Минимальное горизонтальное напряжение формула
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для определения величины максимального горизонтального напряжения в продуктивных пластах нефтегазовых месторождений.
Известен способ определения максимального горизонтального напряжения в горных породах, согласно которому по данным сейсмогеофизических исследований строят структурную карту залежи и определяют большую и малую оси месторождения, а по результатам изучения кернового материала, отобранного при бурении опорных скважин, находят минимальное горизонтальное напряжение горных пород. Максимальное горизонтальное напряжение определяют, исходя из его зависимости от соотношения величин большой и малой осей месторождения и величины минимального горизонтального напряжения (Заявка на изобретение RU 94025104, МПК Е21С 39/00, опубликовано 10.06.1996 г.).
Недостаток данного способа состоит в том, что он основан на косвенных измерениях, а точность определения большой и малой осей зависит от полноты охвата залежи сейсмогеофизическими исследованиями и качества построения структурной карты.
Также известен способ определения величины горизонтальных напряжений нефтегазового пласта по прямому замеру деформаций в пробуренных скважинах с использованием специального оборудования (Sjoberg J., Christiansson R., Hudson J.A. ISRM suggested methods for rock stress estimation — part 2: overcoring methods // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2003. — T. 40. — №7. — C. 999-1010).
Недостатки способа заключаются в больших затратах по времени, а также в необходимости использования специального оборудования.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения величины максимального горизонтального напряжения нефтегазового пласта в результате проведения микроразрыва низкопроницаемого пласта в необсаженном стволе вертикальной скважины с определением давления разрыва и давления закрытия незакрепленной трещины. Под микроразрывом авторы подразумевают высокоскоростной малообъемный гидравлический разрыв пласта (ГРП).
Максимальное горизонтальное напряжение σmax рассчитывается по формуле:
где Pƒrac — давление на забое в момент разрыва породы, α — коэффициент пороупругости, T0 — предел прочности породы на разрыв, Ре — пластовое давление, σmin — минимальное горизонтальное напряжение (Amadei В., Stephansson О. Rock stress and its measurement. — Springer Science & Business Media, 1997, P. 147-148).
Данный способ обладает рядом недостатков. Для определения величины максимального горизонтального напряжения необходимо определить величины α, T0, Pе из результатов дополнительных исследований. Область применения данного подхода ограничена глубиной до 2 км (Zoback М.D. Reservoir geomechanics. — Cambridge University Press, 2010, P. 220-221).
Задачей заявленного изобретения является создание способа определения величины максимального горизонтального напряжения нефтегазового пласта с использованием параметров, замеряемых непосредственно в ходе проведения высокосокоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта, без проведения предварительных исследований по определению дополнительных параметров пласта. Техническим результатом изобретения является снижение ограничений по глубине залегания пласта, в котором определяют максимальное горизонтальное напряжение.
Поставленная задача решается способом определения величины максимального горизонтального напряжения нефтегазового пласта, включающим проведение высокоскоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта и определение давления разрыва пласта и давления закрытия незакрепленной трещины, в котором в отличие от прототипа используют две соседние вертикальные скважины, при этом перед проведением гидравлического разрыва пласта в каждой скважине производят направленную перфорацию, причем в одной из них перфорацию производят в направлении минимального горизонтального напряжения и в процессе разрыва определяют давление разрыва, а в другой скважине перфорацию производят в направлении максимального горизонтального напряжения и в процессе разрыва определяют давление разрыва и давление закрытия незакрепленной трещины, после чего по данным параметрам рассчитывают величину максимального горизонтального напряжения по формуле:
σmax — максимальное горизонтальное напряжение;
σmin — минимальное горизонтальное напряжение;
— давление высокоскоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта в направлении минимального горизонтального напряжения;
— давление высокоскоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта в направлении максимального горизонтального напряжения;
Pсм2 — давление закрытия незакрепленной трещины при проведении высокоскоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта в направлении максимального горизонтального напряжения.
