Mô hình địa cơ học sử dụng đặc tính kép rỗng - đàn hồi ngăn chặn liên kết nứt vỉa và nhiễu giếng

Giới thiệu

Xây dựng các mô hình vỉa phi truyền thống yêu cầu cách tiếp cận nhiều tỷ lệ liên tục để diễn tả đặc trưng vật lý ở mỗi tỷ lệ (Hình 1). Trong các nghiên cứu về khu vực xa giếng khoan hàng nghìn feet (vùng xa), phương pháp địa vật lý được sử dụng kết hợp với các quá trình như đảo chiều đàn hồi địa chấn lan rộng giới hạn bề mặt (Kiche và các cộng sự, 2016) và cung cấp đặc tính địa cơ học cho toàn bộ thể tích vỉa. Đây là các đặc tính quan trọng để lựa chọn vị trí đặt giếng tối ưu cũng như trong cả quá trình hoàn thiện giếng phi truyền thống. Cũng tại vùng xa sự kết hợp các đặc tính địa cơ học với các mô hình nứt vỡ tự nhiên liên tục (Jekins và các cộng sự, 2009) được sử dụng làm đầu vào của quy trình mô phỏng vỉa với tính chất địa cơ học (Aimene và Ouenes, 2015), cách này cho phép mô phỏng tương tác giữa các ứng suất khu vực và 3 nguồn gradient ứng suất chính ảnh hưởng tới nứt vỉa thủy lực (đặc tính địa cơ học thay đổi, gián đoạn địa chất và biến dạng áp suất lỗ rỗng).

Sự phân bố ứng suất khác nhau cung cấp điều kiện ứng suất ban đầu trước khi nứt vỉa và đầu vào chính xác để ước lượng biến dạng trong và sau nứt vỉa thủy lực, được xác nhận bằng dự đoán hoạt động vi địa chấn (Aimene và Ouenes, 2015). Biến dạng này cung cấp mối tương quan giữa nghiên cứu vùng xa và trung tuyến, tạo ra cơ hội duy nhất để hạn chế thiết kế nứt vỉa ở vùng trung tâm (Paryani và các cộng sự, 2016) và hạn chế độ chênh lệch ứng suất bên cạnh, áp dụng chiều dài vết nứt bất đối xứng cho phép để giảm độ không chắc chắn của các tham số thiết kế nứt vỉa.

Biến diễn nứt vỉa thủy lực vùng trung tuyến cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều hiệu ứng vùng lân cận như kiểu hoàn thiện (Peterson và các cộng sự, 2017) và tác động của nó lên đặc tính địa cơ học của vùng lân cận giếng. Các hiệu ứng cận vùng ở mỗi giếng đều có thể tính toán bằng dữ liệu khoan bề mặt (Jacques và các cộng sự, 2017), có thể cung cấp các thông tin cần thiết tại các vùng trung tuyến hoặc vùng xa trong quá trình mô phỏng đảo chiều và xác nhận trong các trường hợp thiếu dữ liệu.

Quy trình được thực hiện bằng phần mềm duy nhất, trái ngược hoàn toàn với các quy trình làm việc phức tạp sử dụng các phương pháp tính khác nhau được áp dụng cho các loại lưới khác nhau (thành phần hữu hạn, hệ thống đứt gãy rời rạc, lưới cấu trúc và không cấu trúc). Cuối những năm 90 của thế kỷ trước, phần cứng máy tính yêu cầu sử dụng lưới không cấu trúc để mô tả các mô hình dòng chảy phức tạp trong các vỉa nứt và quanh giếng khoan (Heinemann và các cộng sự, 1998). Ngày nay, công suất máy tính cho phép mô phỏng vỉa với hàng nghìn tỷ ô lưới (World Oil, 2016) và kích thước ô địa chấn nhỏ hơn 10m. Môi trường tính toán mới này có thể mô hình hóa vỉa phi truyền thống bằng một lưới cấu trúc duy nhất có độ phân giải cao với kích thước ô rất nhỏ trong phạm vi 1 - 5m. Việc tích hợp liền mạch các quy tắc sử dụng một lưới cấu trúc được minh họa bằng việc sử dụng quy trình công việc 3G để cải thiện thiết kế nứt vỉa (Ouenes và các cộng sự, 2016). Tuy nhiên, việc thiết kế các khu đặt giếng thích hợp, định hướng địa cơ học các giếng vào đá có thể nứt vỉa và thiết kế hoạt động nứt vỉa thủy lực tối ưu đang gặp phải nhiều thách thức do nhiễu từ giếng khai thác hoặc giếng cạn gây ảnh hưởng đến giếng khoan mới.

