Способ усовершенствованного планирования высоты трещины гидроразрыва в слоистой породе подземного пласта

Способ усовершенствованного планирования высоты трещины гидроразрыва в слоистой породе подземного пласта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ИНФОРМАЦИЯ О РОДСТВЕННОЙ ЗАЯВКЕ

[0001] Эта заявка заявляет приоритет по предварительной заявки на патент США № 62/008082 поданной 5 июня 2014, описание которой включено в данный документ в полном объеме.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Данное изобретение имеет отношение к области геомеханики и механики гидравлического разрыва пласта. Также оно имеет отношение к интенсификации нефтегазоносного продуктивного пласта, осуществляемой посредством гидравлического разрыва породы из ствола скважины, включая предоставление методики для прогнозирования развития высоты трещины гидроразрыва пласта в породе, которая определенной ранее существовавшими слабыми механическими горизонтальными границами, такими как плоскости напластования, слоистые границы, границы проскальзывания и другие.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Для контекста, демонстрируются результаты моделирования двух случаев распространения трещины с различной структурой границ породы по отношению к горизонтальной скважине. В обоих примерах, одна трещина гидроразрыва пласта образуется в горизонтальной скважине и распространяется в вертикальном и горизонтальном направлениях. Свойства породы и напряжения в пласте одинаковы в разных слоях, разделенных заданными границами для обоих приведенных примеров. Границы являются несвязными, но фрикционными плоскостями ослабления.

Случай симметричных границ по отношению к стволу скважины

[0004] В первом примере, горизонтальные границы расположены симметрично по отношению к горизонтальному стволу скважины. Трещина гидроразрыва пласта образуется и распространяется через эти границы, а также вдоль них в горизонтальном направлении, как проиллюстрировано на Фигуре 1. На Фигуре 1 проиллюстрировано распространение трещины гидроразрыва пласта из горизонтального ствола скважины, в случае симметричного расположения горизонтальных границ по отношению к стволу скважины.

[0005] Распространение двух вертикальных краев трещины гидроразрыва пласта через границы относительно медленное, по причине непрерывных остановок в каждой из этих границ. В то же время, боковые края трещины гидроразрыва пласта распространяются без взаимодействия с границами (параллельно им). В результате, длина трещины гидроразрыва пласта кажется гораздо длиннее, чем высота (Фигура 2).

[0006] На Фигуре 2 проиллюстрировано распространение верхнего, нижнего и бокового края трещины во время закачки флюида (верхний график), и соответствующий отклик давления на входе трещины (нижний график) для симметричного расположения границ.

Случай несимметричных границ по отношению к стволу скважины

[0007] Во втором случае моделирования, несвязные горизонтальные границы расположены несимметрично по отношению к стволу скважины. Количество границ ниже ствола скважины меньше, чем то, количество границ выше ствола скважины (см. Фигуру 3). План-график накачивания, интервал между границами, и все другие параметры породы и трещины остаются такими же, как в первом примере. На Фигуре 3 проиллюстрировано распространение трещины гидроразрыва пласта из горизонтального ствола скважины в случае несимметричного расположения горизонтальных границ по отношению к стволу скважины.

[0008] Моделирование иллюстрирует, что в этом случае после пересечения двух границ ниже ствола скважины, трещина гидроразрыва пласта полностью останавливается в одной из верхних границ, и вместе с тем свободно распространяется вниз (Фигура 4). На Фигуре 4 проиллюстрировано распространение верхнего, нижнего и бокового края трещины во время закачки флюида (верхний график), и соответствующий отклик давления на входе трещины (нижний график) для несимметричного расположения границ.

[0009] Эти два примера показывают, что предварительное измерение плоскостей ослабления в породе и грамотное моделирование распространения трещины в слоистом пласте необходимы, чтобы грамотно определить сдерживание распространения высоты трещины в слоистой породе. И напротив, отсутствие информации о неоднородном профиле крепости породы в вертикальном направлении и основных границах может привести к ошибочным результатам при прогнозировании сдерживания распространения высоты трещины, обусловленного взаимодействием трещины гидроразрыва пласта с плоскостями ослабления.