Формула получена из решений задач о распределении напряжений в неограниченном пласте, подвергаемом равномерному растяжению (монография — Nolte K.G. et al. Reservoir stimulation. — New York: Wiley, 2000, P. 3.26-3.27).
При этом при определении величины максимального горизонтального напряжения по приведенной формуле учитывается известное положение, что минимальное горизонтального напряжение σmin равно 
— давлению закрытия незакрепленной трещины при проведении высокоскоростного малообъемного гидравлического разрыва пласта в направлении максимального горизонтального напряжение (Zoback М.D. Reservoir geomechanics. — Cambridge University Press, 2010, P. 208-219).
Предложенный способ реализуют следующим образом.
1. Производят выбор двух соседних вертикальных скважин, на которых не проводили операции гидравлического разрыва пласта (ГРП). Для повышения точности расчетов обеспечивают интервалы перфорации на одинаковой абсолютной высоте. В случае проведения перфорации на неодинаковой абсолютной высоте при определении величин напряжений необходимо вводить соответствующие поправки.
2. На одной из скважин производят направленную перфорацию и последующий высокоскоростной малообъемный ГРП в направлении минимального горизонтального напряжения.
Направления максимального и минимального горизонтального напряжения можно определить любым известным способом, например, из кривых ориентируемого многорычажного каверномера, изображения стенок скважин, обработки данных акустического широкополосного каротажа (АКШ) в наклонно-направленной скважине с ГРП и т.д. На момент реализации способа данные о направлениях максимального и минимального горизонтального напряжений известны из обобщения данных по определению максимального и минимального горизонтального напряжений на конкретных пластах исследуемого месторождения.
3. На основании показаний устьевого или забойного датчика давлений определяют давление высокоскоростного малообъемного ГРП в направлении минимального горизонтального напряжения 
.
4. На второй скважине производят направленную перфорацию и последующий высокоскоростной малообъемный ГРП в направлении максимального горизонтального напряжения.
5. На основании показаний устьевого или забойного датчика давлений определяется давление высокоскоростного малообъемного ГРП в направлении максимального горизонтального напряжения 
, а также давление закрытия незакрепленной трещины Рсм2.
6. По определенным параметрам рассчитывают величину максимального горизонтального напряжения σmax по формуле, которая является решением уравнений теории упругости:
При этом принимают во внимание, что 
Этапы 2-3 и 4-5 могут быть расположены в иной последовательности.
Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.
При реализации предложенного способа применяют стандартное оборудование для проведения операции ГРП и направленной перфорации, в отличие от прототипа не требуется привлечение дополнительных исследований для определения параметров, в расчетах используют параметры, которые измеряют в ходе проведения операций ГРП. Для проведения высокоскоростного малообъемного ГРП требуется меньше давления по сравнению со способом проведения высокоскоростного малообъемного ГРП в необсаженном стволе скважине, описанным в прототипе. Значительно снижается ограничение по глубине, которое есть в случае проведения высокоскоростного малообъемного ГРП в необсаженном стволе скважины.
Для сравнения приведены следующие расчеты. Для способа, описанного в прототипе, давление на забое в момент разрыва породы составляет Pƒrac=3σmin-σmax-αPe+T0, в предлагаемом способе давление разрыва в направлении минимального горизонтального напряжения составляет:
,
где 
давление вышележащих пород (горное давление) (см., например, монография Nolte K.G. et al. Reservoir stimulation. — New York: Wiley, 2000, P. 3.26-3.27).
Разность 
приблизительно составляет разницу давления вышележащих пород и максимального горизонтального напряжения. Следовательно, для способа, описанного в прототипе, с увеличением глубины проведения операции высокоскоростного малообъемного ГРП требуется больше давления разрыва по сравнению с предлагаемым способом.
