Стабильность открытого ствола

1.

Перевод: английский - русский - www.onlinedoctranslator.com
Стабильность открытого ствола в меле –
Практический пример радиально-струйного бурения
(РЖД) технология
Майя Медетбекова
кандидат геомеханики
Центр нефти и газа - ДТУ
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
1

2.

В совете директоров РЖД
ИМАМГЕО ГмбХ
Хамид Ник
Саид Салимзаде
DHRTC
Хелле Кристенсен
ГЕО
DHRTC/CSIRO
Майя Медетбекова
Реза Хаджиабади
DHRTC
ИМАМГЕО ГмбХ
DHRTC
Ричард Баккер
Технический университет Делфта
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
Бертольд Плишке
Фредерик Амур
DHRTC
Алессандро Бровелли
(
)
ISAMGEO Италия
2

3.

Контур
- Технология радиально-струйного бурения
- Мотивация
- Исследовательские вопросы
- Методология/результаты
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
3

4.

Методы воздействия на пласт
Карбонаты:
- Кислотная обработка материнской породы предпочтительна в
высокопроницаемых и поврежденных пластах
- Из-за быстрого расхода кислоты кислотная обработка
https://doi.org/10.1007/s13202-018-0496-6
материнской породы затруднена
- ГРП предпочтительнее, если проницаемость
менее 10 мД
- Проблемы с гидроразрывом
оВысокая стоимость
оТрудно контролировать
оВызывать сейсмическую активность
Кислотная обработка матрицы
Кислота/гидравлика
трещиноватость
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
оЭкологические проблемы
(1-1,5 тыс. галлонов жидкости для гидроразрыва на фут)
4

5.

Почему метод радиально-струйного бурения?
- Снижение стоимости и времени стимуляции
Отчет TNO, Петерс и др., 2015 г.
- Контролируемая стимуляция с уменьшенным воздействием на окружающую
среду
о1 галлон жидкости для струйного бурения на фут о
Отсутствие риска наведенной сейсмичности
- Возможность использования в существующих скважинах оКак
открытые, так и обсаженные скважины
- Увеличенная глубина проникновения – до 100 м
- Отводы RJD – в 16 направлении
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
5

6.

https://production-technology.org
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
6

7.

Мотивация
Мел:
- Пористость (15-45%)
- Размер зерна 0,3-3 микрона, размер порового канала
0,1-1 микрон
- Низкая проницаемость (1-3 мД)
- Механически слабый из-за малой или
отсутствующей цементации
Strand et al., 2017. Смачиваемость мела: влияние кремнезема, содержания глины и
механических свойств. Нефтяная наука о Земле, 13, 69-80.
- Сложное механическое поведение (разрушение при сдвиге,
разрушение пор, разрушение при растяжении, зависимость
от скорости, реакция на кислоту)
Schovsbo et al., 2018. Мониторинг и оптимизация добычи нефти на основе анализа пластовой воды;
тематическое исследование месторождения меловой нефти Хальфдан в Северном море Дании.
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
7

8.

Мотивация - Меловое поле Хальвдана
Вид сверху
Горизонтальные скважины
Вторичное восстановление
Формация Тор (основной резервуар)
о
о
Интервалы низкой и высокой пористости (15-37%)
Низкая проницаемость (0,5-2 мД)
Датское энергетическое агентство, 2013 г.
Поперечное сечение
Газовая скважина
Нефтяная скважина
Платформа
RJD можно использовать для доступа к неконвертируемой и перепускаемой нефти в
образования на большей глубине
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
8

9.

Мотивация - Меловое месторождение Горм
Вертикальные скважины
Вид сверху
Первичное восстановление
Формирование Экофиск и Тор
Датское энергетическое агентство, 2013 г.
о Пористость (23-43%)
о Низкая проницаемость (0,15-5 мД)
Газонагнетательная скважина
Нагнетательная скважина
Нефтяная скважина
Платформа
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
RJD можно использовать для доступа к неконвертируемой нефти в вертикальных скважинах.
9

10.

Полевые применения RJD по всему миру
Клайпеда, Литва
песчаник
Месторождение Уртабулак, Узбекистан
Донельсон Вест Филд, Техас, США
известняк
карбонат
Поле земли Белайим, Египет
песчаник
Бассейн Гольфо-Сан-Хорхе и
бассейн Неукен, Аргентина
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
песчаник
10

11.

