Введение к работе
Актуальность темы. Гидроразрыв пласта является одним из
основных методов повышения производительности
нефтедобывающих скважин. В силу высокой стоимости операции гидроразрыва и её необратимого воздействия на продуктивный пласт вопросы определения любых параметров трещины гидроразрыва, в том числе и определения её геометрии, имеют важное практическое значение с точки зрения контроля над процессом формирования трещины и оценки эффективности операции гидроразрыва. Например, знание линейных размеров трещины и плоскости её распространения позволяет контролировать опасность вскрытия трещиной близких водонасыщенных пластов, что может привести к ухудшению эксплуатационных свойств скважины.
На данный момент, единственным практически применимым методом оценки геометрических параметров трещины гидоразрыва (её положения в пространстве) является скважинный сейсмо-акустический мониторинг на основе определения пространственного распределения источников акустической эмиссии, сопровождающей рост трещины [1, 2]. Применение метода скважишюго сейсмо-акустического мониторинга имеет свои ограничения, в частности, для его проведения необходима дополнительная скважина вблизи области гидроразрыва, и данный метод применим только в момент формирования трещины.
Подходы к исследованию трещин на основе внутрискважинных измерений акустического поля [3, 4 и др.] в основном исследуют трещину как неоднородность с точки зрения распространения волнового поля в скважине с целью определения: области локализации, проницаемости, величины раскрытия берегов трещины и т.д. и не дают информации об ориентации трещины в пространстве, её линейных размерах. Существующие попытки применения вертикального сейсмического профилирования (далее - ВСП) для определения ориентации плоскости трещины гидроразрыва, например [5], ограничены из-за отсутствием количественных моделей, позволяющих интерпретировать данные внутрискважинных измерений.
Поэтому весьма актуальной является разработка альтернативных методов определения геометрических параметров трещины гидроразрыва (ориентации плоскости трещины и её размера) на основе внутрискважинных измерений акустического поля, возбуждаемого внешним источником.
На практике линейные размеры ірещиіш гидроразрыва всегда конечны. При применении ВСП к исследованию трещин это необходимо учитывать, поскольку линейные размеры трещины могут быть как меньше или больше длины сейсмической волны, так и сравнимы с ней. Например, трещина малого волнового размера слабо рассеивает поле источника в отличии от трещины, линейный размер которой много больше длинны сейсмической волны, что необходимо учитывать при расчёте акустического поля в скважине.
Для трещин конечных линейных размеров наличие периметра трещины может привести к возбуждению сейсмической волной основной симметричной собственной моды трещины (волны Крауклиса) на её периметре, которая, распространяясь по трещине, достигает скважины и возбуждает гидроволну (основную собственную моду скважины - низкочастотный предел волны Стоунли).
Соответственно, при регистрации акустического поля в скважине в рамках метода ВСП, существуют несколько моментов генерации гидроволи в точке пересечения скважины с трещиной. Первичные гидроволны инициируются в момент прихода поля сейсмической волны и хорошо измеримы в практике. Вторичные гидроволны инициируются в момент, когда возбуждённая на периметре трещины внешним сейсмическим полем волна Крауклиса, распространяясь по трещине, достигает скважины и возбуждает гидроволну.
Регистрация вторичной гидроволны в скважине представляет практический интерес с точки зрения определения линейных размеров трещины на основе внутрискважинных измерений. Очевидно, что временная задержка между моментами генерации первичных и вторичных гидроволн определяется временем распространения волны Крауклиса вдоль трещины и характеризует линейный размер трещины. Основным вопросом, который
возникает при этом, является оценка амплитуды вторичных гидроволн в скважине с точки зрения возможности их практической регистрации.
Цель работы и задачи исследовании. Целью настоящей работы является исследование возбуждения волнового поля в системе скважина-трещина гидроразрыва под действием внешнего сейсмического источника и создание на этой основе методов определения геометрических параметров трещины гидроразрыва на основе внутрискважинных измерений компонент акустического ноля.
В соответствии с целью диссертационной работы решались следующие задачи:
исследование влияния трещины малого волнового размера и трещины в виде бесконечного тонкого слоя жидкости на возбуждение сейсмической волной поля давления в скважине;
построение аналитической модели возбуждения волнового поля в тонкой трещине конечных линейных размеров полем напряжений в упругой среде;
разработка и проверка модели возбуждения сейсмической волной волнового поля в скважине, пересекаемой трещиной гидроразрыва конечного размера;
построение алгоритмов решения обратных задач определения геометрических параметров трещины гидроразрыва на основе внутрискважинных измерений.