[00010] Гидравлический разрыв пласта используется с целью интенсификации продуктивного пласта, как правило, направлен на распространение достаточно длинных трещин в продуктивном пласте. Трещина может быть длиной до нескольких сотен метров в горизонтальном направлении. При такой протяженности трещины, структура слоистой породы показывает сильную неоднородность по вертикали. В зависимости от типа породы, осадочные тонкие слоистости или напластования могут иметь толщину в диапазоне от нескольких миллиметров до метров. Неравномерное изменение свойств пород в вертикальном и горизонтальном направлениях приводит к заметному ограничению роста высоты трещины по отношению к распространению боковой трещины. С начала эры гидроразрыва пласта, внимание к сдерживанию распространения высоты трещины гидроразрыва пласта всегда было общепризнанным.

[00011] Подповерхностное трехмерное распространение трещин гидроразрыва пласта (далее трещин ГРП), как правило, предполагает одновременный рост трещины в горизонтальном и вертикальном направлениях. Протяженность типовой горизонтальной трещины ГРП в процессе обработки месторождения варьируется от десятков до сотен метров вдоль намеченного слоя пласта. В противоположность этому, протяженность вертикальной трещины кажется значительно короче по размеру по причине большого различия свойств породы и тектонических напряжений, а также уже существующих горизонтального напластования и тонкой слоистости границ. Существует несколько признанных механизмов, контролирующих вертикальный рост трещины ГРП (вверх или вниз) в геологических пластах: (1) изменение минимальных горизонтальных напряжений, как функция от глубины (здесь и далее называется "сравнение напряжения" или "механизм 1"), (2) сравнение модулей упругости между смежными и разными литологическими слоями (здесь и далее называется "сравнение упругости" или "механизм 2"), и (3) неустойчивая механическая граница между аналогичными или разными слоями в литологическом разрезе (здесь и далее называется "неустойчивая граница" или "механизм 3"). ʺНеустойчивая механическая границаʺ или ʺнеустойчивая границаʺ или ʺплоскость ослабленияʺ относится к любым механическим прерывистостям пласта, которые имеют низкую прочность связывания (сдвиг, растяжение, интенсивность напряжения, трение) относительно прочности скелета породы. Неустойчивая граница представляет потенциальный барьер для распространения трещины следующим образом: если трещина ГРП достигает неустойчивой границы, то она создает зону проскальзывания вблизи контакта, как проиллюстрировано посредством обоих исследований: аналитического и числового. Проскальзывание вблизи зоны контакта может задержать распространение трещины и привести к обширному просачиванию флюида или даже гидравлическому вскрытию границы посредством образования так называемых Т-образных трещин. Такие Т-образные трещины неоднократно наблюдались в различных разработках пластов каменного угля.

[00012] В настоящее время, механизм "сравнение напряжения" является основным используемым в большинстве кодов моделирования трещины ГРП для того, чтобы контролировать вертикальный рост высоты, как для псевдо 3D, так и плоских 3D-моделей. Механизм "сравнение упругости", как правило, явно не моделируется в большинстве кодов моделирования трещины ГРП, но в некотором роде, адресуется посредством механизма "сравнение напряжения", поскольку вертикальный профиль напряжения минимального горизонтального напряжения часто получается из калиброванной упругодеформируемой модели и перегруженного профиля напряжения (можно интерпретировать изотропную и трансверсальную изотропию), которые зависят от упругости пласта. Механизм "неустойчивая граница" привлекает меньше внимания в сообществе гидроразрыва до сих пор, хотя он был хорошо известен из работ по гидроразрыву пластов месторождений и обсуждался в литературе еще в 1980-е годы. Это отсутствие интереса может быть вызвано отсутствием описания расположения неустойчивых границ в глубоких слоях и/или отсутствием замеров их механических свойств (сопротивление сдвигу и растяжению, трещиностойкость, коэффициент трения и проницаемость). В то же время механизм "неустойчивой границы" является чуть ли не единственным из вышеперечисленных механизмов, который может полностью остановить трещину ГРП от дальнейшего распространения вверх или вниз в пластах. Основными причинами для завершения края трещины в неустойчивых границах являются проскальзывание границы, повышение давления посредством проникшего флюида для гидроразрыва, или даже механическое вскрытие границы. В отличие от этого, первые два механизма могут лишь временно остановить трещину ГРП, до тех пор, пока полезное давление не увеличится в трещине ГРП до порогового уровня, который позволит трещине ГРП развиваться далее. Механизм сдерживания распространения "неустойчивая граница" может быть более важен, чем механизмы "напряжение" или "сравнение упругости" и возможна причина, почему трещины ГРП часто хорошо локализуются в вертикальной протяженности, несмотря на очевидное отсутствие какого-либо наблюдаемого "напряжения" или "сравнения упругости". В любом случае, необходимы более эффективные способы для описания пласта, влияния существующих трещин на разработку новых трещин, а также описания образования трещин.

