Способ анализа и проектирования стимуляции подземного пласта
Группа изобретений относится к способам стимуляции подземного пласта и прогнозирования распределения материала в процессе и после стимуляции подземного пласта. При этом способ содержит получение входных данных обработки пласта, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта. Определение и подготовку проекта обработки и выполнение обработки пласта в соответствии с выбранным проектом обработки. Моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит допущение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции, и вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода. Технический результат заключается в повышении эффективности обработки пласта. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Углеводороды (нефть, природный газ и т.д.) добывают из подземной геологической формации (т.е. «продуктивного пласта») путем бурения скважины, которая проходит через нефтегазоносный пласт. В результате создается частичный путь движения углеводорода к поверхности. Для «добычи» углеводородов, то есть для их перемещения из пласта в ствол скважины (и в конечном итоге - на поверхность), углеводородам обеспечивают, по существу, беспрепятственный путь продвижения из пласта в ствол скважины.
[0002] При обработке пласта применяются такие методы для интенсификации притока, как гидроразрыв пласта и кислотная обработка. Методы обработки пласта применяются с целью увеличения продуктивности скважины. Все операции по гидроразрыву и кислотной обработке изначально разрабатываются на основе разнообразных входных данных, таких как данные по свойствам пласта, о свойствах проппанта (расклинивающего агента), о закачиваемом объеме кислоты, целевому коэффициенту продуктивности скважины и т.д.
[0003] Для достижения хорошего с экономической точки зрения результата обработки пласта в современных рабочих процессах по подбору проекта обработки применяют численные модели обработки пласта. Их назначение состоит в том, чтобы, например, убедиться в правильном размещении проппанта в трещине гидроразрыва без закупоривания трещины проппантом и получить запланированную геометрическую форму и проводимость трещин гидроразрыва/каналов. В современных проектах для обработки пласта часто рассматривают комбинацию разного количества жидкостей (таких как, например, кислоты, гели), проппанта и волокон. Моделирование одновременного переноса этих количеств внутри трещин гидроразрыва/каналов увеличивает сложность численных моделей. Кроме этого, непрерывная разработка новых технологий обработки пласта для интенсификации притока приводит к новым сложным задачам моделирования. Например, в случае импульсной закачки проппанта, если импульсы закачки короткие (<20 с), желательно большое разрешение по пространственному и временному измерениям, чтобы отразить размещение проппанта в численном решении.
[0004] В доступных компьютерных программах применяется множество моделей гидроразрыва и кислотной обработки. Например, в моделях 2D PKN и KGD рассматривается либо вертикальная трещина гидроразрыва постоянной высоты, либо трещина гидроразрыва дискообразной формы. Другие модели, такие как псевдо-3D (Pseudo 3D, P3D), способны оценить рост высоты трещины гидроразрыва, но имеют плохую точность в случае многослойных пластов с множеством геологических слоев. В последнее время все больше внимания привлекает разработка Planar 3D-моделей, способных моделировать стимуляцию многослойных пластов, такую как гидроразрыв пласта или кислотная обработка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ
[0005] В данном кратком описании содержится общая информация о выбранных концепциях, которые подробно описаны ниже. Данное описание не предназначено ни для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения, ни для использования в качестве вспомогательного средства, ограничивающего объем заявленного объекта изобретения.
[0006] В одном аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к способу стимуляции (обработки) подземного пласта, который содержит получение входных данных для обработки пласта, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта, причем модель содержит допущение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции, и вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода; определение и подготовку проекта обработки и выполнение обработки пласта в соответствии с выбранным проектом обработки.
[0007] В другом аспекте варианты осуществления настоящего документа относятся к способу прогнозирования распределения материала в процессе или после стимуляции подземного пласта, который содержит получение входных данных для обработки пласта, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит допущение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции; и вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода, и вывод данных моделирования.
[0008] Другие аспекты и преимущества заявленного объекта изобретения представлены в подробном описании и прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] На ФИГ. 1 представлена блок-схема модели стимуляции согласно представленным вариантам осуществления.
[0010] На ФИГ. 2 показано поле скоростей в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
[0011] На ФИГ. 3 показаны линии тока в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
[0012] На ФИГ. 4 показан профиль концентраций проппанта, рассчитанный в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
[0013] На ФИГ. 5 показан профиль концентраций проппанта, рассчитанный с использованием противопотоковой конечно-разностной схемы.
[0014] На ФИГ. 6 представлен схематический график ядра ξ(x) в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
[0015] На ФИГ. 7 показано первоначальное распределение концентраций проппанта в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
[0016] На ФИГ. 8 показаны распределения концентраций проппанта, вычисленные с использованием схемы TVD (Total Variation Diminishing).
[0017] На ФИГ. 9 показаны распределения концентраций проппанта, вычисленные в соответствии с настоящими вариантами осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0018] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, по существу относятся к обработкам пласта для улучшения продуктивности скважины и добычи углеводородов из подземных пластов. Более конкретно, настоящие варианты осуществления относятся к моделям проекта обработки пласта, которые могут моделировать перенос, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что перенос, по меньшей мере, одного материала, присутствующего в проекте обработки пласта, можно моделировать с использованием модели переноса, использующей Лагранжев подход для представления распределения материала в каждый момент времени. Модель содержит использование входных данных обработки пласта. Например, такой Лагранжев подход может быть выбран из группы методов: частиц-в-ячейках с различными ядрами, метода характеристик, а также их комбинаций. Такой подход позволяет определить и подготовить проект обработки пласта, который можно использовать для достижения желаемой стимуляции подземного пласта.