Thách thức từ nhiễu giếng

Thông thường, các đánh giá kinh tế cho thấy các hoạt động thu nổ với giá cao ở Permian (lên tới 50.000USD/ mẫu Anh) là không thực tế do chưa tính đến những rủi ro về nhiễu giếng và hiệu suất giếng giảm do khoảng cách quá nhỏ giữa các giếng khoan thêm và giếng cũ.

Nhiễu giếng bắt nguồn từ trong quá trình nứt vỉa, tạo ra các liên kết nứt vỉa có thể gây ra thiệt hại lớn như các vấn đề về độ bền giếng khoan, ống chống bị bóp méo; tuy nhiên những vấn đề này có thể ngăn ngừa nếu được phát hiện trước khi hoàn thiện giếng.

Bommer và các cộng sự (2017) đã phân tích thiệt hại ở giếng Bakken. Khi số lượng các giếng phi truyền thống tăng lên, các công ty E&P cần có công cụ cần thiết để mô hình hóa và dự báo các liên kết nứt vỉa.

Các liên kết nứt vỉa được quan sát thấy trong các môi trường địa chất khác nhau và khai thác các kênh dẫn với áp lực khác nhau. Tại Permian và Eagle Ford, các đứt gãy và nứt nẻ tự nhiên có vai trò quan trọng trong việc tạo các kênh dẫn áp lực cần thiết để kết nối giếng. Tại Vaca Muerta, ngoài các vết nứt tự nhiên, lớp tro và lớp đá vôi hình thành kết nối giữa các giếng để tạo liên kết nứt vỉa. Để xử lý vấn đề này tốt hơn, cần tập trung vào các giếng bổ sung thêm gần giếng suy kiệt tạo điều kiện để gia tăng tỷ lệ các vết nứt.

Ước lượng và xác minh sự suy giảm áp lực bất đối xứng

Để hiểu rõ hơn về các liên kết nứt vỉa, cần có các mô hình vật lý và giới hạn các tham số trước khi có thể dự đoán về các vết nứt này. Trước hết, trạng thái ứng suất thay đổi không gian ban đầu do nứt vỉa thủy lực tại các giếng cũ tạo ra tính thẩm thấu kích thích bất đối xứng phải được mô phỏng chính xác và xác nhận lại bằng các dữ liệu thực địa. Tiếp theo, có thể mô phỏng và xác nhận tương tác giữa các vết nứt thủy lực và vết nứt tự nhiên xảy ra trong quá trình kích thích từ giếng cũ. Xác nhận mô hình số là bước rất quan trọng. Đầu ra của kích thích địa cơ học, biến dạng thể tích, được xác nhận bởi hoạt động vi địa chấn hoặc dữ liệu truy xuất tối thiểu ở một giếng. Do đó, các đầu vào như vết nứt tự nhiên, tính vật lý của nứt vỉa thủy lực và độ phức tạp của nứt vỡ thủy lực được mô phỏng và thu nạp chính xác. Vargas-Silva và các cộng sự (2017) và Ahmed và các cộng sự (2017) đưa ra ví dụ về quy trình, dự báo hoạt động vi địa chấn phù hợp với áp suất trong quá trình nứt vỉa cũng như trong quá trình khai thác. Tuy nhiên, quy trình trên yêu cầu sử dụng mô phỏng vỉa gây tốn thời gian khi thực hiện với vỉa sét kết. Việc ước lượng suy giảm áp suất đang trở thành một trở ngại chính đối với dự đoán liên kết nứt vỉa, bài báo mô tả một số phương pháp nhanh để đưa ra kết quả phân bố áp suất cần thiết cho các công tác khác.

