Взаимное влияние растущей трещины гидроразрыва и природного разлома коллектора пласта

• Автор: Акулич, Анна Валерьевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 169 с. : ил.

Введение
Формирование трещины гидроразрыва в нефтесодержащем пласте является одним из способов эффективного повышения нефтеотдачи скважины. Но гидроразрыв нефтяного пласта, исследование некоторых аспектов которого является темой данной диссертации - это лишь небольшая часть сложной и разветвленной теории разрушения.
Разрушение - сложный процесс, который на разных стадиях своей эволюции может быть предметом изучения различных разделов физики. В работе рассматривается только та стадия процесса, которая характеризуется наличием макроразрушений. В этом случае предметом механики разрушения является изучение закономерностей возникновения, роста и взаимодействия трещин. Невозможно представить все многообразие сложнейших проблем, стоящих перед этим разделом науки о прочности. Многие важные по практической значимости вопросы, такие, например, как разрушение в условиях ползучести, разрушение в композитных материалах, в средах со структурой, разрушение с учетом температурных эффектов, разрушение в модели нелинейной теории упругости рассматриваются в монографиях [67 - 78]. Там можно найти детальное исследование этих проблем и соответствующую обширную библиографию.
Рассмотрим более подробно один из аспектов механики разрушения -трещину гидроразрыва и ее использование в нефтяной промышленности. Собственно процесс распространения трещины в упругопористой среде является составной частью общего процесса гидроразрыва, который состоит из нескольких стадий, а именно: течение вязкой жидкости гидроразрыва в скважине и раскрытие трещины под действием напора жидкости, фильтрация жидкости через стенки трещины в пласт и последующее ее вытеснение менее

вязкой нефтесодержащей жидкостью, возникновение и развитие неустойчивости поверхности раздела, образование «пальцев» и т. д.
Техника гидроразрыва имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами нефтедобычи: проводящий канал проходит сквозь зону повреждений, имеющихся около скважины, что позволяет обойти эту критическую область в процессе разработки; канал может распространяться на значительную глубину внутрь резервуара для дальнейшего повышения продуктивности; канал может проводиться таким образом, что изменяется течение жидкости в резервуаре. Благодаря этому последнему пункту трещина гидроразрыва становится средством реального управления резервуаром. Изначально концепция гидроразрыва была достаточно простой. Трудности возникают по двум причинам: по причине сложности реальной геологии и по причине
многопрофильной природы процесса гидроразрыва.
Разработка методов для достижения желаемых результатов тесно связана с механикой горных пород, отвечающей за геометрию трещины, механикой жидкости, отвечающей за ее течение и распределение расклинивающего наполнителя внутри трещины и химией, отвечающей за характеристики материалов, используемых при осуществлении процесса. Однако, планируя операции гидроразрыва, также необходимо учитывать ограничения, накладываемые условиями реального поля и скважины.
Общие сведения о гидроразрыве
Если жидкость закачивается в скважину быстрее, чем может утекать в породу, повышается создаваемое ею давление, и в некоторой точке породы происходит разрыв. Скважина расщепляется вдоль своей оси под действием

кольцевых касательных напряжений, вызванных внутренним давлением. Процесс расщепления скважины (Рис. 1) становится более сложным для случаев перфорированных или невертикальных скважин. Однако в целом повреждения скважины - т. е. трещины в породе - появляются в результате гидравлического давления жидкости, поэтому рассматриваемое явление носит название «трещины гидроразрыва». Т. к. большинство трещин - вертикальные, а наименьшее напряжение - минимальное горизонтальное, в результате расщепления скважины получается вертикальная плоская щель в земной коре. Возникновение повреждения в скважине и начало роста трещины создает новые свободные поверхности, и скорость утечки жидкости в породу начинает расти. Если скорость закачки жидкости выше, чем скорость ее потери, новообразованная трещина продолжает распространяться (Рис. 1).
Reservoir Stimulation, Kenneth G Nolte, Michael J. Economides
Рис.1. Расщепление скважины вдоль ее оси в результате кольцевых касательных напряжений, вызванных внутренним давлением закачиваемой в скважину жидкости и распространение трещины гидроразрыва.

также недостаточно, чтобы, не имея другой информации, определить единственным образом геометрию трещины. Если симулятор включает в себя корректную модель, она должна объединять как давление, так и геометрию трещины.
Обзор работ по моделированию трещины гидроразрыва и
взаимодействия трещин
В работе [19] представлено аналитическое решение в районе края трещины для ширины и давления, когда жидкость со степенным законом создает плоскодеформированную трещину в непроницаемой линейноупругой среде. Задача была решена в предположении, что фронт жидкости совпадает с концом трещины, течение жидкости в трещине считалось одномерным. Главным результатом является переходное асимптотическое решение, в котором напряжение в районе края трещины определяется главным образом сингулярностью, которая является особенностью задачи о трещине гидроразрыва. Также было показано, как решение для полубесконечной трещины может быть использовано для нахождения полезных приближений в конечном случае.
В работе [20] дано описание масштабных лабораторных экспериментов по распространению и закрытию трещины гидроразрыва в мягкой искусственной породе и образцах обнаженной породы. В рамках этой работы также было проведено численное моделирование поведения трещины в пластичных породах; это моделирование ставило целью интерпретацию результатов измерений и их экстраполяцию на полевой масштаб. В случае пластичности для заданного избыточного давления трещина получается шире, чем в упругом случае. Наиболее яркий эффект пластичности заключается в том, что давление