[0019] Как определено в настоящем документе, обработка подземного пласта представляет обработку пласта с целью восстановления или улучшения продуктивности скважины. Стимулирующая обработка может быть классифицирована как обработка гидравлическим разрывом и кислотная обработка. Обработки гидроразрывом пласта могут быть выполнены при давлении выше давления разрыва пласта-коллектора, и они могут формировать высокопроводящий путь для потока между пластом и стволом скважины. В таких вариантах осуществления операция разрыва пласта может представлять собой традиционный гидроразрыв, импульсный гидроразрыв или их комбинацию. Эти типы разрывов описаны ниже более подробно. В одном или нескольких вариантах осуществления обработка пласта может включать как традиционный, так и импульсный гидроразрыв пласта.
[0020] Для стимуляции добычи углеводородов из скважины также применяют кислотную обработку. Существуют два типа кислотных обработок: (1) матричная кислотная обработка и (2) кислотный гидроразрыв, разница между которыми заключается в скоростях и давлениях закачки. Кислотный гидроразрыв представляет собой кислотную обработку при скоростях закачки выше давления гидроразрыва. Кислотный гидроразрыв используют для создания трещин гидроразрыва или разрывов в пласте с целью увеличения доступной площади потока и, тем самым, увеличения продуктивности скважины. Кислотная обработка при скоростях закачки ниже давления гидроразрыва называется матричной кислотной обработкой. Матричная кислотная обработка используется для устранения повреждений и восстановления проницаемости пласта до исходного или более высокого уровня.
[0021] Как описано ниже более подробно, в результате обработки подземного пласта в пласте может появиться зона стимуляции. В зависимости от типа стимулирующей обработки пласта зона стимуляции может содержать трещину гидроразрыва, вызванную традиционным или импульсным гидроразрывом, или каналы, образованные в результате кислотной обработки пласта.
[0022] Как правило, стимулирующая обработка подземного пласта включает, помимо жидкостей, различные добавки. В соответствии с настоящими вариантами осуществления материалы, входящие в проект стимулирующей обработки пласта, в настоящем документе определены как «перенос (транспорт, транспортировка) материала». К примерам таких компонентов могут относиться жидкости, кислоты, волокна, расклинивающие материалы, загустители, разрушители гелей (понизители вязкости), агенты для снижения трения, газы для вспененных жидкостей и их комбинации. Например, в случае обработок путем гидроразрыва пласта в проект обработки пласта могут входить проппанты. В вариантах осуществления, в которых обработка пласта представляет собой кислотный гидроразрыв или кислотную обработку, жидкость может включать, по меньшей мере, одну кислоту.
[0023] Без ограничений конкретной теорией, предполагается, что каждый перенос материала, входящий в проект обработки пласта, характеризуется полем скоростей и геометрией зоны стимуляции. Этих данных достаточно для вычисления, по меньшей мере, одной физической величины, определяющей распределение переноса материала в процессе и после обработки пласта.
[0024] В соответствии с настоящими вариантами осуществления предполагается, что распределение каждого переноса материала представляется множеством частиц, где N представляет собой общее количество N. Следовательно, как описано ниже более подробно, перенос материала можно количественно оценить путем вычисления движения этих частиц в зоне стимуляции.
[0025] В соответствии с настоящими вариантами осуществления обработка пласта сама по себе априори смоделирована и оптимизирована к области применения этой обработки. Благодаря этому определяют оптимальные параметры, которые используют для увеличения добычи до желаемого уровня. В одном или нескольких вариантах осуществления используют набор входных данных для создания подмоделей и моделей переноса компонентов жидкости для обработки до ее закачки в подземный пласт.
[0026] На каждой временной стадии вычисляют, по меньшей мере, одну физическую величину (например, концентрацию) и ее распределение в зоне стимуляции, образованной в результате обработки пласта, которые удовлетворяют определяющим уравнениям потока. Результат получают с помощью итерационной схемы. Распределение физической величины определяют путем решения определяющих уравнений.
[0027] Модель обработки пласта, описанная в настоящем документе, обеспечивает инструмент проектирования, прогнозирующий распределение концентрации для каждого переноса материала в зоне стимуляции для достижения оптимальной продуктивности скважины. На ФИГ. 1 представлена блок-схема модели обработки пласта, пригодной для использования в одном или более вариантах осуществления. В соответствии с настоящими вариантами осуществления такую блок-схему можно использовать при гидроразрыве пласта, кислотном гидроразрыве или кислотной обработке, и она содержит модель переноса. Как показано на ФИГ. 1, способ проектирования содержит следующие стадии:
1. Начало.
2. Определение входных данных.
3. Получение прогноза для геометрии зоны обработки пласта и картины течения в ней (распределение потоков) для каждого временного шага (t, t+dt).
4. Получение прогноза пространственного распределения переноса материала в проекте обработки пласта с использованием модели переноса.
5. Оптимизацию обработки пласта путем использования модели переноса и модели добычи жидкости, которые предсказывают увеличение продуктивности рассматриваемой системы.
[0028] Вторая стадия рабочего процесса моделирования содержит определение и конструирование данных по слоям пласта и их геомеханическим свойствам с помощью каротажа. Для этого выполняют сбор всех применимых данных по заканчиванию скважины и по пласту, а также описание сети трещин гидроразрыва (местоположение, расстояние, ширина и т.п. трещин гидроразрыва). В одном или нескольких вариантах осуществления входные данные выбирают из группы, включающей геомеханические свойства подземного пласта, данные о заканчивании скважины и данные о коллекторе подземного пласта, данные о графике закачки, данные о проппантах, данные о закачиваемых жидкостях, данные о целевом коэффициенте продуктивности скважины, а также их комбинации.