Вопросы исследования
• Жизнеспособна ли технология RJD в меловых коллекторах?
• Влияет ли гидродинамическая обработка жидкостью под
высоким давлением на механические свойства меловой породы
вокруг скважины?
• Насколько стабильна струйно-струйная радиальная бурение в меловых
коллекторах?
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
11

12.

Методология
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
12

13.

Методология
Струйное бурение
Эксперимент
Камень
Механика
Тестирование
Числовой
Моделирование
Эффект контроля
такие параметры
как струйное бурение
атмосфера, реактивная жидкость
механические испытания
Обратный анализ
свойства материала
Одно боковое отверстие
Стабильность ствола скважины
Стандартный рок
и тип форсунки
тестирование
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
моделирование
13

14.

Струйное бурение в меле
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
14

15.

1
Обнажение мела
-
Остин, США
о Верхний мел
о Состав: кокколиты, планктонные фораминиферы и
о
о
о
5 марта 2020 г.
кальцисферы.
Пористость 30%, проницаемость 27
мД Глубина залегания: 300-900 м
Мягкий, однородный (около 88% кальцита)
Центр нефти и газа - ДТУ
Среднее эффективное напряжение ( ′знак равно
Девиаторное напряжение ( ) = ′1−
-
′ 1+
′ 2
2
3
′ 2
2
Велтон, Великобритания
о Верхний мел
о Состав: кокколиты, кальцисферы,
о
о
о
моллюски и иглокожие.
Пористость 17%, проницаемость 2
мД Глубина залегания: до 2000 м
Жесткая, неоднородная
15

16.

Эксперимент по струйному бурению
Схема буровой установки с замкнутой струей
Установка камеры замкнутого струйного бурения: смонтирована
=
=
5 марта 2020 г.
Икс
Центр нефти и газа - ДТУ
образец мела (покрытый смолой)
=
=
=
Икс
(30х30х30 см3)
=
16

17.

Кислота, повышенная температура
Вода, температура окружающей среды
Мел обнажения Остина
= 17
создает большую поверхность
оЭффективность струйного бурения увеличивается с
е увеличение
эффективность увеличивается с
ростом
=5
3 см
=5
= 17
Центр нефти и газа - ДТУ
Кислота, максимальное направление напряжения
=5
Кислота, минимальное направление напряжения
=5
2 см
5 марта 2020 г.
оВодо- и кислотоэффективный оКислота
• 4 выхода вперед и 5 назад
(d=0,5 мм)
• q=15-20 л/мин (48,3-69 МПа) ->
v=141-189 м/с
Статическое сопло
(шкала мм)
17

18.

Кислота более эффективна
Статическая насадка создает большую поверхность
Круглая скважина более стабильна, но МСП
медленнее
Вода, вращающаяся насадка
Кислота, температура окружающей среды
Вода, температура окружающей среды
Мел обнажения Велтона
• 3 выхода вперед и 6 назад
(d=1 мм)
• q=15-20 л/мин (48,3-69 МПа)
- > v=29-39 м/с
вращающийсясопло
(шкала мм)
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
18

19.

Первая оценка струйности
Эффективность струйного бурения:
-
Пороговое давление (скорость) – нижний
предел силы, необходимой для
возникновения эрозии.
- Геометрия зерна, проницаемость,
диаметр струи
Реактивные тормозные механизмы:
Э –удельная энергия (Дж/м3)
п–мощность, передаваемая породе (Н м/мин) А–
=
= 0,0223
площадь поперечного сечения скважины (м2) р–
1,5
Разрушение при растяжении и сдвиге
- Силы сжатия и сдвига
-
Гидравлический подъем
скорость проходки (м/мин) а–площадь поперечного
сечения сопла (м2) п-падение давления на сопле
(Па)
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
19

20.

Оценка на самолете
Воздействие бурения
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
20

21.

Оценка площади повреждения в результате струйного бурения
керн
образцы
из самолета
бурят
блоки
Камень
механика
тестирование
(UCS, Бразилия
СЭМ
анализ
и трехосный)
3,6 см
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
21

22.

Ослабление механических свойств мела
-
наблюдается ослаблениебурение кислотной струеймел с
стрессовое заключение
- ослабление в радиусеоколо 4 смвозле дыры
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
3 см
22

23.

5 марта 2020 г.
кислотасамолет,замкнутый, 20°
кислотаструя, без ограничений,80°
500
500
Центр нефти и газа - ДТУ
кислотареактивный, неограниченный, 20°
водыреактивный, неограниченный, 20°
Поверхность струйного бурения
Остин Мел
500
о
о
туз
о
о
е
3 см
400
23

24.

