Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu các bước xác định ứng suất tại chỗ (ứng suất đứng, ứng suất ngang lớn nhất, ứng suất ngang nhỏ nhất và áp suất lỗ rỗng); tính chất cơ học đá (module đàn hồi, hệ số P[r]
(1)30 DẦU KHÍ- SỐ 2/2020 THĂM DỊ - KHAI THÁCDẦU KHÍ
2 Cơ sở lý thuyết
2.1 Các loại ứng suất đất đá
2.1.1 Ứng suất thẳng đứng (Sv)
Ứng suất thẳng đứng tạo trọng lượng lớp phủ bên tính thơng qua mối liên hệ với tỷ trọng đất đá theo chiều sâu theo cơng thức [1]:
Trong khu vực ngồi biển cơng thức tính thêm độ sâu đáy biển [1]:
Trong đó:
h: Chiều sâu thẳng đứng;
ρ(h): Hàm tỷ trọng đất đá theo độ sâu; g: Gia tốc trọng trường;
hw: Chiều sâu cột nước; ρw: Tỷ trọng nước biển
2.1.2 Áp suất lỗ rỗng (Pp)
Trong vỉa tồn áp suất chất lưu gọi áp suất
Ngày nhận bài: 21/10/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 21/10 - 23/12/2019 Ngày báo duyệt đăng: 15/1/2020.
ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ HỌC VÀ ỨNG SUẤT TỚI HẠN XÁC ĐỊNH HƯỚNG KHE NỨT MỞ TRONG ĐÁ MÓNG
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số - 2020, trang 30 - 37 ISSN-0866-854X
Tạ Quốc Dũng1, Phạm Trí Dũng2, Lê Thế Hà3, Nguyễn Văn Thuận4
1Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh
2Cơng ty Liên doanh điều hành Dầu khí Cửu Long 3Tập đồn Dầu khí Việt Nam
4Đại học Chulalongkorn Email: tqdung@hcmut.edu.vn
Tóm tắt
Bài viết giới thiệu bước xác định ứng suất chỗ (ứng suất đứng, ứng suất ngang lớn nhất, ứng suất ngang nhỏ áp suất lỗ rỗng); tính chất học đá (module đàn hồi, hệ số Poisson, độ bền nén trục độ bền kéo) để xây dựng mơ hình địa học 1D giếng khoan cách sử dụng liệu khác logs thông số khoan Tiếp theo, lý thuyết ứng suất tới hạn sử dụng để xác định khe nứt tới hạn có khả khe nứt mở cho sản lượng dầu tốt Sau đó, mật độ hướng nứt nẻ sử dụng để thiết kế mục tiêu quỹ đạo giếng khoan trong tầng chứa đá granite.
Từ khóa: Địa học, khe nứt mở, đá móng, ứng suất, tính chất học đá.