[0029] Третья стадия рабочего процесса моделирования содержит получение прогноза для геометрии зоны стимуляции и распределения потоков в этой зоне. В данном случае течения представляют собой скорости объемных потоков переноса материала. Для этого используют сбор данных всех применимых подмоделей роста трещин гидроразрыва и кислотной обработки. Эти подмодели моделируются на основе входных данных.
[0030] Касательно четвертой стадии, как описано выше, предполагается, что для каждой временной стадии (t, t+dt) обработки пласта известны геометрия зоны стимуляции и распределение потоков. Этих данных достаточно для математического описания переноса материала, представленных в проекте обработки пласта. Геометрию зоны стимуляции и распределение потоков используют для получения поля скоростей, используемого в уравнениях (1) и (2) в каждой пространственной точке зоны стимуляции. Конвективный перенос каждого вида материала описывается уравнением (2). Для получения корректной математической формулировки предполагается, что начальные и граничные условия являются заданными. Уравнение (2) используют для получения математической функции, описывающей физическую величину - концентрацию любого переноса материала, представленного в проекте обработки пласта, в виде математической функции обобщенных координат и времени.
[0031] В одном или нескольких вариантах осуществления после моделирования переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта определяют оптимальный проект обработки пласта. В таких вариантах осуществления подготавливают оптимальный проект обработки пласта и выполняют введение в подземный пласт. Благодаря использованию оптимального проекта обработки пласта, как описано в настоящем документе, добиваются желаемой стимуляции подземного пласта. Как описано в настоящем документе, определение оптимального проекта обработки пласта содержит определение оптимальных стимулирующих жидкостей, составов проппантов, кислот, загустителей, разрушителей гелей, агентов для снижения трения, газов для вспененных жидкостей, времени закачки, скоростей потока и концентраций проппантов и волокон для каждой стадии закачки. Например, в одном варианте осуществления проектирование обработки включает выбор используемого материала, времени закачки и концентрации переносимого материала для каждой стадии обработки.
[0032] На ФИГ. 1 показана блок-схема модели стимуляции. Как видно на ФИГ. 1, входной набор данных представляет собой набор данных, которые используют для создания подмоделей, используемых в рабочем процессе моделирования стимуляции, а также моделей переноса физических величин. Входные данные вводят в компьютер (не показан) и объединяют с определенными программными командами для генерации значений, представляющих, по меньшей мере, одну физическую величину, описывающую распределение материала в зоне обработки. При достижении заданного пользователем ограничения по времени цикл завершается, генерируется набор выходных данных и моделирование обработки пласта завершается. Далее выходные данные используются для выполнения самой обработки пласта. В соответствии с настоящими вариантами осуществления процесс моделирования может быть применен к двухмерной или трехмерной системам.
[0033] В соответствии с настоящими вариантами осуществления моделирование обработки пласта содержит конструирование математической модели, описывающей перенос множества материалов (например, жидкостей, проппантов, волокон, и т.п.) в зоне стимуляции, образованной при обработке пласта. Такие модели переноса могут быть сопряжены с различными моделями роста трещины гидроразрыва пласта, таких как 2D-модели, псевдо-3D-модели (Pseudo 3D), плоскостные 3D-модели (Planar 3D), одноканальные модели, сетевые модели или модели с усреднением. Как описано ниже более подробно, численными алгоритмами для расчета переноса материалов стимуляции, использованными в настоящем изобретении, являются группы методов частиц-в-ячейках с различными ядрами, метода характеристик, а также их комбинации.
[0034] В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения модель обработки пласта представляет собой математическую модель переноса различных компонентов, представленных в стимулирующей жидкости, которая способна моделировать перенос такого множества компонентов. Как описано ниже более подробно, проект обработки пласта может включать жидкости, проппанты, волокна, разрушители гелей, кислоты, загустители, агенты для снижения трения, газы для вспененных жидкостей и их комбинации. Все они считаются материалами для переноса, поскольку они переносятся в процессе течения в области обработки пласта.
[0035] В соответствии с настоящими вариантами осуществления модель переноса, описанная в настоящем документе, учитывает физические законы, действующие при деформации поверхности, созданной зоны стимуляции, переносом жидкости в зоне стимуляции и утечкой жидкости гидроразрыва в проницаемые породы. В вариантах осуществления, которые включают гидроразрыв, модель переноса, также перенос всех компонентов, присутствующих в стимулирующей жидкости в зоне стимуляции и переносимых стимулирующей жидкостью. Вследствие сложности и сильно нелинейного характера сформулированной математической модели, модель переноса реализована с применением численных методов.
[0036] Математическая модель, использованная в соответствии со способами изобретения, основана на допущениях и математических уравнениях, применяемых в механике жидкостей. Если рассматривать частицу, движущуюся внутри зоны стимуляции, Лагранжев подход позволяет учесть путь частицы и может полностью охарактеризовать движение частицы.
