных формул для расчета, путем моделирования процесса гидроразрыва пласта с использованием специальной программы - симулятора гидроразрыва пласта, а также путем проведения специальных исследований на существующем проекте по закачке отходов.

Моделирование процесса гидроразрыва пласта, который сопровождает подземную закачку отходов, может производиться с использованием любой программы-симулятора гидравлического разрыва пласта, известной на настоящий момент времени и обладающей достаточным для этих целей функционалом. Это может быть, например псевдотрехмерный симулятор (pseudo 3D), плоскостной трехмерный симулятор (planar 3D), общий трехмерный симулятор (general 3D) и любые другие доступные типы.

Одними из основных входных данных моделируемого процесса гидроразрыва пласта являются технические данные закачки, такие как объем закачиваемой пульпы, состав пульпы, расход закачки пульпы, объем промывки, расход промывки, свойства жидкости промывки. Пульпой называется смесь жидкости и измельченной твердой фазы в определенных пропорциях. Очевидно, что закачка всего объема отходов, образующегося на проекте в течение долгого времени (месяцев или лет) не может быть произведена непрерывно, за один раз. Закачка пульпы отходов на проектах происходит порционно, с перерывами на ожидание отходов, подготовку очередного объема для закачки, обслуживание оборудования и по другим причинам.

Согласно принципам материального баланса, размеры трещины помимо свойств горных пород, пульпы, жидкостей и технических параметров закачки, определяются объемом закачки, а также соотношением расхода закачки и утечек жидкости из трещины в окружающие горные породы. Геометрические размеры трещины будут увеличиваться до тех пор, пока расход закачки не уравновесится утечками жидкости из трещины в пласт, либо до тех пор, пока закачка не будет остановлена.

Для оценки геометрических размеров создаваемой трещины при моделировании предлагается использовать наиболее вероятный объем порции пульпы, который исторически наблюдается или ожидается на данном проекте. Помимо наиболее вероятного объема можно произвести ряд расчетов с объемами порций, отличающимися от наиболее вероятного как в большую, так и в меньшую сторону для проведения вероятностной оценки размеров трещины в зависимости от объема порции. Для оценки геометрических размеров трещины предлагается использовать моделирование закачки одной порции пульпы выбранного объема.

Для моделирования процесса закачки содержание твердой фазы в пульпе должно выбираться исходя из условий проекта закачки, для которого производится моделирование. Содержание твердой фазы может заноситься в симулятор, например, как масса на объем жидкости, масса на объем пульпы, объемное содержание на объем пульпы, объемное содержание на объем жидкости.

Геометрия трещины является результатом расчета при симуляции закачки отходов в подземные горные породы. Основными параметрами геометрии являются площадь поверхности трещины, ее длина и высота.

Гидродинамическое моделирование закачки жидкой фазы

Оценку изменения пластового давления в горных породах, необходимую для расчета параметров вторичной трещиноватости, проводят при помощи гидродинамического моделирования.

Закачка твердой фазы в гидродинамической модели не моделируется. Моделируется только закачка жидкой фазы, которая поступает в пласты горных пород через стенки трещины, поскольку целью гидродинамического моделирования является расчет пластового давления.

Интервал закачки в нагнетательной скважине гидродинамической модели располагается согласно глубине расположения в проекте и траектории скважины. В модели скважина должна сообщаться со всеми пластами, которые пересекаются смоделированной трещиной гидроразрыва пласта. Сообщение скважины со всеми требуемыми пластами может быть достигнуто прямым подключением скважины к пластам в программе-симуляторе путем задания в описании скважины ссылок на ячейки модели, либо путем отображения в гидродинамической модели трещины гидроразрыва пласта.

Трещина гидроразрыва пласта в гидродинамической модели задается как набор ячеек модели, расположение которых относительно нагнетательной скважины соответствуют размерам смоделированной или определенной любым другим способом трещины гидроразрыва пласта, т.е. при помещении трещины в модель, эти ячейки модели пересекались бы трещиной. Плоскость трещины должна быть перпендикулярна минимальному главному напряжению. Проницаемость трещины гидроразрыва пласта, определенная в симуляторе гидроразрыва пласта или рассчитанная любым другим способом, осредняется в ячейках гидродинамической модели согласно взаимному расположению трещины и ячеек, особенностями модели и используемого гидродинамического симулятора.