КРАТКОЕ ОПИСЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[00013] На Фигуре 1 проиллюстрировано распространение трещины гидроразрыва пласта из горизонтального ствола скважины, в случае симметричного расположения горизонтальных границ по отношению к стволу скважины.

[00014] Фигура 2. иллюстрирует распространение верхнего, нижнего и бокового края трещины во время закачки флюида (верхний график), и соответствующий отклик давления на входе трещины (нижний график) для симметричного расположения границ.

[00015] Фигура 3. иллюстрирует распространение трещины гидроразрыва пласта из горизонтального ствола скважины в случае несимметричного расположения горизонтальных границ по отношению к стволу скважины.

[00016] На Фигуре 4 проиллюстрировано распространение верхнего, нижнего и бокового края трещины во время закачки флюида (верхний график), и соответствующий отклик давления на входе трещины (нижний график) для несимметричного расположения границ.

[00017] На Фигуре 5 проиллюстрировано схематическое изображение вертикального роста трещины гидроразрыва пласта (трещины ГРП) в подземной слоистой породе с горизонтальными границами.

[00018] На Фигуре 6 проиллюстрирована блок-схема с указанием информации, которая может быть использована для варианта реализации в контексте настоящего изобретения.

[00019] На Фигуре 7 проиллюстрированы примеры этапов для 3D развития трещин гидроразрыва через плоскости ослабления.

[00020] На Фигуре 8 проиллюстрирована блок-схема способов для одного из вариантов реализации настоящего изобретения.

[00021] На Фигуре 9 проиллюстрирована блок-схема компонента способа для одного из вариантов реализации настоящего изобретения.

[00022] На Фигуре 10 проиллюстрирован вариант реализации алгоритма последовательности выполняемых действий компьютерной модели (200) трещины ГРП от начала операции по гидроразрыву пласта t0 до конца T.

[00023] На Фигуре 11 проиллюстрирована горизонтальная граница, пересеченная вертикальной трещиной гидроразрыва пласта (вверху), и схематическое распределение давления просочившегося флюида вдоль границы (внизу).

[00024] На Фигуре 12 проиллюстрирован профиль давления флюида вдоль границы для режимов просачивания ʺпри проскальзыванииʺ (верхний) и ʺвне проскальзыванияʺ (нижний).

[00025] На Фигуре 13 проиллюстрирован ряд схематических диаграмм, чтобы показать распространение трещины гидроразрыва пласта вверх и вниз в геометрии плоской деформации (вертикальное поперечное сечение).

[00026] На Фигуре 14 проиллюстрированы графики объемов закачиваемого, разрывающего и утекающего флюида (вверху), полезного давления (посредине), и полувысоты трещины гидроразрыва пласта (внизу) в процессе всего цикла закачки флюида в трещину.

[00027] На Фигуре 15 проиллюстрирован двухсторонний контакт вертикально растущей трещины с неустойчивыми горизонтальными границами (слева), активация границ, и затупление края трещины в результате контакта с границами (справа).

[00028] На Фигуре 16 проиллюстрированы профили раскрытия вертикальной трещины (слева) при контакте с двумя несвязными границами и нормализированный объем трещины в зависимости от коэффициента напряжения (справа).

[00029] На Фигуре 17 проиллюстрирован компонент максимального напряжения при растяжении, сгенерированный на противоположной стороне несвязной (слева) и связной границы с (справа).

[00030] На Фигуре 18 проиллюстрировано распространение края трещины (вверху) и снижение давления на входе (внизу) в случае эллиптической трещины с использованием ньютоновской жидкости с вязкостью 1 сПз (слева) и 10000 сПз (справа), соответственно.

[00031] На Фигуре 19 проиллюстрирована блок-схема компонента способа для одного из вариантов реализации настоящего изобретения (алгоритм решения для распространения края трещины гидроразрыва пласта при отсутствии границ).

[00032] На Фигуре 20 проиллюстрирована блок-схема компонента способа для одного из вариантов реализации настоящего изобретения (подкомпонент из вышеизложенного: сопряженный алгоритм решения твердая порода - флюид для трещины гидроразрыва пласта с заданным положением края трещины).