[0037] В соответствии с настоящими вариантами осуществления предполагается, что для каждой временной стадии (t, t+dt) обработки пласта существует известная геометрия зоны стимуляции, образованной в результате обработки пласта, а также поле скоростей для по меньшей мере одного переноса материала обработки пласта. Как описывалось ранее, зона стимуляции может представлять собой трещину гидроразрыва или канал, в зависимости от типа обработки пласта. Также предполагается, что можно определить и вычислить физическую величину на основе входных данных. В таких вариантах осуществления физическая величина может представлять собой физическую величину - концентрацию для любого переноса материала, присутствующего в проекте обработки пласта, например, жидкостей, волокон, кислот, загустителей, разрушителей гелей, агентов для снижения трения и газов для вспененных жидкостей или материалов расклинивающего агента. В соответствии с настоящими вариантами осуществления физическую величину описывают с использованием Лагранжева подхода. В таких вариантах осуществления профиль распределения физической величины представляют в виде набора лагранжевых частиц с известным ядром.
[0038] Например, учитывая вышеуказанные допущения, модель может спрогнозировать распределение физической величины в системе для каждой временной стадии. Этого добиваются путем решения определяющих уравнений и соблюдения граничных условий, как описано ниже более подробно. Для простоты скорость обозначена следующим образом в уравнении (1):
[0039] Как указано выше, проект обработки пласта включает различные переносы материала. Как описывалось выше, такие переносы материала могут быть образованы из частиц, текущих в жидкости для обработки пласта. В соответствии с Лагранжевым подходом, конвективный перенос физической величины - концентрации c(x,y,z) описывается следующим уравнением (2):
[0040] Как описывалось выше, физическая величина - концентрация является характеристикой жидкости или иного материала, присутствующего в проекте обработки пласта. Предполагается, что начальные и граничные условия уравнения (2) задаются таким образом, чтобы получить корректную математическую формулировку.
[0041] В соответствии с настоящими вариантами осуществления граничное значение для уравнения (2) вычисляют методом частиц-в-ячейке, чтобы получить решение за приемлемое время вычислений. Как определено в настоящем документе, метод частиц-в-ячейке используется для решения определенного класса дифференциальных уравнений в частных производных. Согласно этому методу отдельные частицы (или элементы жидкости) в лагранжевой системе отсчета отслеживаются в непрерывном фазовом пространстве, тогда как моментальные значения распределения, например, плотности и течения, вычисляются одновременно в точках эйлеровской координатной сетки (неподвижных). Метод PIC не имеет численной вязкости, обеспечивает представление маломасштабных физических эффектов даже при относительно небольшом количестве прослеживаемых частиц, обладает возможностями для независимого переноса множества физических величин и возможностями для отслеживания различных свойств, связанных с каждой индивидуальной частицей, в физической величине, например, направлениях течений и времени воздействия. Как описано в настоящем документе, метод частиц-в-ячейке включает вычисление физической величины как функции, по меньшей мере, физической величины - массы, переносимой частицей, и распределения масс внутри частицы.
[0042] В одном или нескольких вариантах осуществления метод частиц-в-ячейке включает представление приближенного распределения концентраций 
в форме, показанной ниже в уравнении (3):
где величины Cj, j=1, …, Ν, определяют физическую величину - массу, переносимую одной частицей, а N - это общее количество частиц. Функция 
известна как ядро частицы, которая определяет распределение массы внутри частицы. Вектор-функция 
соответствует центру частицы номер j в разные моменты времени. В соответствии с настоящими вариантами осуществления используют различные известные ядра, такие как дельта-функция NGP (nearest grid point), функция с прямоугольным носителем CIC (cloud-in-cell).
[0043] В одном или нескольких вариантах осуществления движение частиц, присутствующих в жидкости для обработки пласта, определяется следующим уравнением (4):
[0044] Уравнения (4) можно численно интегрировать общеизвестными методами для обыкновенных дифференциальных уравнений, таких как метод Эйлера, метод Рунге-Кутты и т.п.
[0045] Описанные в настоящем документе способы также можно применять для корректировки компонентов жидкости в процессе стимуляции с целью получения более оптимизированной жидкости и графика обработки. Модель также можно использовать для прогноза характеристик жидкости в забое или при пластовых условиях. Например, для оценки вязкости, скорости закачки, температуры, концентрации вязкоэластичных поверхностно-активных веществ, концентрации полимеров, концентрации сшивателей, концентрации разрушителей гелей.
[0046] Один вариант осуществления настоящего изобретения описывает способ стимуляции подземного пласта. В таком иллюстративном варианте осуществления способ содержит получение входных данных обработки пласта, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта, определение и подготовку проекта обработки для достижения желаемой стимуляции подземного пласта и выполнение обработки пласта согласно выбранному проекту обработки, например, закачку в подземный пласт оптимальной стимулирующей жидкости согласно оптимальному проекту обработки пласта. В соответствии с настоящими вариантами осуществления определение проекта обработки содержит выбор переноса материала, времени закачки и концентрации переноса материала для каждой временной стадии обработки. Как описано выше, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит предположение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции, вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода (метод частиц-в-ячейке или метод характеристик) и генерацию профиля распределения физической величины. В еще одном варианте осуществления физическая величина представляет собой физическую величину - концентрацию. В таких вариантах осуществления физическая величина - концентрация характеризует концентрацию переносимого материала в проекте обработки пласта, например, жидкостей, волокон, кислот, загустителей, проппантов, кислот, разрушителей гелей, агентов для снижения трения и газов для вспененных жидкостей. В еще одном варианте осуществления физическая величина переноса материала выбрана из группы, включающей концентрацию, массу, объем, электрический заряд, количество материала, используемого в проекте обработки пласта. Также предполагается, что можно вычислить распределение проводимости, используя моделированное распределение переноса материала. После этого получают прогноз продуктивности скважины, и продуктивность скважины оптимизируют путем модификации проекта обработки пласта. Как отмечено выше, обработка пласта может представлять собой гидроразрыв пласта или кислотную обработку. Например, в одном варианте осуществления обработка пласта представляет гидроразрыв пласта с импульсной закачкой переноса материала или без таковой. В еще одном варианте осуществления обработка пласта представляет кислотный гидроразрыв.