При гидродинамическом моделировании проводят симуляцию закачки только жидкой составляющей отходов, подлежащих закачке. Расход закачки в модели должен соответствовать прогнозируемому или фактическому расходу, скорректированному в соответствие с объемным содержанием жидкой фазы в закачиваемых отходах. Если содержание жидкой фазы в закачиваемых отходах составляет 80%, то расход также должен составлять 80% от прогнозного или фактического расхода закачки отходов.

Прогноз профиля пластового давления

Результатом гидродинамического моделирования является получение в модели области повышенного давления вокруг нагнетательной скважины. В гидродинамическом симуляторе каждая ячейка модели характеризуется определенным значением пластового давления. Полученные значения пластового давления по ячейкам модели используются в формуле 1 для определения проницаемости системы трещин и далее для расчета ширины трещин с использованием формулы 3.

Расчет интенсивности развития системы рещин

Для расчета объема твердой фазы, который можно разместить в подземных горных породах необходимо обосновать механизм размещения, учитывая соотношение обычно наблюдаемых геометрических размеров трещин и объемов закачки отходов. Таким механизмом может являться образование множественной системы трещин, которое, согласно результатам исследований, проведенных в 1998-1999 гг. Научно-исследовательским институтом газа США, сопровождает подземную закачку отходов (Эксперимент Маунд по подземной закачке бурового шлама: итоговые результаты и выводы» ("The Mounds Drill-Cuttings Injection Field Experiment: Final Results and Conclusions") статья SPE №59115 Февраль 2000). Проведенные исследования подтвердили идею наличия множественных трещин, создаваемых при закачке пульпы буровых отходов (отходов, содержащих твердую и жидкую фазу). Множественная трещиноватость была подтверждена исследованиями образцов керна, извлеченных из наблюдательных скважин, пробуренных через зоны развития трещин, а также подтверждена микросейсмикой и наклонометрией пластов. Трещины, которые напрямую не сообщаются со скважиной закачки, здесь называются вторичными. Основной трещиной следует считать трещину, сообщающуюся со скважиной, первично образованную при гидравлическом разрыве пласта. Вторичными могут быть естественные трещины, а также любые другие трещины, развивающиеся вследствие изменений подземных условий, вызванных закачкой флюидов под давлением.

Зона развития трещинного домена, состоящего из основной трещины и семейства вторичных трещин, может быть описана как локальная система с двойной пористостью, похожая на естественно-трещиноватые коллекторы. Двойная пористость означает два вида порового пространства горных пород, одновременно присутствующие в пласте. Примером породы с двойной пористостью может являться трещиноватый песчаник, в котором один вид пористости связан с пустотами между частицами породы, а второй - с трещинами. Трещиноватые горные породы характеризуются зависимостью проницаемости от давления, которое влияет на интенсивность раскрытия трещин. Подобное поведение трещиноватого пласта было, описано Уолшем (Walsh) (1981 г.):

K - проницаемость трещин

K₀ - проницаемость трещин при первоначальном пластовом давлении

σ_ref - начальное напряжение, действующее на трещины

σ - текущее напряжение, действующее на трещины

Р - текущее пластовое давление

С - поправочный коэффициент.

Согласно Кубическому закону течения жидкости в трещине, проницаемость в зависимости от ширины трещины можно рассчитать как:

Wf - ширина трещины («Гидравлическая проводимость трещин горных пород» ("Hydraulic Conductivity of Rock Fractures") Robert W. Zimmerman and Gudmundur S. Bodvarsson, Октябрь 1994).

Используя выражение 2, ширину трещины в зависимости от проницаемости можно определить как:

Wf отражает общую ширину всех созданных трещин в изучаемом объеме горных пород.