А
Б
рядом с отверстием
Меловая матрица
1 см
Мел Остина (кислотный, замкнутый)
Рядом с отверстием
о гладко и неравномерно
формованные зерна кальцита
4
3
о мюмшкала перфорации на
поверхность микроспаритов
1 см
о менее обильный μмчешуйчатые
3 см
перфорации на поверхности
микроспаритов
4 см
4 см
опохож на нетронутый мел
10
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
24

25.

Стабильность вблизи ствола скважины
анализ на мел
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
25

26.

ИМАМГЕО ГмбХ
Численное моделирование - Меловая модель
Напряжение
Закалка
Напряжение
Смягчение
E - модуль Юнга
Осевая деформация
Среднее эффективное напряжение
Осевое эффективное напряжение
Пиковая сила
Прочность на схлопывание пор
K – Объемный модуль
Объемная деформация
Разрушение при сдвиге – низкое эффективное среднее напряжение, но высокое девиаторное напряжение (вращение/скольжение зерен)
Схлопывание пор – высокое эффективное среднее напряжение, но низкое девиаторное напряжение (уплотнение/необратимое уменьшение
объема пор)
Деформация ползучести - продолжающаяся деформация под постоянным напряжением
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
26

27.

Модель мела Isamgeo - Поверхность разрушения при сдвиге
-
ИМАМГЕО ГмбХ
Модель Мора-Колумба (с промежуточным главным
напряжением σ2влияние)
-
До достижения максимальной прочности: упрочнение трением
- Постпик: смягчение трения и сцепления
-
Правило несвязанного потока (контроль дилатансии)
-
Подход Коссера позволяет локализовать сдвиговую деформацию
- вращательные степени свободы и параметр внутренней
длины
-
Разрушение при сдвиге имеет приоритет перед разрушением пор
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
27

28.

Модель мела Isamgeo – Поверхность крышки
-
ИМАМГЕО ГмбХ
Модифицированная модель Cam-Clay
Поверхность текучести расширяется за счет упрочнения, развивая
необратимую пластическую деформацию.
-
Размер эллипса зависит также от скорости объемной
пластической деформации.
-
Зависимость скорости разрушения пор основана на
модели Де Ваала.
?̇?
=
∆
5 марта 2020 г.
0=
0
б
0̇
(ℎ0− ℎ Φ) ∆
Центр нефти и газа - ДТУ
28

29.

Рабочий процесс для обеспечения стабильности вблизи ствола скважины
Назад
Обратный анализ
анализ
Одностороннее
в сингле
SLH тест в
2S/3D
Отверстие (SLH) испытание
Элемент (СЭ)
Симулятор
Стандартный рок
механический тест
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
3D КЭ
моделирование
трехосное испытание
Дизайн и
Около
предсказательный
ствол скважины
моделирование
стабильность
СЛГ-тест
анализ
29

30.

Стандартные горно-механические испытания
Тестовая программа для создания меловой модели: о
Двухэтапное испытание на трехосное сжатие оИспытание
на одноосную деформацию (уплотнение) оИспытание на
трехосное уплотнение (гидростатическое)
Все испытания включали фазу постоянного напряжения
(ползучесть) продолжительностью не менее суток.
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
30

31.

Обратный анализ в симуляторе отдельных элементов
оПрогнозирование основных параметров разрушения при сдвиге и
ПримерГормпластовый мел испытан при
всестороннем давлении 1,5 и 3 МПа в трехосном
прочность на схлопывание пор, упругие свойства
оПараметры разрушения при сдвиге с размягчением и
компрессия
дилатансия не точна
деформированный
Плоскость сдвига
локализация
Образец испытан под
состояние трехосного сжатия
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
нетронутый
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Однородное (равномерное) распределение
деформации в одиночном элементе
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
31

32.

3D-моделирование трехосного испытания
нетронутый
деформированный
Случайно назначен
другой материал
параметры
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Локализация плоскости сдвига
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
32

33.

Дизайн теста с одним боковым отверстием (SLH)
10 см
Мел водохранилища Горм
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
33

34.

Дизайн теста SLH: 2D и 3D моделирование
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
34

35.