1 Giới thiệu
Mô hình địa học mơ hình bao gồm thông số liên quan đến trạng thái ứng suất (ứng suất thẳng đứng, ứng suất ngang lớn nhất, ứng suất ngang nhỏ nhất, áp suất lỗ rỗng) thông số lý đất đá (hệ số đàn hồi Young, hệ số Poisson, độ bền nén đơn trục, độ bền kéo)
Việc xây dựng mơ hình địa học quan trọng mơ hình ứng dụng cho nhiều cơng việc khác nhau: tính tốn ổn định giếng khoan, kiểm soát sinh cát, dự đoán hiệu phương pháp kích thích vỉa, dự đốn hướng khe nứt mở
Các số liệu cần thiết để xây dựng mơ hình địa học bao gồm số liệu đo log (sonic, điện trở, gamma ray…), thí nghiệm trường (thí nghiệm LOT, thí nghiệm áp suất lỗ rỗng…), thông tin địa chất (loại đứt gãy, độ thấm, hệ số skin…) Để tăng độ xác mơ hình địa học, cần thiết phải thu thập tối đa thơng tin từ liệu có sẵn
Nghiên cứu ứng dụng thơng số mơ hình địa học để tính tốn trường ứng suất chỗ tác dụng lên khe nứt từ kết luận trạng thái đóng hay mở khe nứt dựa vào lý thuyết ứng suất tới hạn
× × ×
× ×
× × ×
(1)
× × ×
× ×
× ×
(2)31
DẦU KHÍ- SỐ 2/2020 PETROVIETNAM
lỗ rỗng Áp suất làm cho chất lưu chảy từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp Như q trình khoan, áp suất giếng nhỏ so với áp suất lỗ rỗng, chất lưu giếng chảy vào giếng gây nên tượng kick ngược lại áp suất giếng lớn áp suất lỗ rỗng, dung dịch khoan vào thành hệ gây nên tượng dung dịch Vì vậy, việc xác định áp suất lỗ rỗng áp suất chất lưu lỗ rỗng cần thiết cho việc thiết kế công tác khoan [1]
Trong điều kiện thủy tĩnh, áp suất lỗ rỗng Pp tính theo cơng thức:
Trong đó:
H: Chiều sâu điểm khảo sát;
ρf(h): Khối lượng riêng chất lưu thành hệ độ sâu dh tương ứng
2.1.3 Ứng suất ngang nhỏ (Shmin)
Từ tài liệu áp suất đóng kín khe nứt (bằng cường độ ứng suất ngang cực tiểu) để xác định hướng khe nứt từ suy đốn hướng Shmin (có hướng vng góc với khe nứt phát triển q trình khoan [2] Có thể dễ dàng xác định hướng ứng suất thơng qua log hình ảnh tượng breakout giếng khoan, hướng Shmin vng góc với hướng phát triển breakout Độ lớn ứng suất ngang nhỏ xác định từ phương pháp: leak off test (LOT), extended leak off test (XLOT) minifracture tests Các giá trị từ thí nghiệm dùng để hiệu chỉnh kiểm tra lại kết tính tốn từ tài liệu địa vật lý giếng khoan [3, 4]
Giá trị Shmin xác định xác từ thí nghiệm minifracs Vì giếng có tài liệu formation integrity test (FIT) nên lấy giá trị làm điểm hiệu chỉnh cho kết Shmin
2.1.4 Ứng suất ngang lớn (SHmax)
Hướng ứng suất ngang lớn có phương vng góc với ứng suất ngang nhỏ xác định từ log hình ảnh [2] Có thể xác định độ lớn ứng suất lớn cách gián tiếp thông qua thí nghiệm LOT, XLOT, mini-fract test Ngồi ra, giá trị SHmax cho toàn giếng xác định qua cơng thức [3, 4]:
Trong đó:
SHmax: Ứng suất ngang lớn (psi); Shmin: Ứng suất ngang nhỏ (psi); ν: Hệ số Poisson;
α: Hệ số Biot;
Pp: Áp suất lỗ rỗng (psi); E: Young modulus (psi); Sv: Ứng suất thẳng đứng (psi);
εx: Biến dạng kiến tạo theo phương SHmax; εy: Biến dạng kiến tạo theo phương Shmin
Các giá trị hiệu chỉnh SHmax xác định vị trí có tượng breakout thơng qua tiêu chuẩn Morh-Coulomb, UCS hàm ứng suất hiệu dụng nhỏ (σε
3)
(Hình 2) SHmax tính theo cơng thức [1, 3]:
Trong đó:
q: Thành phần góc ma sát trong,
( )
min 1 1 2 1 2
v E vE
S P S P
v v v
− = − + +
( )
max 1 1 2 1 2
H p v v p E y vE x
S P S P
v v v
α α ε ε
− − −
( ) min( )
max
1 2cos(2 ) 1 2cos(2 )
H b S w = +
( )2
2 1
q µ µ
wb: Bề rộng breakout (deg);
Pw: Tỷ trọng mùn khoan tương đương vị trí breakout (ppg, psi)
Các giá trị εx εy xác định dựa vào vị trí có giá trị SHmax Shmin từ tài liệu ảnh giếng khoan (breakout) thí nghiệm (LOT, XLOT, FIT minifracs) Đồng thời, kết hợp với thông số địa học (Biot, Poisson, Young modulus UCS), ứng suất thẳng đứng áp suất lỗ rỗng, giá trị SHmax Shmin cho toàn giếng xác định qua công thức (4) (5)
2.2 Ứng suất tới hạn tác dụng lên khe nứt
Trong không gian chiều, cần xác định mối quan hệ hướng ứng suất (S1, S2, S3) với góc phương vị góc dốc khe nứt (Hình 1) Trong Hình 1, góc αx, αy αz góc pháp tuyến mặt khe nứt (mũi tên đỏ) ứng suất S1, S2 S3 Các hướng ứng suất có quan hệ với theo hệ phương trình:
× × × × × × × × ( )
min 1 1 2 1 2
v E vE
S P S P
v v v
− = − + +
( )
max 1 1 2 1 2
H p v v p E y vE x
S P S P
v v v
α α ε ε
− − −
( ) min( )
max
1 2cos(2 ) 1 2cos(2 )
H b S w = +
( )2
2 1
q µ µ
( )
min 1 1 2 1 2
v E vE
S P S P
v v v
− = − + +
( )
max 1 1 2 1 2
H p v v p E y vE x
S P S P
v v v
α α ε ε
− − −
( ) min( )
max
1 2cos(2 ) 1 2cos(2 )
H b S w = +
( )2
2 1
q µ µ
( ) ( )
cos x OD ;cos 90 z OC ;cos OD
OB OB OC
= − = − =
( ) ( )
cos y OH ;cos 90 z OC ;cos ( 90) OH
OB OB OC
= − = − − = × × → (3) (4) (6) (7) ( )
min 1 1 2 1 2
v E vE
S P S P
v v v
− = − + +
( )
max 1 1 2 1 2
H p v v p E y vE x
S P S P
v v v
α α ε ε
− − −
( ) min( )
max
1 2cos(2 ) 1 2cos(2 )
H b S w = +
( )2
2 1
q µ µ
(3)32 DẦU KHÍ- SỐ 2/2020 THĂM DỊ - KHAI THÁCDẦU KHÍ
Hình Vị trí ứng suất S1, S2, S3 so với mặt phẳng khe nứt AGFE
Hình Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb với ứng suất ranh giới phá hủy [4]
( ) ( )
cos x OD;cos 90 z OC ;cos OD
OB OB OC
= − = − =
( ) ( )
cos y OH ;cos 90 z OC ;cos ( 90) OH
OB OB OC
= − = − − =
×
× →
→
(8)
Trong đó:
OB: Vector pháp tuyến với mặt phẳng khe nứt; αx: Góc vector pháp tuyến S3;
αy: Góc vector pháp tuyến S2;
αz: Góc dốc (góc vector pháp tuyến S1); δ: Góc phương vị hướng dốc;
ε: Góc phương vị S3