Оценка объема образованных трещин

Для расчета объема образованной трещиноватости в каждой ячейке модели, ширина трещины, определенная по формуле 3, умножается на площадь трещины в ячейке. Для расчета принимается, что каждая ячейка содержит одну трещину средней толщиной, определенной по формуле 3. Трещина проходит через центр ячейки, площадь трещины, будет определяться линейными размерами и геометрией ячейки, а также направлением трещины относительно осей модели.

Доступный на данном временном шаге расчета объем трещин для размещения отходов будет определяться суммой рассчитанных объемов трещин по ячейкам гидродинамической модели.

Расчет увеличения напряжения от накопления твердой фазы отходов

Увеличение напряжения в ячейке, возникающее из-за развития трещины и заполнения трещины закачиваемыми отходами, можно рассчитать, используя соотношение Снеддона и Эллиота (1946), преобразованная форма которого выглядит следующим образом:

Δσ - увеличение напряжения

- средняя ширина трещины

- модуль деформации

h - высота трещины.

Модуль деформации рассчитывается по формуле:

Е - модуль Юнга

υ - коэффициент Пуассона (Michael J. Economides, Kenneth G. Nolte, Reservoir Stimulation, 2nd edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989).

Общий объем трещиноватости вычисляется как сумма объемов трещин по всем ячейкам модели. После вычисления объема трещиноватости на данном временном шаге необходимо сравнить рассчитанный объем трещин с планируемым или фактически закачанным объемом твердой фазы на этот момент времени с начала закачки. Если планируемый или фактический объем закачки меньше расчетного объема созданных трещин, то фактическое увеличение напряжения должно быть скорректировано на планируемый или фактический объем закачки. Поскольку увеличение напряжения линейно зависит от ширины, а, соответственно, объема трещин, увеличение напряжения можно скорректировать, используя следующее выражение:

Δσ_corr - скорректированное увеличение напряжения

Δσ - увеличение напряжения согласно рассчитанному объему трещин в модели

Vfact - планируемый или фактический объем закачки твердой фазы

Vfrac - общий рассчитанный объем трещин в модели на текущем временном шаге

Расчет увеличения напряжения от накопления жидкой фазы отходов

Минимальное напряжение в горных породах помимо роста за счет накопления твердой фазы в системе созданных трещин, будет также увеличиваться за счет роста порового давления из-за фильтрации жидкости. Увеличение минимального напряжения за счет роста порового давления можно рассчитать с использованием преобразованного выражения упругости пористого пространства:

Δσ_pp - изменение напряжения за счет порового давления

ν - коэффициент Пуассона

РР1 - поровое давление на предыдущем временном шаге

РР2 - поровое давление на текущем временном шаге

α - константа Байота (Biot's) (Michael J. Economides, Kenneth G. Nolte, Reservoir Stimulation, 2nd edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989).

Расчет полного увеличения напряжения от накопления твердой и жидкой фазы

Общее изменение напряжения на текущем временном шаге расчета составит

Текущее значение напряжения в ячейке модели определяется как сумма напряжения на предыдущем временном шаге и изменение напряжения в текущем шаге.

Определение максимальных утилизируемых объемов твердой и жидкой фазы

В зависимости от условий на проекте закачки отходов основная трещина ГРП может быть вертикальной или горизонтальной.

Предельной величиной напряжения для вертикальной трещины будет являться наименьшее между горным давлением и ограничением по давлению оборудования закачки (скважинное оборудование, насос высокого давления и оборудование, соединяющее насос высокого давления со скважиной). Ограничение по давлению оборудования должно быть пересчитано в подземные условия в скважине на глубине осуществления закачки.

Предельной величиной напряжения для горизонтальной трещины будет являться ограничение по давлению оборудования закачки.

Максимальный объем отходов ограничивается объемом твердой и жидкой фазы, рассчитанных в модели на момент, когда минимальное значение напряжения в ячейках модели, подключенных к нагнетательной скважине, достигнет предельной величины напряжения.

Если на предыдущем временном шаге общее напряжение было ниже горного давления, а в конце текущего временного шага напряжение превысило горное давление, то максимальный объем отходов рассчитывается по пропорции.