Тест с одним боковым отверстием
Тест SLH проводится двумя способами:
1.фаза загрузки , в котором образец нагружается с фиксированным
коэффициентом напряжения 0,4 и сопровождается ползучестью в
дренированном состоянии;
2.текущая фаза , после фазы нагружения и
ползучести допускается перетекание жидкости от
торцевых границ образца к скважине
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
35

36.

Испытание SLH с потоком (пластовый мел Горм)
Гидравлические испытания с депрессией 2,5 МПа в течение 5 часов и 1 часа не
вызвать нестабильность, связанную с производством штрафов
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
36

37.

Обратный анализ теста SLH в 2D и 3D
слизняк
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
37

38.

Стабильность ствола скважины – Меловое месторождение Горм
Шаг 1
Шаг 2
Шаг 3
Шаг 4
=41,3 МПа
=41,3 МПа
Первоначальные условия:
Граничные условия:
= 20,5
′ = 20,8
′ ℎ= 14,8
Граничные условия:
= 20,5
′ = 20,8
′ ℎ= 14,8
Модельный домен 5х5 м2
МПа
МПа
ℎ=35,3
ℎ=35,3
= 29,5
′ = 11,8
′ ℎ= 5,8
Граничные условия:
= 29,5
=′ 11,8
′ ℎ= 5,8
= −7
= −10
• Инициализация
• Изготовление 2 дня
• Истощение 2 дня
• Бурение 12 часов
• Ползучесть 304 дня
• Ползучесть 48 дней
• Ползучесть ~3 года
• Ползучесть 2 дня
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
38

39.

Геометрия скважины
Нетронутый
мел
Нетронутый
Нетронутый
мел
мел
Поврежденный мел
Длина крыла = 30 мм
Ширина крыла = 2 мм
R=10 мм
1. Круговая геометрия
R=10 мм
R=10 мм
2. Круговая геометрия
с крылом
3. Круговая геометрия с
крыло + 5 см зона повреждения
(~20% ослабление)
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
39

40.

Нетронутый
Анализ поперечной устойчивости RJD на месторождении Горм
мел
оНа стенке – увеличение пористости за счет дилатансии
оНа некотором расстоянии от отверстия – уменьшение пористости за счет уплотнения
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
40

41.

Нетронутый
Анализ поперечной устойчивости RJD на месторождении Горм
мел
оВыраженный разрыв при сдвиге
оЗоны растяжения и уплотнения сближаются – площадь поражения увеличивается
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
41

42.

Расчет устойчивости бокового РЖД с крылом
геометрия
Нетронутый
Нетронутый
мел
мел
Поврежден
мел
о
Крылья почти закрыты
после 6 часов бурения
о
Крылья почти закрыты
после <4 часов бурения
Пластическая деформация сосредоточена на концах крыльев.
Стандартная рок-механика
контрольная работа
5 марта 2020 г.
Обратный анализ
3D моделирование
стандартные тесты
трехосное испытание
Центр нефти и газа - ДТУ
Дизайн с одним отверстием
контрольная работа
Тест с одним отверстием
Обратный анализ
тест с одним отверстием
Стабильность ствола скважины
анализ
42

43.

Выводы
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
43

44.

Заключение (1)
о
Механически радиально-струйное бурение жизнеспособно в меле
о
Кислотно-струйное бурение быстрее, чем водоструйное, и создает большую площадь поверхности.
о
Струйное бурение в ограниченном напряженном состоянии обеспечивает лучшее проникновение
о
Струйное бурение возможно как в направлении минимального, так и в максимальном напряжении, и оно
стабильно
о
Поверхность мела, пробуренная струйным бурением, различается в зависимости от жидкости и окружающих условий
бурения.
оОслабление прочностных и жесткостных свойств, связанных с напряжением
концентрация вокруг отверстия и кислотный эффект
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
44

45.

Заключение и будущая работа (2)
о
Испытание SLH позволило смоделировать развитие повреждения при прорыве в
соответствии с полевыми условиями.
оИсследования образования мелких фракций при более высоком давлении просадки и стрессе
Состояние рекомендуется
о
Точный прогноз поведения мела, окружающего ствол скважины, может быть сделан с
использованием модели с зависимостью прочности поры от скорости схлопывания и смягчающим
эффектом поверхности текучести разрушения при сдвиге с использованием континуума Коссера.
о
До года боковая скважина на месторождении Горм может быть стабильной, а в долгосрочной
перспективе может наблюдаться нестабильность, связанная с добычей мелочи.
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
45

46.

Спасибо за Ваше внимание!
5 марта 2020 г.
Центр нефти и газа - ДТУ
46