[00033] На Фигуре 21 проиллюстрирована блок-схема выходных данных для одного из вариантов реализации способа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[00034] Варианты реализации в контексте настоящего изобретения относятся к способу гидравлического разрыва подземного пласта, пройденного стволом скважины, включающему получение характеристик данного пласта с использованием измеренных характеристик пласта, включая механические характеристики геологических границ, идентификация высоты трещины в пласте, при этом идентификация включает расчет поверхности контакта трещины гидроразрыва пласта с геологическими границами, и гидравлический разрыв пласта, при этом вязкость флюида или скорость потока флюида либо и то, и другое выбираются с применением расчетов. Варианты реализации в контексте настоящего изобретения также относятся к способу гидравлического разрыва подземного пласта, пройденного стволом скважины, включающему проведение замеров пласта, содержащих механические характеристики геологических границ, получение характеристик пласта с использованием замеров, расчет высоты трещины пласта с использованием характеристик пласта, расчет оптимальной высоты трещины с использованием замеров, и сравнение оптимальной высоты трещины с высотой трещины пласта.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[00035] В контексте настоящего изобретения предлагается подход, чтобы спрогнозировать рост высоты трещины гидроразрыва пласта в породах, имеющих слоистую структуру. Данный способ включает (i) предварительное получение характеристик вертикальных механических свойств породы, насыщенной флюидами, механических прерывистостей пласта и напряжения в пласте, и (ii) запуск вычислительной модели распространения 3D или псевдо 3D трещины гидроразрыва пласта в заданной слоистой породе пласта и принимая во внимание взаимодействие с заданными неустойчивыми механическими и/или проницаемыми горизонтальными границами. Способы в контексте настоящего изобретения для получения характеристик породы и самые современные способы моделирования трещины дают более точный прогноз роста высоты трещины, проникновения флюида гидроразрыва вдоль неустойчивых границ, образования T-образной трещины, контактирующей с горизонтальными границами, и изменения направления трещины от вертикальной ориентации к горизонтальной.

Ниже более подробно описаны 3 механизма, контролирующие рост высоты.

1. Механизм 1 (стандартный): изменение минимального горизонтального напряжения как функция от глубины, называемое ʺсравнение напряженияʺ

2. Механизм 2 (стандартный): сравнение модулей упругости между смежными и разными литологическими слоями, называемый ʺсравнение упругостиʺ

3. Механизм 3 (наиболее важный, является новшеством данной заявки): неустойчивая механическая граница между аналогичными или разными слоями в литологическом разрезе, называемая ʺнеустойчивая границаʺ

a. Подмеханизм 3а: упругое взаимодействие, критерий пересечения, и повторное образование позади границы

b. Подмеханизм 3b: повышенное проникновение флюида гидроразрыва через границу

Описание вертикальной текстуры породы

[00036] Для того, чтобы сделать точный прогноз роста высоты трещины, требуется информация о свойствах породы, о механических прерывистостях пласта, и о напряжении в пласте. Информация о породе содержит подробное вертикальное распределение механических свойств толщи породы, включая изменение крепости породы, с точки зрения, например, прочности на разрыв, прочности на сжатие (например, временное сопротивление породы одноосному сжатию или UCS) и трещиностойкости, которое должно предоставить информацию о расположении плоскости ослабления в породе посредством свойств упругости (например, модуль Юнга и коэффициент Пуассона). Замер напряжений породы должен донести информацию о вертикальном напряжении и минимальном горизонтальном напряжении в условиях нормального напряжения, когда компонент вертикального напряжения является наибольшим сжимающим компонентом напряжения (или условия удар-проскальзывание, когда вертикальное напряжение является промежуточным сжимающим компонентом напряжения).

[00037] Существуют доступные инструменты получения характеристик свойств породы, которые могут быть использованы для механического измерения свойств породы. Таковыми являются ультразвуковой сканер и наклонограммы (например, REW: FMI, UBI; OBMI; например, LWD: MicroScope, geoVISION, EcoScope, PathFinder Density Imager), которые могут предоставить информацию о свойствах упругости и о расположениях существовавших ранее границ. В случае, когда доступны образцы керна, в исследовательской лаборатории можно выполнить гетерогенный анализ породы (HRA) на образцах керна, извлеченных из данной толщи породы, а также склерометрическое испытание, которое предоставляет информацию о статистическом распределении плоскости ослабления на шкале образцов керна и их свойствах (сопротивление растяжению и сжатие, трещиностойкость).