[0047] В еще одном варианте осуществления способ стимуляции подземного пласта представляет гидроразрыв пласта. В таком иллюстративном варианте осуществления способ содержит получение входных данных для гидроразрыва пласта, переноса, по меньшей мере, одного материала, присутствующего в гидравлической жидкости, определение и подготовку оптимальной гидравлической жидкости для достижения желаемого разрыва пласта и последовательную закачку в подземный пласт с попеременными стадиями по меньшей мере «чистого» (без примесей) импульса оптимальной гидравлической жидкости и по меньшей мере «грязного» (с примесями) импульса оптимальной жидкости гидроразрыва, содержащей проппант, для разрыва подземного пласта с образованием, по меньшей мере, одной трещины гидроразрыва. В таких вариантах осуществления моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала, присутствующего в гидравлической жидкости, содержит предположение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции, определение, по меньшей мере, одной физической величины с использованием Лагранжева подхода (метод частиц-в-ячейке или метод характеристик) и генерацию профиля распределения одной физической величины. В одном или нескольких вариантах осуществления моделирование переноса материалов, использованных в жидкости гидроразрыва, проводится одновременно или последовательно.
[0048] Также предусматривается, что в ходе стимуляции может быть использован способ прогнозирования распределения материала в процессе и после стимуляции подземного пласта. В таком иллюстративном варианте осуществления способ прогнозирования распределения материала содержит получение входных данных для обработки пласта, моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта, и вывод данных моделирования. В соответствии с настоящими вариантами осуществления вывод данных моделирования выполняют для распределения физических величин в процессе или после обработки подземного пласта. В таких вариантах осуществления моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит предположение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции, и вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода. В таких вариантах осуществления обработка пласта выбрана из группы, включающей гидроразрыв пласта с импульсной закачкой переноса материала или без нее, кислотный гидроразрыв и кислотную обработку. Также предусмотрено, что способ прогнозирования распределения материала в процессе и после стимуляции подземного пласта дополнительно содержит вычисление распределения проводимости с использованием моделированного распределения материала, получение прогноза продуктивности скважины и оптимизацию продуктивности скважины путем модификации проекта обработки пласта.
[0049] Гидравлический разрыв пласта, также называемый гидроразрывом, является основным инструментом повышения производительности скважин за счет создания или расширения трещин гидроразрыва или каналов, ведущих из ствола скважины в продуктивный пласт. Закачивание расклинивающих гранул, или проппантов, во время гидроразрыва нефтегазосодержащих геологических пластов может повысить уровни добычи углеводородов из геологического пласта.
[0050] Методики гидроразрыва подземного пласта известны специалистам в данной области, и к ним относятся закачивание жидкости гидроразрыва в ствол скважины и в окружающий его пласт. Давление жидкости превышает минимум для напряжения горных пород in situ, в результате чего внутри пласта создаются или расширяются трещины гидроразрыва.
[0051] В большинстве случаев проведение гидроразрыва пласта включает закачивание не содержащей проппанта вязкой жидкости или подушки, например, воды с некоторыми жидкими добавками для достижения большей вязкости, в скважину быстрее, чем жидкость может выйти в пласт, так чтобы возросло давление и порода лопнула, формируя искусственные трещины гидроразрыва и/или расширяя существующие трещины гидроразрыва. Далее в жидкость добавляют частицы проппанта с образованием суспензии, которую закачивают в трещину гидроразрыва для предотвращения его закрытия после уменьшения давления закачки. Способность жидкости, используемой для обработки, к суспендированию и переносу проппанта зависит от типа добавляемого загустителя.
[0052] При гидроразрыве пласта жидкости могут применяться в создании подушки и/или на стадии с проппантом. Компоненты жидкой фазы можно смешивать на поверхности. Также предусмотрено, что жидкость можно приготовить на поверхности и закачать по трубам, а газообразный компонент можно закачивать кольцеобразно, со смешением в глубине скважины, или наоборот.
[0053] Проппанты могут содержать природные песчаные зерна или гравий, искусственные или специально разработанные проппанты, такие как волокна, песок со смоляным покрытием или высокопрочные керамические материалы, например, спеченный боксит. Проппант накапливается в неоднородном или однородном виде внутри трещины гидроразрыва для удержания в открытом состоянии новых трещин или пор в пласте. Проппант создает плоскости проницаемых каналов, по которым добываемые жидкости могут притекать к стволу скважины. Жидкости гидроразрыва обладают высокой вязкостью и поэтому способны переносить эффективные объемы проппанта.