Научная новизна результатов работы,
-
Впервые показано, что ориентация плоскости трещины малого волнового размера может быть определена на основе внутрискважинных измерений по соотношениям амплитуд гидроволн от набора поверхностных источников при вертикальном сейсмическом профилировании.
-
Впервые в длинноволновом, по раскрытию трещины, приближении в пространственно-временном представлении выведено интегро-дифференциальное уравнение для акустического поля давления в слое жидкости в упругой среде.
-
Впервые поставлена и решена задача о возбуждении волнового поля в скважине сейсмической волной при наличии трещины гидроразрыва конечного размера.
-
Впервые показано, что вторичные гидроволны, возникающие вследствие падения внешнего сейсмического поля на край трещины, могут иметь тот же порядок амплитуд, что и объёмные волны, регистрируемые в скважине при вертикальном сейсмическом профилировании.
Практическая ценность результатов. Направление исследований работы является востребованным в связи с распространением технологии гидроразрыва и потребностью в разработке эффективных методов диагностики трещины гидроразрыва. Предлагаемый способ определения геометрических параметров трещины может быть реализована в рамках хорошо известной метода ВСП и, как следствие, сведётся либо к дополнительной обработке данных ВСП на основании предложенных алгоритмов, либо потребует минимальных затрат на дополнительное исследование.
Достоверность результатов. Достоверность предлагаемых моделей возбуждения волнового поля в системе скважина-трещина определяется тем, что предлагаемые модели получены непосредственно на основе законов сохранения в акустическом приближении и являются развитием уже апробированных подходов, а также успешно проверены при помощи прямых конечно-разностных расчётов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Решена задача о влиянии трещины малого волнового размера на поле давления в скважине, возбуждаемое внешней сейсмической волной. Предложен новый способ восстановления ориентации плоскости трещины малого волнового размера по соотношениям амплитуд гидроволн от набора поверхностных источников при ВСП.
-
Решена задача о поле давления в скважине, пересекаемой жидким слоем бесконечной протяжённости, под действием внешней сейсмической волны. Предложен способ определения
ориентации слоя (трещины) по соотношению зарегистрированных в скважине амплитуд объёмных продольных и поперечных волн, отражённых от слоя.
-
В длинноволновом, по раскрытию трещины, приближении выведено новое интегро-дифференциальное уравнение для поля давления в трещине в пространственно-временном представлении. Сформулированы эффективные граничные условия на краю трещины.
-
Решена задача о возбуждении внешней сейсмической волной волнового поля в скважине, пересекающей трещину гидроразрыва конечного размера. Для цилиндрически симметричного случая полученное решение проверено путём сравнения с прямыми конечно-разностными расчётами.
-
Показано, что вторичные гидроволны, возникающие вследствие падения внешнего сейсмического поля на край трещины, могут иметь тот же порядок амплитуд, что и объёмные волны, регистрируемые в скважине при ВСП.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на Научной сессии МИФИ (Москва, январь: 2001, 2004, 2005, 2006), на XI, XVI, XIX и XX Сессии Российского акустического общества (Москва - ноябрь 2001, 2005, Нижний Новгород - сентябрь 2007, Москва - октябрь 2008), на международной конференции «Eleventh International Congress on Sound and Vibration» (Россия, Санкт-Петербург, июль 2004), на международных конференциях Гальперинские чтения 2007 и 2009 (Россия, Москва, октябрь 2007 и 2009), на международной конференции «3th Saint Petersburg international Conference & Exibition: Geosciensies - From New Ideas to New Discoveries» (Россия, Санкт-Петербург, апрель 2008), на международной конференции «Days of Difraction» (Россия, Санкт-Петербург, июнь 2008), на международной конференции «II EAGE/EAGO/SEG International Geoscience Conference & Exhibition» (Россия, Тюмень, март 2009), на И-ой международной научно-практической конференции по проблемам комплексной интерпретации геолого-геофизических данных при геологическом моделировании месторождений углеводородов (Россия, Геленджик, сентября 2009), на международной конференции «SEG International
Exposition and 79th Annual Meeting» (Houston, Texas, USA, October 2009)
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 3-х статьях журналов из перечня ВАК, результаты диссертации были обсуждены на 16-и международных, всероссийских, и межвузовских научно-практических конференциях и опубликованы в виде тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертаций составляет 201 страницу текста, включая 6 таблиц и 57 рисунков. Список литературы содержит 50 наименований.