[00038] Таким образом, входными свойствами, которые следует охарактеризовать, являются:

- Плотность (т.е. инверсия разряженности) и ориентация (в основном горизонтальная) неустойчивых границ как функция от глубины

- Механические и гидравлические свойства неустойчивых границ (соответственно, трение, связность, сопротивление растяжению, и трещиностойкость, а также проницаемость и заполнение)

- Вертикальное напряжение (Sv) как функция от глубины

- Минимальное горизонтальное напряжение (Sh) как функция от глубины

- Упругость породы, насыщенной флюидами (например, модуль Юнга и коэффициент Пуассона) как функция от глубины

В Таблице 1 приводится классификация источников данных и параметры модели для данного типа породы и продуктивного пласта. Инструменты SONICSCANNER^TM и ISOLATION SCANNER^TM имеются в продаже от Schlumberger Technology Corporation из Sugar Land, штат Техас.

Параметры модели	Относится к	Потенциальный источник данных
Вертикальный профиль слоев породы и границ		Физика пласта высокого разрешения, наклонограмма и акустический каротаж
Eʹ - модуль Юнга (деформация в одной плоскости)	СЛОЮ	Каротажи ультразвуковым сканером и изоляционным сканером
KIC - трещиностойкость	HRA включая ультразвуковую и лабораторную трещиностойкость высокого разрешения
T0 - сопротивление растяжению	HRA включая ультразвуковую и лабораторную сопротивление растяжению высокого разрешения
σh - минимальное горизонтальное напряжение	Калиброванный MEM (звуковое, MDT напряжение)
σv - геостатическое давление	Гравитационный каротаж
pp - пластовое давление	Известно из сведений о местном месторождении или измерений
λ - коэффициент трения	ГРАНИЦЕ	Лабораторные замеры на образцах керна или корреляция до звуковых
KIC - трещиностойкость (Метод II)	Лабораторные замеры на образцах керна или корреляция до звуковых
wint κi - проводимость в ненарушенной зоне	Лабораторные замеры на образцах керна
wint κs - проводимость в зоне активации	Лабораторные замеры на образцах керна

[00039] На Фигуре 5 проиллюстрировано схематическое изображение вертикального роста трещины гидроразрыва пласта (трещины ГРП) в подземной слоистой породе. Трещина ГРП распространяется вертикально (в плоскости проскальзывания) и в боковом направлении (поперек плоскости проскальзывания) посредством накачки флюида для гидроразрыва (серый цвет) из скважины. Вертикальное распространение происходит вверх и вниз и характеризуется координатами b₁ и b₂ соответственно. На рост высоты с обеих сторон оказывают влияние механические свойства слоев породы там, где есть края трещины (например трещиностойкость), ограничение напряжений породы, и гидромеханические свойства границ между смежными слоями (например коэффициент трения, трещиностойкость, гидравлическая проводимость). Распространение трещины ГРП связано с проникновением флюида гидроразрыва из трещины ГРП вдоль гидравлически проводящих границ.

[00040] На Фигуре 6 представлен подробный обзор семейств входных параметров и наименования каждого параметра в семействе, требуемого для компьютерной модели трещины ГРП.

[00041] Далее приводится обсуждение основных принципов. Существуют три основных механизма, относящихся к ограничению развития трещины ГРП в высоту: (i) сравнения напряжений породы и прочностей между смежными слоями породы (ʺмеханизм 1ʺ, представленный выше), (201), (ii) повышенное проникновение флюида гидроразрыва через плоскости напластования, представленное в контексте настоящего изобретения физической моделью ILeak (202) (подмеханизм ʺмеханизма 3ʺ, представленный выше), и (iii) упругое взаимодействие со слабо связными скользящими границами, представленное в контексте настоящего изобретения физической моделью FracT (203) (подмеханизм ʺмеханизма 3ʺ, представленный выше).

[00042] На Фигуре 7 представлен пример последовательного роста трещины ГРП в высоту, на который оказывает влияние взаимодействие со слабо связными и проводящими границами. Равномерный рост трещины ГРП временно задерживается посредством непосредственного контакта краев трещины с верхней и нижней границами, тем временем продолжается ее распространение в боковом направлении. После некоторой задержки краев трещины ГРП в границах, трещина ГРП повторно начинает свой вертикальный рост через них. Этапы следующие.