[0054] Далее будет раскрыто общее понятие «импульсного гидроразрыва». При использовании метода гидроразрыва для обработки подземного пласта первая стадия, называемая «стадией без проппанта», предполагает закачку жидкости гидроразрыва в ствол скважины при достаточно высокой скорости потока, который и создает трещину гидроразрыва в пласте. Стадия без проппанта длится до тех пор, пока трещина гидроразрыва не достигнет достаточных размеров для последующей закачки суспензий на стадиях с проппантом. После стадии без проппанта несколько стадий, называемых «стадиями с проппантом», закачивают в пласт, в котором твердые частицы проппанта пребывают в подвешенном состоянии в жидкости. Хотя традиционные методы гидроразрыва могут включать непрерывное введение проппантов, варианты осуществления также включают периодическое введение проппантов. В таких вариантах осуществления стадия с проппантом включает периодическое добавление проппантов в жидкость гидроразрыва для образования суспензии. Таким образом, стадия с проппантом может быть разделена на две периодически повторяющиеся подстадии: «подстадия с носителем» или «чистый импульс» включает закачку жидкости гидроразрыва без проппанта, а «подстадия с проппантом» или «грязный импульс» предполагает добавление проппанта в жидкость гидроразрыва. В результате периодической закачки суспензии, содержащей проппант, последний заполняет трещину гидроразрыва не полностью. Вместо этого разделенные кластеры проппанта (не показаны) формируют стержни или островки с расположенными между ними каналами для прохождения жидкостей между островками. Закачиваемые объемы «грязного импульса» и «чистого импульса» могут быть различными или могут изменяться с течением времени.
[0055] Жидкости гидроразрыва пласта в соответствии с настоящим изобретением могут представлять собой водные растворы, содержащие загуститель, например, растворимый полисахарид, для обеспечения достаточной вязкости для переноса проппанта. Типичными загустителями являются полимеры, такие как гуар (фитогенный полисахарид) и его производные (гидропропилгуар, карбоксиметилгидропропилгуар). В качестве загустителей могут также использоваться другие полимеры и другие материалы, такие как ксантан, склероглюкан, производные целлюлозы, полиакриламидные и полиакрилатные полимеры и сополимеры, вязкоэластичные сурфактанты и т.п. Например, смесь воды с гуаром представляет собой линейный гель, вязкость которого возрастает при увеличении концентрации полимера. Также используются сшивающие агенты, обеспечивающие взаимодействие между полимерными цепями для формирования достаточно крепких соединений, которые увеличивают вязкость геля и создают вязкоупругость. В качестве сшивающих агентов для гуара выступают химические соединения, содержащие бор, титан, цирконий и алюминий.
[0056] В целях повышения способности жидкостей гидроразрыва переносить проппант, а также для предотвращения осаждения проппанта в трещине гидроразрыва могут применяться волокна. Они могут быть использованы в ходе операций, предусматривающих закачку проппанта пачками или импульсами в целях уменьшения дисперсии пачек проппанта по мере их продвижения по стволу скважины в трещину гидроразрыва. По своей природе используемые волокна могут быть гидрофильными или гидрофобными. Волокна могут быть любым волокнистым материалом, включая, помимо прочего, натуральные органические волокна, измельченные растительные материалы, синтетические полимерные волокна (не ограничивающими примерами которых являются полиэфир, полиарамид, полиамид, новолоид или полимер новолоидного типа), фибриллированные синтетические органические волокна, керамические волокна, неорганические волокна, металлические волокна, металлические нити, углеродные волокна, стеклянные волокна, керамические волокна, натуральные полимерные волокна и их смеси. К другим примерам пригодных для применения волокон относятся, без ограничений, полиэфирные волокна полимолочной кислоты, полиэфирные волокна полигликолевой кислоты, волокна поливинилового спирта и т.п.
[0057] Некоторые жидкости, использованные в настоящем изобретении, представляют собой жидкости на основе поперечносшитых полимеров или жидкости на основе линейных полимеров, применяемые для обработки подземных пластов. Такие жидкости содержат полимерный загуститель и сшиватель. Не имеющие ограничительного характера примеры полимерных загустителей включают гуаровые смолы, полисахариды с высоким молекулярным весом, состоящие из маннозы или галактозы, либо производные гуара, такие как гидропропилгуар (ГПГ), карбоксиметилгуар (КМГ) и карбоксиметил гидроксипропилгуар (КМГПГ). Также могут использоваться производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) или гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ) и карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (КМГЭЦ). Любой применимый полимер можно использовать либо в сшитом виде, либо без сшивателя, в линейном виде. Результаты исследований показали, что в качестве загустителей можно использовать три биополимера: ксантан, диутан и склероглюкан. Синтетические полимеры, такие как, помимо прочего, полиакриламидные и полиакрилатные полимеры и сополимеры, используются, как правило, для высокотемпературных применений. Кроме этого, можно использовать ассоциативные полимеры, для которых были улучшены вязкостные свойства при помощи подходящих поверхностно-активных веществ (ПАВ), и гидрофобно-модифицированные полимеры, например, когда заряженный полимер используется в присутствии ПАВ, имеющего электрический заряд, противоположный заряду заряженного полимера, причем ПАВ имеет способность образовать с полимером связь по принципу ионной пары с образованием гидрофобно-модифицированного полимера, имеющего множество гидрофобных групп.
[0058] Жидкости, использованные в вариантах осуществления настоящего изобретения, могут иметь водную или неводную основу, или даже иметь в качестве основы загущенную нефть. Если жидкость имеет водную основу, эта основа может представлять собой воду или соляной раствор. В тех вариантах осуществления, в которых водная основа представляет собой соляной раствор, соляной раствор представляет собой воду, содержащую неорганические соли и/или органические соли. В одном или нескольких вариантах осуществления неорганические соли могут содержать галогениды щелочных металлов, например, хлористый калий. Несущая фаза соляного раствора может также содержать органическую соль, например, формиат натрия или калия. Также предусматривается использование неорганических двухвалентных солей, таких как галогениды кальция.