1. На скважине А направление минимального горизонтального напряжения известно по данным акустического широкополосного каротажа ближайших наклонно-направленных скважин с гидравлическим разрывом пласта (ГРП) и произведена направленная перфорация на глубине 2500 м и последующий высокоскоростной малообъемный гидравлический разрыв пласта в направлении минимального горизонтального напряжения.
2. На основании показаний забойного датчика определено давление высокоскоростного малообъемного ГРП 
равное 30 МПа.
3. На скважине Б произведена направленная перфорация на глубине 2500 м и последующий высокоскоростной малообъемный ГРП в направлении максимального горизонтального напряжения, которое также известно по данным акустического широкополосного каротажа.
4. На основании показаний забойного датчика определено давление разрыва пласта 
равное 26 МПа, а также давление закрытия незакрепленной трещины Рсм2, равное 12 МПа.
5. Рассчитанная величина максимального горизонтального напряжения σmax составила 13,3 МПа.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет без дополнительных исследований по определению параметров пласта посредством замера параметров ГРП определять величину максимального горизонтального напряжения нефтегазового пласта на любой глубине залегания.
Источник
Горизонтальным напряжением
σх=σу=Ргг=λ · ρп · g · Н
ρп— плотность вышележащих горных пород; Н—глубина залегания горизонта;
λ— коэффициент бокового распора(ф. А.Н. Динника):
γ— коэффициент Пуассона, зависящий от продольных и поперечных деформаций породы.
для песчаников и известняков γ= 0,2-0,3;
для упругих пород γ=0,25-0,43.
Для пластичных горных пород (глина, глинистые сланцы, каменная соль) γ=0,5, вследствие чего λ—> 1.
Давление разрыва горных породзависит как от горного давления, так и от прочности горных пород (зависит от типа породы, ее пористости, структуры порового пространства, состава, наличия глин).
Давление разрыва зависит от следующих факторов:
n горного давления Рг;
n проницаемости ПЗС и наличия в ней микротрещин;
n прочности и упругих свойств горной породы;
n структуры порового пространства;
n свойств жидкости разрыва;
n геологического строения объекта;
n технологии проведения ГРП.
Во многих случаях Рр
Приближенные значения для давления разрыва:
для скв. до 1000 м Рр = (1,74-2,57) Рст.
для скв.>1000 м Рр = (1,32-1,97) Рст.,
где Рст – гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта.
ГРП. Условия образования горизонтальной и вертикальной трещины. Основные операции при ГРП. Требования к рабочим жидкостям при ГРП. Условие достижения величины давления разрыва. Признаки момента образования трещины.
ГРП повышает проницаемость ПЗС (создаются искусственные и расширяются естественные трещины – при первичном вскрытии долото взаимодействует с напряженными горными породами, а также при вторичном вскрытии (перфорации).
Образование горизонтальной трещины
Если в призабойную зону скважины нагнетать слабо фильтрующуюся жидкость, то фильтрация начинается в наиболее проницаемые области ПЗС, определяемые наличием трещин. Фильтрация возможна только при определенном перепаде давлений ∆Рф=Рзаб. – Рпл.
В этом случае слабо фильтрующаяся жидкость действует как клин, увеличивая длину и раскрытость горизонтальной трещины.
положительный результат может быть получен только при определенном темпе закачки жидкости разрыва. Минимальный темп закачки жидкости разрыва можно определить в зависимости от: минимальной подачи насосным агрегатом жидкости разрыва для образования горизонтальной трещины, радиуса горизонтальной трещины, ширины трещины на стенке скважины, и вязкости жидкости разрыва.
Образование вертикальной (наклонной) трещины
Если используется не фильтрующаяся жидкость разрыва, то по мере повышения давления закачки напряжение в горной породе возрастает и происходит ее сжатие. Сжатие происходит до определенного предела, определяемого прочностью на сжатие. После превышения этого предела порода не может сопротивляться увеличивающемуся сжатию и растрескивается.
После снятия давления закачки возникают остаточные трещины (трещины разуплотнения), как правило, вертикальной или наклонной ориентации.
Источник