Радиальная трещина: равное распространение во всех направлениях

Края достигают границы

Вертикальные края временно задержаны, горизонтальные края продолжают распространяться

Трещина разрывает границу и распространяется вертикально

[00043] На Фигуре 8 продемонстрирована последовательность выполняемых действий при планировании роста высоты трещины ГРП, не вдаваясь в подробности. Она включает ввод предварительно заданных измеренных или рассчитанных свойств породы и границы с одной стороны, и ввод контролирующих параметров трещины ГРП по плану-графику накачивания, с другой стороны. Ими заполняется модель для моделирования роста трещины ГРП (000), которая описана ниже. Результаты моделирования поступают в модуль сравнения, чтобы выявить отклонение моделируемой высоты трещины по отношению к оптимальной. В зависимости от допуска роста высоты трещины, полученного при моделировании, он регулирует параметры накачки флюида для следующего цикла моделирования трещины ГРП или выдает используемые параметры накачки, которые производят оптимальную высоту трещины ГРП в данной породе.

[00044] Далее будет рассмотрено моделирование распространения трещины в вертикально неоднородной слоистой среде. Подразумевается, что модель трещины должна обеспечить решение сопряженной системы уравнений для механического отклика породы, окружающей трещину, и вязкого потока флюида, закачиваемого в трещину. Следует предположить, что определимая прочность породы и непрерывное протекание флюида в трещину будет приводить к распространению краев трещины (контур в 3D геометрии) и закачиваемому внутрь толщи породы флюиду. Используемые уравнения, описывающие механику отклика как твердой породы, так и потока флюида внутри трещины, должны быть преимущественно трехмерными для того, чтобы рассчитывать рост трещины в горизонтальном и вертикальном направлениях. Взаимодействие распространения трещины в обоих направлениях с объемом закачиваемого флюида позволит оценить сдерживание распространения высоты трещины в породе для промышленных объемов закачиваемого флюида.

[00045] Модель трещины должна учитывать не только разные напряжения и свойства породы в различных слоях породы, но и взаимодействие краев трещины с плоскостями ослабления, такими как плоскости напластования и границы с тонкой слоистостью. Следует предположить, что механическое взаимодействие трещины гидроразрыва пласта с этими границами может неизбежно привести к созданию зон повышенной гидравлической проницаемости вдоль этих границ и существенному проникновению флюида гидроразрыва. Влияния плоскостей ослабления и повышенной проницаемости границы должны быть ключевыми компонентами предполагаемой расчетной модели распространения трещины в слоистых пластах.

[00046] В контексте настоящего изобретения разработана обширная аналитическая модель взаимодействия трещины гидроразрыва пласта, пересечения и последующего роста через неустойчивые горизонтальные границы в предельном случае низковязкого трения флюида (доминирует режим трещиностойкости). Последнее подтверждается при условии, что скорость распространения вертикального края трещины уменьшается. Также оцениваются модифицированные механические характеристики трещины, такие как полезное давление, раскрытие (ширина) и протяженность зоны проскальзывания, когда трещина отклоняется посредством границы. Оценка состояния для пересечения границы обуславливает обнаружение запаздывания завершения трещины в границе. Общая картина прерывистого характера роста трещины через ряд плоскостей ослабления в дальнейшем используется в сопряженном с флюидом получении характеристик распространения трещины в высоту в обеих геометриях эллиптической трещины: деформация в одной плоскости и трехмерная.

[00047] Построение эффективной модели распространения трещины в тонко расслоенной среде приводит к модели анизотропной среды с различной трещиностойкостью в вертикальном и горизонтальном направлениях. Оценивается соотношение длины и высоты эллиптической трещины в такой среде при заданных свойствах трения и связности границ. Другие механизмы сдерживания распространения трещины, вызванные сравнениями напряжения и свойств породы между слоями, могут применяться поверх этой модели, чтобы использовать ее в современных инструментах моделирования трещины.