[0059] Жидкости, применяемые в соответствии с настоящим изобретением, также могут содержать разрушитель геля. Назначение этого компонента - «разжижение» или уменьшение вязкости жидкости, чтобы жидкость легче можно было извлечь из пласта в процессе очистки. Для такого уменьшения вязкости могут использоваться окислители, ферменты или кислоты. Разрушители гелей уменьшают молекулярную массу полимера благодаря действию кислоты, окислителя, фермента или какой-либо их комбинации на сам полимер.
[0060] В одном или нескольких вариантах осуществления в качестве загустителя используется вязкоэластичное ПАВ (ВПАВ). ВПАВ может быть выбрано из группы катионных, анионных, цвиттер-ионных, амфотерных, неионных материалов и их комбинаций. Вязкоэластичные поверхностно-активные вещества, используемые по отдельности или в комбинации, способны к образованию мицелл, которые в водной среде создают структуру, способствующую повышению вязкости жидкости (называемых также «загущающими мицеллами»). Эти жидкости получают путем смешивания в соответствующих количествах ВПАВ, подходящих для достижения нужной вязкости. Вязкость жидкостей с ВПАВ можно объяснить трехмерной структурой, образуемой компонентами жидкостей. К не имеющим ограничительного характера примерам вязкоэластичных ПАВ, пригодных для использования в целях загущения некоторых жидкостей, относятся катионные ПАВ, анионные ПАВ, цвиттерионные ПАВ, амфотерные ПАВ, неионные ПАВ и их комбинации.
[0061] Жидкости, применяемые в способах настоящего изобретения, могут также содержать другие добавки и химические вещества, применяемые на месторождениях нефти специалистами в данной области. К ним относятся, без ограничений, такие материалы, как ПАВ, пенообразующие агенты, агенты, задерживающие поперечное сшивание, замедлители разрушителей гелей, частицы, проппанты, газообразные компоненты, активаторы разрушителей гелей, поглотители кислорода, спирты, ингибиторы образования накипи, ингибиторы коррозии, добавки для снижения водоотдачи, бактерициды, агенты для снижения трения, латексы, эмульсии, эмульгаторы и т.п.
[0062] ПРИМЕРЫ
[0063] Следующие примеры представлены в качестве дополнительной иллюстрации модели переноса в соответствии с настоящим изобретением и не должны интерпретироваться как ограничивающие объем изобретения, если в приложенной формуле изобретения явным образом не указано иное.
[0064] Пример 1. Закачка проппанта в точечном источнике
[0065] В целях демонстрации возможностей метода частиц-в-ячейке применительно к переносу физических величин представлен пример моделирования переноса проппанта. В этом разделе приводятся результаты вычислений для тестовой 2D-задачи. Данная модель относится к закачке нескольких импульсов закачки проппанта в прямоугольную зону.
[0066] Для простоты пример рассматривается в безразмерных переменных величинах. Распределение поля скоростей и направления течения потока показаны на ФИГ. 2 и 3. В данном случае скоростные компоненты определяются следующими формулами:
[0067] Зона, показанная на ФИГ. 2, была заполнена жидкостью без примесей с нулевой концентрацией проппанта в момент времени t=0. Импульсы закачки проппанта подавались через участок левой границы {х=0; -0,1<у<0,1}. Продолжительность каждого импульса и интервал между ними оставляли 1 (размерная единица времени). Вычисления выполняли до момента времени t=tmax=5.25.
[0068] На ФИГ. 4 показан профиль концентраций проппанта, вычисленный в момент времени t=tmax методом частиц-в-ячейке с 23000 частиц с ядром R(x,y)=ξ(x)ξ(y), где ξ(x) представлено на ФИГ. 6. В данном случае h представляет собой размер частицы. Интегрирование уравнений (3) выполняли методом Эйлера. Очевидно, что метод частиц-в-ячейке позволяет представить импульсы без численной вязкости. Сравнение концентрационного профиля с результатом решения показывает, что относительная ошибка в момент t=tmax составляет 7%. Относительную ошибку вычисляли в норме L2(Ω) по формуле
[0069] На ФИГ. 5 показан профиль концентрации, вычисленный в момент t=tmax по общеизвестной противопотоковой конечно-разностной схеме на равномерной прямоугольной сетке 201×201×801 (Νx×Ny×Nt), где Nx и Ny - размеры сетки по направлениям x и у соответственно, а Nt - общее количество временных стадий. Количество арифметических операций, выполняемых по противопотоковой схеме на данной сетке, больше, чем в методе частиц-в-ячейке с 23000 частиц. Однако относительная погрешность результата, полученного по этой схеме, составляет 49%. Такая большая погрешность вызвана влиянием в ней численной вязкости. На ФИГ. 5 прерывистости концентрационного профиля сглажены и представлены неточно. Пример показывает роль численной вязкости в моделировании переноса при импульсной закачке проппанта.
[0070] Представленные результаты вычислений демонстрируют, что метод частиц-в-ячейке не способствует искусственной численной вязкости.
[0071] Пример 2. Перенос пачек проппанта в узком канале
[0072] Рассматривается узкий канал (щель) с гладкими плоскими стенками. Размеры щели: Lx=12.5 м (длина), Ly=12.5 м (высота), w=0.01 м (ширина). В начальный момент времени t=0 секунд проппант сгруппирован в квадратные пачки размером 0.7×0.7 м, где концентрация проппанта (объемная доля) составляет 0.15 (см. ФИГ. 7). Таким образом, ФИГ. 7 представляет исходное распределение концентрации проппанта в момент времени t=0 с.