Vfin - максимальный объем отходов

V1 - достигнутый объем закачки на предыдущем временном шаге

V2 - достигнутый объем закачки на текущем временном шаге

σ₁ - общее напряжение на предыдущем временном шаге

σ₂ - общее напряжение на текущем временном шаге

σfin - предельная величина напряжения.

Формула 9 справедлива как для твердой, так и для жидкой фазы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На Фиг. 1 Внешний вид гидродинамической модели первого примера (пласт песчаника)

На Фиг. 1 Результаты моделирования гидравлического разрыва пласта первого примера

На Фиг. 3 Карта пластового давления через 1 год закачки для первого примера

На Фиг. 4 Карта пластового давления через 27 месяцев закачки для первого примера

На Фиг. 5 Карта напряжений через 1 год закачки для первого примера

На Фиг. 6 Карта напряжений через 27 месяцев закачки для первого примера

На Фиг. 7 Изменение пластового давления в ячейках скважины первого примера

На Фиг. 8 Определение момента окончания закачки

в первом примере

На Фиг. 9 Внешний вид гидродинамической модели второго примера

На Фиг. 10 Результаты моделирования гидравлического разрыва пласта второго примера

На Фиг. 11 Карта пластового давления через 1 год закачки для второго примера

На Фиг. 12 Карта пластового давления через 26 месяцев закачки для второго примера

На Фиг. 13 Карта напряжений через 1 год закачки для второго примера

На Фиг. 14 Карта напряжений через 26 месяцев закачки для второго примера

На Фиг. 15 Изменение пластового давления в ячейках скважины второго примера

На Фиг. 16 Определение момента окончания закачки во втором приме

Заявленный способ оценки максимального объема отходов, утилизируемого в пластах осуществляется следующим образом

Пример 1. Оценка максимального объема отходов при подземной закачке (твердой и жидкой фазы). Закачка отходов в проницаемый пласт песчаника, ограниченный сверху и снизу непроницаемыми пластами глин

Модель первого примера использования изобретения включает в себя три пласта - пласт песчаника и два непроницаемых пласта глин, располагающихся сверху и снизу песчаника. Глубина залегания пласта песчаника составляет 2050 м по вертикали. Глубина залегания верхнего пласта глин составляет 2000 м. Мощность каждого из трех пластов составляет 50 м. Начальное пластовое давление в пласте песчаника составляет 208 бар, начальное значение минимального напряжения на кровле песчанка - 253 бар. В модели принято допущение, что минимальное напряжение является основным напряжением, влияющим на все образующиеся трещины (все трещины параллельны друг-другу). Пластовое давление является гидростатическим с градиентом 0.104 бар/м. Район расположения скважины характеризуется нормальной тектоникой (минимальное горизонтальное напряжение является минимальным абсолютным напряжением, горное давление является максимальным абсолютным напряжением). Градиент горного давления принят равным 0.195 бар/м. Таким образом, величина горного давления на кровле пласта -песчаника составляет 400 бар.

Гидродинамическая модель первого примера построена по принципу геометрии центральной точки, геометрически представляет собой куб с размерами по горизонтали - 2020×2020 метров, по вертикали - 150 м. Горизонтальные размеры ячеек составляют 20×20 м. Модель включает в себя три описанных выше пласта - пласт песчаника по середине, и два пласта глин выше и ниже. Нагнетательная скважина располагается в центре модели, подключена к среднему пласту - песчанику. Внешний вид гидродинамической модели показан на фиг. 1., цифрами обозначены: 1 - скважина, 2 - ячейки модели.

Среднесуточный объем закачки пульпы по первому примеру составляет 550 м³/день. Содержание твердой фазы принято постоянным и составляет 10% по объему. Таким образом, среднесуточный объем закачки жидкой фазы в гидродинамической модели составляет 500 м³/день.

При моделировании гидравлического разрыва пласта принято, что весь дневной объем шламовой пульпы закачивается за одну порцию с расходом 0.64 м³/мин. Результаты моделирования гидравлического разрыва пласта представлены на фиг. 2., цифрами обозначены: 3 - профиль напряжений пластов, 4 - интервал закачки в скважину, 5 -изолинии ширины смоделированной трещины (в миллиметрах). Согласно результатам, вертикальные границы трещины совпадают с границами проницаемого пласта-песчаника (высота трещины - 50 м), полудлина трещины составляет 60 м.