[00048] На Фигуре 9 объясняется концептуальная структура компьютерной модели (000) трещины ГРП. Она содержит входные данные (100), более подробно описанные выше, спецпроцессор моделирования (200) и выходные данные (300). Спецпроцессор моделирования и выходные данные более подробно описаны ниже. На Фигуре 10 проиллюстрирован вариант реализации последовательности выполняемых действий алгоритма компьютерной модели трещины ГРП (200) от начала операции по гидроразрыву пласта t₀ до конца T. В каждом последующим интервале времени проблема распространения трещины решается обычным способом (201), чтобы не было взаимодействия с границами в породе. Далее, при условии, что трещина ГРП имела контакт с или пересекла какие-либо границы породы, вызывается модуль проникновения флюида гидроразрыва ILeak (202) для обновления объема флюида трещины ГРП, скорости потока, и колебаний давления флюида внутри трещины ГРП и в пропитанных границах. Далее в случае, когда край трещины ГРП достигает какой-либо границы, модуль FracT (203) оценивает потенциальную задержку края трещины или пересечение границы в заданный интервал времени. В случае, когда край трещины задерживается, она остается нераспространяющейся в течение следующего интервала времени. В противном случае, когда трещина ГРП пересекает границу или не контактирует, модуль увеличивает ее длину и переходит к следующему интервалу времени.

[00049] Модуль ILeak (202) будет описан более подробно ниже. Вводимая информация содержит границу, давление в зоне контакта, вязкость флюида, и интервал времени. Модуль работает при каждом изменении времени для всех контактирующих или пересеченных границ. Модуль не воспринимает упругого взаимодействия и существования проникновения флюида гидроразрыва в границах. Модуль вычисляет возрастание просачивания флюида с использованием заданной границы для изменения во времени и предлагает фронт флюида, проникновение из объема, и скорость потока в границу.

[00050] Рассмотрим ортогональный стык вертикальной трещины гидроразрыва пласта и горизонтальной границы. Граница конечной мощности заполняется проницаемым материалом. Собственной проницаемостью заполняющего материала в неповрежденных частях границ является . Предположим, что определенный сегмент границы, поблизости стыка активируется посредством сдвигового смещения в результате механического взаимодействия с трещиной гидроразрыва пласта. Это приводит к повреждению заполняющего материала в этом сегменте и изменению его проницаемости до (Фигура 11). На Фигуре 11 проиллюстрирована горизонтальная граница, пересеченная вертикальной трещиной гидроразрыва пласта (вверху), и схематическое распределение давления просочившегося флюида вдоль границы (внизу).

[00051] В малопроницаемых пластах может быть пренебрежимо мало. Это условие может быть использовано позже, чтобы упростить модель проникновения. С другой стороны, участок активации границы может быть существенно более проницаемым, чем внутренний участок, посредством измельченных зерен заполняющего материала или сдвига растяжений. Активация проскальзывания минерализованных границ может быть доминирующим механизмом для проникновения флюида гидроразрыва в малопроницаемые породы с ультра-низкой проницаемостью.

[00052] Допустим, что поток флюида для гидроразрыва вдоль проницаемой границы является одномерным, устойчивым и потенциальным. В этих условиях можно описать следующим законом Дарси

(1)

где представляет собой 2D скорость просачивания флюида внутрь материала проницаемости представляет собой вязкость флюида, и представляет собой распределение давления флюида вдоль границы (Фиг. 11, внизу). Иногда оказывается удобным заменить результат гидравлической проводимостью границы как правило, измеряемой в лаборатории (и использовать обозначения далее, соответственно).

[00053] Общая скорость проникновения флюида гидроразрыва из трещины гидроразрыва пласта в конкретную границу в точке стыка удваивается посредством симметричного отклонения флюида в обе стороны от границы

(2)

Посредством симметрии просачивания флюида в обе стороны от границы, в дальнейшем получается решение только для положительного направления Закон Дарси (1) устанавливает связь между локальной скоростью потока q и соответствующим падением давления флюида в каждой точке проницаемого материала, пропитанного флюидом. Запишем этот закон сначала для скорости потока и падения давления в пределах (сдвинутого) участка активации как

(3)

и для скорости флюида и давления в пределах неповрежденного участка границы

(4)

где представляет собой фронт просочившегося флюида. Вне зоны проникшего флюида предполагается условие внутрипластового давления, т.е.

(5)

Решение должно включать положение просачившегося фронта флюида и профиль давления (x) в каждый момент времени процесса проникновения.

Из уравнения массового равновесия флюида, написанного для несжимаемого флюида в пределах границы с непроницаемыми стенками (за исключением точки стыка)

(6)

где представляет собой пористость заполняющего материала или естественные шероховатости границы, отсюда следует, что в случае, когда ширина является константой