Tính toán suy giảm áp suất bằng mô hình phân tích tam tuyến tính bất đối xứng

Để thu hẹp khoảng cách giữa tính vật lý đầy đủ trong mô phỏng vỉa và phân tích đường cong suy giảm đơn giản thì phương pháp giải tích dựa trên cơ sở tính chất vật lý cần được sử dụng. Một số phương pháp như mô hình tam tuyến tính của Brown và các cộng sự (2011) cung cấp kết quả mang tính dự đoán giống như các phương pháp mô phỏng vật lý đầy đủ, nhưng với tốc độ tính toán tương đồng các mô hình giải tích. Mô hình tam tuyến tính xem xét 3 vùng khác nhau (Hình 2), trong đó các phương trình Darcy được viết lại bằng các biến không thứ nguyên. Các phương trình kết hợp được giải quyết tại miền Laplace để ước tính áp suất giếng.

Mô hình Brown (2011) về công thức hai vế đối xứng ban đầu được mở rộng để xử lý các giai đoạn nứt vỉa thủy lực không đối xứng, chiều dài hai vết nứt chính và các đặc tính khác nhau tại mỗi mặt giếng. Mô hình tam tuyến tính được thực hiện trong một phần mềm thương mại sử dụng kết quả thiết kế nứt vỉa bất đối xứng do Paryani và cộng sự mô tả (2016) làm đầu vào ban đầu. Một quy trình kết nối lịch sử được sử dụng để điều chỉnh các tham số tam tuyến tính bất đối xứng và ước lượng các đặc tính vỉa quan trọng còn thiếu sau thiết kế nứt vỉa (độ thấm trong và phần xa của vỉa, độ dày và độ rỗng của vỉa). Cách tiếp cận mới này đã được thử nghiệm trên nhiều giếng khoan và được phát hiện là rất gần với tính vật lý thu nạp được trong mô phỏng vỉa thương mại (Hình 3).

Một khía cạnh chính của nghiên cứu này phát triển các điểm mạnh của mô hình tam tuyến tính để đưa ra ước tính tương đối hợp lý về suy giảm áp suất xung quanh mỗi mặt của giai đoạn nứt vỉa bất đối xứng. Điều này đã đạt được bằng cách xem xét kết hợp kết quả thiết kế nứt vỉa mô tả trong Paryani và các cộng sự (2016) với khái niệm tam tuyến tính bất đối xứng khi đi sâu xem xét tham số, di được tính theo công thức:

Trong đó k là độ thẩm thấu lấy từ kết quả thiết kế nứt vỉa, t là thời gian, ф là độ rỗng, μ là độ nhớt và Ct là độ nén tổng.

Độ sâu thăm dò là không đối xứng và được tính riêng ở mỗi mặt của giai đoạn nứt vỉa. Sự suy giảm áp suất được giả định là vuông góc với vết nứt vỉa thủy lực, thay đổi tuyến tính từ giai đoạn nứt vỉa tới áp suất vỉa và không thể vượt quá điểm giữa của hai vết nứt vỉa thủy lực.

Để minh họa cho các khái niệm trên, giếng Eagle Ford được sử dụng để mô phỏng vỉa chi tiết đã được Vargas-Silva và các cộng sự thực hiện (2017) trong một mô hình động lực học giới hạn về địa cơ học với độ dẫn đầu vào bất đối xứng của mô phỏng vỉa được cung cấp bởi thiết kế nứt vỉa bất đối xứng giới hạn (Paryani và các cộng sự, 2016). Theo Vargas-Silva và các cộng sự (2017), đặc trưng cho mô phỏng vỉa của một mặt phẳng nứt vỉa thủy lực tại mỗi giai đoạn là không thể khớp với thời điểm áp suất ban đầu và cần nhiều mặt nứt vỉa tại mỗi giai đoạn để xác định mặt tiếp xúc thật được tạo ra trong quá trình nứt vỉa. Để minh họa, trong mô hình tam tuyến tính sẽ sử dụng mô tả đơn giản nhất của một bề mặt nứt vỉa tại mỗi giai đoạn.