В гидродинамической модели трещина гидроразрыва пласта отражена как ряд ячеек, располагающийся в центре модели параллельно оси X симметрично относительно нагнетательной скважины. Ячейки трещины отличаются увеличенной проницаемостью по X по сравнению с остальными ячейками модели. Проницаемость трещины рассчитывается по формуле 2 согласно ширине трещины, полученной при моделировании гидравлического разрыва пласта (фиг. 2). Затем полученная проницаемость арифметически осредняется в ячейках гидродинамической модели, представляющих трещину в направлении оси X. В модели нагнетательная скважина подключена непосредственно к ячейке, расположенной на глубине интервала закачки. В этой ячейке модели происходит оценка давления и расчет напряжения, согласно значению которого определяется момент остановки закачки при достижении напряжением максимального значения.

В данном примере расчета закачка отходов происходит в вертикальную трещину. Максимальным напряжением, соответствующим критериям образования вертикальной трещины является горное давление, превышение которого приведет к переориентации трещины в горизонтальную плоскость. Горное давление в описываемом примере соответствует 400 бар. Соответственно максимальным объемом отходов будет являться объем жидкой и твердой фазы, которые будут размещены в пласте до момента достижения напряжением в ячейке, к которой подключена нагнетательная скважина, величины 400 бар.

На фиг. 3 и 4 показаны карты пластового давления, построенные по данным ячеек гидродинамической модели через 1 год и через 27 месяцев после начала закачки соответственно. Максимальные величины давления наблюдаются вблизи нагнетательной скважины. Увеличение давления наблюдается также в областях, окружающих смоделированную трещину. На фиг. 3, 4 цифрами обозначены: 1 - нагнетательная скважина, 6 - изолинии пластового давления (в барах).

Полученные значения пластового давления в ячейках модели далее пересчитываются в общую ширину создаваемых трещин используя выражения 1 и 3. Также рассчитывается увеличение напряжения за счет накопления жидкой фазы согласно выражению 7. Далее, при помощи выражений 5 и 4 рассчитывается увеличение напряжения за счет накопления твердой фазы если бы все созданные ячейки были бы полностью заполнены твердой фазой. Поскольку объем закачиваемой твердой фазы меньше объема созданных трещин, то увеличение напряжения от накопления твердой фазы корректируется согласно фактически размещенному на данном временном шаге объему, используя выражение 6. Общее изменение напряжения за счет размещения твердой и жидкой фазы рассчитывается при помощи выражения 8.

На фиг. 5 и 6 представлены карты распределения напряжения по ячейкам модели через 1 год и через 27 месяцев после начала закачки соответственно. На фиг. 5, 6 цифрами обозначены: 1 - нагнетательная скважина, 7 - изолинии напряжения (в барах).

На фиг. 8 представлен график изменения рассчитанного напряжения в ячейке модели, подключенной к нагнетательной скважине. Цифрами обозначены: 8 - линия горного давления, 9 - максимальное время закачки. Кривая напряжения на представленном графике пересекает линию горного давления в точке, соответствующей 2 годам и 3 месяцам (27 месяцев или 791 день) после начала закачки.

Максимальный объем отходов может быть рассчитан путем умножения среднесуточного объема закачки на максимальное время закачки, определенное по графику (фиг. 8). Таким образом, объем закачанной жидкости на момент окончания закачки должен составить 395500 м³, объем твердой фазы - 39550 м³. Максимальный объем по пульпе при содержании твердой фазы 10% по объему должен составить 435050 м³.

Пример 2 Оценка максимального объема отходов при подземной закачке (твердой и жидкой фазы). Закачка отходов в слабопроницаемый пласт аргиллитов.