[0073] Перенос пачек проппанта вдоль поля постоянных скоростей u=ν=0.001 м/с имитируется на сетке 499×499 (Νx×Ny) с временным шагом 12.5 с. Утечкой жидкости через стенки щели и оседанием проппанта пренебрегают.
[0074] На ФИГ. 8 и 9 показано распределение концентрации проппанта, вычисленное в момент 6000 с. Для генерации распределения, показанного на ФИГ. 8, использовали схему TVD. На ФИГ. 9 показано распределение концентрации проппанта, вычисленное в момент времени t=6000 секунд с использованием метода частиц-в-ячейке с 9 частицами на каждую ячейку. Как видно из ФИГ. 8, на фронты пачек, вычисленные по схеме TVD, сильно влияет численная вязкость метода. Лагранжев подход сохраняет четкие фронты и дает более точные результаты, чем TVD.
[0075] Преимуществом является то, что варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают численные модели переноса произвольных физических величин при различных стимулирующих обработках. Использование метода частиц-в-ячейке для генерации модели стимуляции позволяет предотвратить численную вязкость, дает возможность работать с переносом нескольких физических величин одновременно, а также возможность отслеживать различные свойства, связанные с каждой индивидуальной частицей в физической величине. Методы стимуляции, описанные в настоящем документе, можно применять к гидравлическому и кислотному гидроразрыву пласта, а также к кислотным обработкам.
[0076] Несмотря на то, что выше были подробно описаны несколько примеров осуществления данного изобретения, специалисты в данной области легко поймут, что возможны многие модификации приведенных вариантов без существенного отклонения от настоящего изобретения. Соответственно, все подобные модификации должны быть включены в объем настоящего изобретения, как определено в нижеследующей формуле изобретения. В формуле изобретения пункты «средство плюс функция» представляют структуры, раскрытые в настоящем документе как выполняющие описываемую функцию, и не только как структурные эквиваленты, но и как эквивалентные структуры. Следовательно, хотя гвоздь и винт не могут быть структурными эквивалентами, поскольку гвоздь использует цилиндрическую поверхность для скрепления деревянных деталей, тогда как винт использует спиральную поверхность в среде крепления деревянных деталей, гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами. Явно выраженное намерение заявителя состоит в том, чтобы не ссылаться на раздел 35 § 112 Свода законов США, параграф 6, в целях каких-либо ограничений любых пунктов формулы изобретения в настоящем документе, за исключением тех случаев, когда в пункте формулы в явном виде используются слова «средство для» вместе с соответствующей функцией.
1. Способ стимуляции подземного пласта, содержащий:
получение входных данных для обработки пласта;
моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит:
допущение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции; и
вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода;
определение и подготовку проекта обработки; и
выполнение обработки пласта в соответствии с выбранным проектом обработки.
2. Способ по п. 1, в котором обработка пласта выбрана из группы гидроразрыва пласта с импульсной закачкой переноса материала и без нее, кислотного гидроразрыва и кислотной обработки.
3. Способ по п. 1, в котором входные данные выбраны из группы данных о заканчивании скважины и данных подземного пласта, включая геомеханические свойства подземного пласта, данные о графике закачки, данные о проппантах, данные о закачиваемых жидкостях, данные о целевом коэффициенте продуктивности скважины, а также их комбинации.
4. Способ по п. 1, в котором перенос материала выбран из группы жидкостей, проппантов, волокон, кислот, загустителей, разрушителей гелей, агентов для снижения трения, газов для вспененных жидкостей и их комбинаций.
5. Способ по п. 1, в котором Лагранжев подход выбран из группы методов частиц-в-ячейках с различными ядрами, метода характеристик, а также их комбинаций.
6. Способ по п. 1, в котором, по меньшей мере, одна физическая величина переноса материала выбрана из группы концентрации, массы, объема, электрического заряда, количества материала, используемого в проекте обработки пласта.
7. Способ по п. 1, в котором моделирование переноса материала выполняют одновременно или последовательно.
8. Способ по п. 1, в котором определение проекта обработки содержит выбор материала, времени закачки и концентрации материала для каждой временной стадии обработки.
9. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
вычисление распределения проводимости с использованием моделированного распределения материала;
получение прогноза продуктивности скважины; и
оптимизацию продуктивности скважины путем модификации проекта обработки пласта.
10. Способ прогнозирования распределения материала в процессе и после стимуляции подземного пласта, содержащий:
получение входных данных для обработки пласта;
моделирование переноса, по меньшей мере, одного материала в проекте обработки пласта при помощи модели, которая содержит:
допущение, что для каждой временной стадии обработки пласта известны поле скоростей для переноса, по меньшей мере, одного материала и геометрия зоны стимуляции; и
вычисление, по меньшей мере, одной физической величины, описывающей распределение материала на каждом временном шаге с использованием Лагранжева подхода; и
вывод данных моделирования.
11. Способ по п. 10, в котором Лагранжев подход выбран из группы методов частиц-в-ячейках с различными ядрами, метода характеристик, а также их комбинаций.
12. Способ по п. 10, в котором вывод данных моделирования выполняют для распределения физических величин в процессе или после обработки подземного пласта.
13. Способ по п. 10, дополнительно содержащий:
вычисление распределения проводимости с использованием моделированного распределения материала;
получение прогноза продуктивности скважины; и
оптимизацию продуктивности скважины путем модификации проекта обработки пласта.