Lưới cấu trúc được sử dụng trong mô hình vỉa để mô hình hóa 9 giai đoạn nứt vỉa và trạng thái của chúng được thể hiện trong Hình 4. Hệ thống lưới mô phỏng vỉa có kích thước 50x50ft nhưng lưới cấu trúc sử dụng cho mô hình tam tuyến tính được thu nhỏ xuống 10x10ft do không phụ thuộc vào thời gian tính toán và các kết quả về độ thấm thiết kế nứt vỉa được cung cấp ở mức phân giải cao và có thể sử dụng đầy đủ để ước tính sự suy giảm áp suất.

Hình 4b dự báo áp suất xung quanh 9 giai đoạn nứt vỉa bằng các mô hình tam tuyến tính. Mặc dù sự suy giảm áp suất dài hạn từ mô hình tam tuyến tính ở Hình 4b giống với mô hình bể chứa đầy đủ ở Hình 4a nhưng mô hình tam tuyến tính chỉ được sử dụng khi diễn tả các giai đoạn nứt vỉa bằng mô hình 2D để đánh giá nhanh nhiều thiết kế nứt vỉa, trong khi đưa ra ước tính ban đầu về độ thấm SRV cần thiết cho mô hình 3D với một kỹ thuật nhanh khác sẽ được sử dụng.

Ước tính suy giảm áp suất bằng phương pháp khớp nhanh

Đầu những năm 90, dữ liệu động là một thách thức khi sử dụng mô hình vỉa ngẫu nhiên hiện đại do ngành công nghiệp vẫn duy trì quy trình làm việc xây dựng “mô hình tĩnh” mà không có bất kỳ ràng buộc động học nào. Kết quả từ các mô hình tĩnh thường không tái tạo được lịch sử hoạt động của từng giếng, do đó các mô hình vỉa thường không chính xác, khả năng dự đoán kém, đặc biệt cho tình huống vỉa nứt nẻ và phi truyền thống và các quá trình vật lý. Những thách thức này bắt nguồn từ thực tế việc sử dụng dữ liệu động tốn nhiều thời gian tính toán để giải phương trình dòng chảy sử dụng công cụ mô phỏng vỉa. Nhiều giải pháp đã được thực hiện để giảm thời gian tính toán trong quá trình đưa vào điều kiện động học bằng cách thay thế các phương trình dòng chảy bằng mô hình proxy dựa trên các mạng neutral (Ouenes và các cộng sự, 1994) hoặc bề mặt phản ứng và thiết kế thực nghiệm (Eidi và các cộng sự, 1994). Các giải pháp khác như sử dụng các kỹ thuật theo dõi nhanh sử dụng dòng chảy (Barman và các cộng sự, 2000) và gần đây hơn là áp dụng phương pháp khớp nhanh hoặc FMM (Lino và các cộng sự, 2017). FMM được sử dụng khi tiếp cận mô hình các bể chứa phi truyền thống để ước lượng suy giảm áp suất 3 chiều (3D).

Phương pháp FMM này khác với cách tiếp cận được Lino và cộng sự miêu tả (2017) ở 3 điểm chính. Thứ nhất, khởi tạo mô hình sử dụng các kết quả thiết kế nứt vỉa hạn chế địa cơ học dựa trên mô tả nhiều mặt cắt nứt vỉa thủy lực tại mỗi giai đoạn (Ahmed và các cộng sự, 2017; Vargas- Silva và các cộng sự, 2017) và kết quả mô hình tam tuyến tính thu được trước đó cho phép khớp nhanh lịch sử dữ liệu động học. Thứ hai, đảo chiều “thời gian khuếch tán” (DTOF) làm cho SRV không đồng nhất theo ước tính từ các kết quả nứt vỉa hạn chế về địa cơ học và kết quả tam tuyến tính. Cuối cùng, việc thực hiện FMM có thể xử lý mọi lưới bao gồm cả lưới không cấu trúc. Điểm đặc biệt khi thực hiện FMM là cho phép cải tiến lưới Logarith Local (LGR) quanh nứt vỉa phẳng. Khi sử dụng FMM, lưới 3D với các ô 10x10ft có thể dùng để phân chia diện tích, và với các ô LGR nhỏ hơn 1ft gần các nứt vỉa thủy lực phẳng sẽ thu nạp từng cụm.