Геомеханическая модель второго примера использования изобретения также включает в себя три пласта. Но, в отличие от первого примера, в данном случае все пласты являются слабопроницаемыми. Литологически пласты могут быть описаны как пласты аргиллитов. Глубина залегания верхнего пласта составляет 1950 м по вертикали. Градиент пластового давления принят равным 0.104 бар/м для всех трех пластов. Мощность верхнего и нижнего пластов составляет 100 м, среднего пласта - 50 м. Целевым пластом размещения отходов в данном случае является, пласт, располагающийся по середине, тогда как верхний и нижний пласты будут вмещающими. Начальное пластовое давление в среднем пласте составляет 208 бар, начальное значение минимального напряжения на кровле среднего пласта - 287 бар. В модели также принято допущение, что минимальное напряжение является основным напряжением, влияющим на все образующиеся трещины (все трещины параллельны друг-другу). Район расположения скважины также характеризуется нормальной тектоникой (минимальное горизонтальное напряжение является минимальным абсолютным напряжением, горное давление является максимальным абсолютным напряжением). Градиент горного давления принят равным 0.195 бар/м. Таким образом, величина горного давления на кровле среднего пласта составляет 400 бар.

Гидродинамическая модель построена аналогично первому примеру, за исключением пористости и проницаемости пластов, которые во втором варианте составляют 0.01 и 0.001 мД соответственно во всех пластах. Внешний вид гидродинамической модели показан на фиг. 9, цифрами обозначены: 1 - скважина, 2 - ячейки модели.

Среднесуточный объем закачки пульпы во втором примере составляет 60 м³/день. Содержание твердой фазы принято постоянным и составляет 20% по объему. Таким образом, среднесуточный объем закачки жидкой фазы в гидродинамической модели составляет 50 м³/день.

Расход закачки пульпы для моделирования гидравлического разрыва пласта был принят равным 0.64 м³/мин. Наиболее вероятная порция пульпы была принята равной 150 м³. Данный объем пульпы и среднесуточный объема закачки равный 60 м³ фактически означают закачку один раз в три дня. Подобная интенсивность характерна для проектов, находящихся на морских платформах, где наиболее часто пласты слабопроницаемых пород выбираются в качестве целевых пластов размещения отходов.

Результаты моделирования гидравлического разрыва пласта представлены на фиг. 10, цифрами обозначены: 3 - профиль напряжений пластов, 4 - интервал закачки в скважину, 5 - изолинии ширины смоделированной трещины (в миллиметрах). Согласно результатам, высота трещины составила 180, полудлина - 100 м. Смоделированная трещина ГРП в гидродинамической модели отражена аналогично первому примеру расчета.

На фиг. 11 и 12 показаны карты пластового давления, построенные по данным ячеек гидродинамической модели через 1 год и через 26 месяцев после начала закачки соответственно. Максимальные величины давления наблюдаются вблизи нагнетательной скважины. Увеличение давления наблюдается также в областях, окружающих смоделированную трещину. На фиг. 11, 12 цифрами обозначены: 1 - нагнетательная скважина, 6 - изолинии пластового давления (в барах).

Процесс расчета объема создаваемых трещин и общего напряжения по ячейкам модели аналогичен первому примеру.

На фиг. 13 и 14 представлены карты распределения напряжения по ячейкам модели через 1 год и через 26 месяцев после начала закачки соответственно. На рисунках цифрами обозначены: 1 - нагнетательная скважина, 7 - изолинии напряжения (в барах).

На фиг. 16 представлен график изменения рассчитанного напряжения в ячейке модели, подключенной к нагнетательной скважине. Цифрами обозначены: 8 - линия горного давления, 9 - максимальное время закачки. Кривая напряжения на представленном графике пересекает линию горного давления в точке, соответствующей 2 годам и 2 месяцам (26 месяцев или 760 дней) после начала закачки.

Максимальный объем отходов может быть рассчитан путем умножения среднесуточного объема закачки на максимальное время закачки, определенное по графику (фиг. 16). Таким образом, объем закачанной жидкости на момент окончания закачки составил 38000 м³, объем твердой фазы - 7600 м³. Общий объем отходов по пульпе при содержании твердой фазы 20% по объему составил 45600 м³.

Способ определения максимального объема отходов, утилизируемого в пластах, заключающийся в моделировании пластов во время закачки отходов на основе параметров пластов, расчете максимального объема отходов, отличающийся тем, что 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, 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.