Áp dụng FMM tại cùng một giếng Eagle Ford cho một mô hình 3D kết hợp sự phân bố bất đối xứng độ dẫn nứt vỉa do các kết quả thiết kế nứt vỉa hạn chế địa cơ học tại từng cụm (Vargas-Silva cùng các cộng sự, 2017). Mô hình này kết hợp các tính chất SRV được ước tính từ đầu qua mô hình tam tuyến tính đã mô tả bên trên. Hai tính năng này giúp khớp nhanh chóng hiệu năng của giếng, đưa ra ước lượng sự suy giảm áp suất trong thể tích 3D xung quanh giếng khoan nứt vỉa thủy lực. Hình 5 cho thấy suy giảm áp suất thu được từ FMM tại ba tầng/lớp của mô hình 3D.

Khi áp suất không cân xứng dưới các giếng cũ được ước lượng nhanh hơn, có thể chuyển sang xác định tính chất vật lý của nứt vỉa.

Mắt xích còn thiếu trong mô hình hóa liên kết nứt vỉa: đặc tính kép rỗng - đàn hồi

Khi bắt đầu nứt vỉa thủy lực gần các giếng suy giảm áp suất sẽ dẫn đến một số hiện tượng tương hỗ khác nhau xảy ra ở các quy mô khác nhau. Áp lực cao được sử dụng trong một quy trình nứt vỉa tạo ra biến dạng đàn hồi lớn gần giếng khoan và xa hơn, bao gồm cả các khu vực đã được kích thích gần giếng cũ. Liên kết nứt vỉa được quan sát thấy ở cách giếng khoan nứt vỉa hàng nghìn feet vì sóng áp suất lan truyền vượt qua tuyến chất lỏng. Do vậy để hiểu và dự đoán liên kết nứt vỉa đòi hỏi phải mô hình hóa sự lan truyền của sóng áp suất thông qua đặc tính địa chất có độ thấm cao, như các đứt gãy, có thể mở rộng ra vượt qua tuyến chất lỏng. Mô hình kép rỗng - đàn hồi trong module phần mềm địa cơ học đã được sử dụng để mô phỏng tác động của một giếng Eagle Ford suy giảm áp suất lên một giếng phụ giả định gần kề dự kiến ở cách giếng chính 800ft và 1300ft về phía Tây (Hình 6).

Mô hình kép rỗng - đàn hồi trong module phần mềm địa cơ học vỉa được sử dụng để diễn tả sự tương hỗ giữa áp suất chất lỏng và ứng suất rắn tại vỉa trong quá trình nứt vỉa thủy lực. Để tính tới hiệu ứng bóng của ứng suất giữa các giai đoạn, nghiên cứu đã xem xét một giếng với nhiều nứt vỉa thủy lực. Một hệ thống các vết nứt tự nhiên, được mô phỏng trước đó tại khu vực vỉa và xác nhận là đầu vào trong nghiên cứu địa cơ học để tiên đoán dữ liệu vi mô (Aimene and Ouenes, 2015) đã được xem xét. Phương pháp chất điểm (MPM) được dùng để giải các phương trình cơ học động lực liên tục cùng với mô hình nứt vỉa rõ ràng và các phương trình vận chuyển chất lỏng.

Sự tiến triển của áp suất chất lỏng và các ứng suất của đá trong quá trình nứt vỉa thủy lực đã được đánh giá đồng thời thông qua kết hợp các tính chất vật lý của chúng. Các phương trình dòng chảy chất lỏng và biến dạng đá được kết hợp với nhau dựa trên nghiên cứu của Biot (1956) và Rice (1976). Dưới đây là các phương trình cấu tạo chất rắn và vận chuyển chất lỏng thể hiện mô hình biến dạng - khuếch tán của tính chất rỗng - đàn hồi.

σij, εij lần lượt là các yếu tố ứng suất và tỷ lệ biến dạng của đá (các chỉ số lặp đi lặp lại để tổng hợp), p là áp suất chất lưu. G và λ là module cắt và hàm số Lame, k là độ thấm và μ là độ nhớt chất lưu, α là hệ số Biot, δij là đenta toán tử Kronecker và t là thời gian. Một điều cần thiết nữa là các tính chất địa cơ học sử dụng được bổ sung với ước lượng độ thấm, phản ánh ảnh hưởng của các vết nứt tự nhiên cũng như bất kỳ đặc điểm địa chất nào khác có thể tăng khả năng liên thông giữa các giếng. Với độ thấm nền tảng này, áp lực cao tác động lên các vết nứt vỉa thủy lực để phá đá xung quanh có thể giảm bằng cách chuyển năng lượng nứt vỉa hướng vào một bồn chứa áp lực.

Đặc tính vật lý và ảnh hưởng của liên kết nứt vỉa khi kích thích đá

Quá trình nứt vỉa thủy lực có thể được xem như sự chuyển hóa năng lượng để tạo ra sự tiếp xúc bề mặt tối đa. Quá trình này có hiệu quả nếu năng lượng tạo nứt tập trung chủ yếu vào một loại đá có ứng suất chênh lệch thấp và độ giòn cao, kết nối với một hệ thống dày đặc các vết nứt tự nhiên, có thể cắt và nối vào các nứt vỉa thủy lực, làm tăng thêm tiếp xúc bề mặt với vỉa chứa. Điều kiện lý tưởng này sẽ bị hỏng nếu xảy ra rò rỉ ở đâu đó và một phần đáng kể năng lượng nứt vỉa sẽ bị phân tán vào những chỗ khác. Đây chính là liên kết nứt vỉa (frac hit). Khi có đoạn nối với độ thấm cao sẽ cung cấp phân tán năng lượng lớn, tạo ra sự phân bố lại ứng suất và áp suất lỗ rỗng trong quá trình nứt vỉa thủy lực, làm giảm hiệu quả nứt vỉa.

Hình 7 cho thấy sự tiến triển của áp lực lỗ rỗng trong quá trình nứt vỉa thủy lực theo thứ tự tại tất cả các giai đoạn của một giếng mới gần khu vực cạn kiệt. Giai đoạn 4 cho thấy một kết quả nứt vỉa, nơi liên thông trực tiếp được tạo ra sớm (bước 1650) và tiếp tục cho đến bước 4500, khi giai đoạn 4 của giếng cũ bắt đầu cho thấy sự gia tăng áp suất đáng chú ý, do năng lượng từ giếng nhỏ (mới) bị rò rỉ.

Sự kết hợp khi có vùng suy giảm áp suất và nứt vỉa tự nhiên dẫn đến sự phân bố phức tạp các áp lực như trong Hình 8 khi giếng mới cách giếng cũ 800ft.

Khi khoảng cách giữa giếng mới và giếng cũ tăng đến 1300ft (Hình 9), nứt vỉa biến mất và hoạt động bơm ở giai đoạn 4 sẽ kích thích xung quanh đá. Trong Hình 9, tại bước 2250, 2250 và 2850, các vết nứt tự nhiên gây ảnh hưởng đến sự phân bố áp suất lỗ rỗng do bơm ở các giai đoạn 5 và 6.

Kết luận

Để ngăn chặn liên kết nứt vỉa, mô hình khuếch tán biến dạng Biot của đặc tính kép rỗng

- đàn hồi trong phần mềm địa cơ học đã được sử dụng để mô tả lại tác động của khoảng cách giếng.

Một công thức bất đối xứng mới, nhanh và thiết thực của mô hình tam tuyến tính kết hợp với phương pháp khớp nhanh 3 chiều giúp dự đoán sự suy giảm áp lực và EUR hợp lý khi so sánh với các mô phỏng vỉa với các đặc tính vật lý đầy đủ. Mô hình địa cơ học về lan truyền nứt vỉa thủy lực trong sét kết nứt nẻ tự nhiên sử dụng sự suy giảm áp suất để giải thích hiện tượng phức tạp làm hạn chế hiệu quả kích thích đối với đá.

Cách tiếp cận mới cho phép mô phỏng đặc tính vật lý do suy giảm áp suất sinh ra cũng như sự tương tác của nó với các đặc điểm địa chất phức tạp như nứt vỉa tự nhiên, mà hướng của chúng có thể giúp tăng cường hoặc làm giảm tác động của các liên kết nứt vỉa.

pvn.vn