Ứng suất tới hạn mặt phẳng khe nứt tính sau [5, 6]:
Trong đó:
σ: Ứng suất pháp tuyến với mặt phẳng khe nứt; τ: Ứng suất tiếp tuyến mặt phẳng khe nứt; σ1: Ứng suất đứng chỗ (In-situ vertical stress);
σ2: Ứng suất ngang lớn chỗ (Insitu maximum horizontal stress);
σ3: Ứng suất ngang nhỏ chỗ (Insitu minimum horizontal stress);
l1, l2, l3: Lần lượt giá trị cosin αx, αy, αz; ε: Góc phương vị S3
Ứng suất hiệu dụng:
Trong đó:
σe: Ứng suất pháp tới hạn hiệu dụng;
σ: Ứng suất pháp tới hạn tổng; Pp: Áp suất lỗ rỗng (áp suất vỉa); α: Hệ số Biot
Hệ số ma sát:
Thông thường, hệ số ma sát tới hạn cho đá móng granite lấy μ = 0,6 [7] xảy trường hợp:
μ < 0,6: Ứng suất chưa tới hạn, không xảy trượt mặt khe nứt (Hình - mode 1, vùng màu xanh)
μ ≥ 0,6: Ứng suất tới hạn, xảy trượt mặt khe nứt (Hình - mode mode 3, vùng màu đỏ)
2.3 Các thông số lý đá
2.3.1 Lực cố kết (So)
Lực cố kết liên quan tới lực liên kết phân tử đất đá Nó thể kết dính phần tử đất đá So ứng suất tiếp lớn đất đá chịu đựng mà không xảy biến đàn hồi Lực cố kết định nghĩa công thức [2, 6]:
2 2 2
1 1 2 2 3 3
l l l
σ= σ + σ + σ
2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 3 3
l l l
τ = σ + σ + σ −σ
2 2 2
1 1 2 2 3 3
l l l
σ= σ + σ + σ
2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 3 3
l l l
τ = σ + σ + σ −σ (10)
(9)
e
p
P σ = −σ α
e
τ µ
σ =
(11)
e
p
P σ = −σ α
e
τ µ
σ
= (12)
0 max 1 (2 1 3)
1 sin 2
1 sin
e e UCS
S τ σ σ
φ φ + −
(4)PETROVIETNAM
Trong đó:
σ1e: Ứng suất hiệu dụng lớn nhất;
σ3e: Ứng suất hiệu dụng nhỏ nhất.
2.3.2 Góc ma sát (ϕ)
Góc ma sát thể khả đơn vị đất đá chống lại ứng suất cắt tác dụng lên Dựa vào vịng trịn Mohr ta có góc ma sát định nghĩa [7]:
Trong đó: µ: Hệ số góc ma sát trong, tính [8]:
|τ| = S0 + μσ'.
Hệ số ma sát (µ) loại thành hệ có quan hệ với liệu vận tốc - Vp (km/s) Trong đó, cơng thức (15) cho thành hệ sét (shale) công thức (16) cho thành hệ sét kết (mudstone), công thức (17) dùng thành hệ cát kết (sandstone) theo [9], sau:
=
| | = +
=1,2 −1
+1
= −1
+1
=1,1 18.532
,
180
Thành hệ sét
=
| | = +
=1,2 −1
+1
= −1
+1
=1,1 18.532
,
180
Thành hệ sét kết
=
| | = +
=1,2 −1
+1
= −1
+1
=1,1 18.532
,
180 Thành hệ cát kết
2.3.3 Độ bền nén đơn trục (UCS)
UCS xác định nén đất đá theo chiều thẳng đứng bị phá hủy Giá trị UCS tính lực nén (F) đơn vị diện tích (A) [6]:
Thể tính UCS dựa vào vịng trịn Mohr tính theo cơng thức:
Ngồi ra, UCS tính dựa liệu log [2, 5]:
( ) =1,35 ,
( ) =10 ,
( ) =4,66 ,
( ) =60.000 ,
Thành hệ sét
( ) =1,35 ,
( ) =10 ,
( ) =4,66 ,
( ) =60.000 ,
Thành hệ cát kết
( ) =1,35 ,
( ) =10 ,
( ) =4,66 ,
( ) =60.000 ,
Thành hệ sét kết
( ) =1,35 ,
( ) =10 ,
( ) =4,66 ,
( ) =60.000 , Đá móng
Trong đó:
Vp: Vận tốc sóng nén (compressional velocity) (km/s); DTC: Thời khoảng truyền sóng nén (compressional transmit time) (μs/ft);
E: Young modulus (psi)
2.3.4 Độ bền kéo đất đá (T)
Thông số thể khả lớn đất đá chống lại lực kéo căng từ bên ngồi mà khơng bị nứt gãy tách Đất đá thường có độ bền kéo thấp vài KPa nhỏ hơn, song giá trị tuyệt đối xấp xỉ 10% UCS Để thuận tiện tính tốn khả phá hủy, lấy độ bền kéo đất đá [6]
2.3.5 Hệ số Poisson (v)
Giá trị thơng số quan trọng tính tốn học thành hệ Ngoài ra, giá trị biểu thị xu hướng nén lại hay kéo giãn Khi mẫu vật liệu bị nén (kéo) theo phương mẫu có xu hướng co lại (giãn ra) theo phương vng góc với phương tác dụng lực có trường hợp vật liệu giãn kéo co lại nén hệ số Poisson âm Hệ số tăng áp suất lỗ rỗng tăng cường độ kháng nén hay kháng kéo khối lượng riêng giảm Tính tốn liệu log [9]:
Trong đó:
DTS: Thời khoảng truyền sóng cắt (shear transmit time) (μs/ft);
DTC: Thời khoảng truyền sóng nén (compressional transmit time) (μs/ft)
2.3.6 Hệ số Biot (α)
αlà hệ số khơng thứ ngun, sử dụng để tính toán số đại lượng ứng suất (như ứng suất hiệu dụng, ứng suất ngang…) Hệ số Biot tính tốn theo cơng thức sau [6]:
Trong đó:
Cb = 1/K: Độ nén khối đá bị lấp đầy chất lưu lỗ rỗng K module khối;
Cr = 1/Km: Độ nén khối khung đá Km module khối khung đá
=
| | = +
=1,2 −1
+1
= −1
+1
=1,1 18.532
, 180 (14) (15) (16) (24) (25) (17) =
=2 =2 (
2+45 )
(18)
=
=2 =2 (2+45 ) (19)
(20)
(21)
(22)
(23)
=0
,5( ) −
( ) −
=
α = - cr b
(5)34 DẦU KHÍ- SỐ 2/2020 THĂM DỊ - KHAI THÁCDẦU KHÍ
Hình Dữ liệu đầu vào cho tính tốn mơ hình địa học giếng X (GR: Gamma ray, CALI: Đường kính giếng khoan, RHOB: Tỷ trọng đất đá, VShale: Thể tích sét, Por-De Por-So: Độ rỗng tính theo tỷ trọng vận tốc, DTC: Thời khoảng truyền sóng nén,
và Rt: điện trở sâu thành hệ).
Hình (a) Mơ hình địa học 1D Từ kết quả, giếng nằm vùng đứt gãy trượt (Strike-Slip regime) Áp suất lỗ rỗng tăng có dị thường tầng móng Shmin hiệu chỉnh với điểm đo FIT, SHmax hiệu chỉnh từ mô thông qua DITF Breakout (b) Các thơng số tính chất học đất đá Độ bền đá (UCS) tăng đáng kể móng từ 2.600 - 3.000 mTVD.
=0.5( ) −
( ) −
=
= (3 − )
( − )
2.3.7 Module Young (E)
E mối quan hệ ứng suất α biến dạng α theo định luật Hooke thể qua phương trình [6]:
E thường dùng để tính tốn thay đổi hướng vật liệu tán dụng nén ép hay căng giãn Có thể xác định E thông qua công thức [9]:
3 Xây dựng mô hình địa học cho giếng khoan
Xây dựng mơ hình địa học cho giếng khoan bao gồm tính tốn thơng số đất đá trường ứng suất Dữ liệu đầu vào kết tính tốn thơng số đất đá trường ứng suất trình bày Hình - Trong đó, DTS tính theo mối tương quan Vs - Vp [9]
(26)
(6)PETROVIETNAM
4 Xác định trạng thái hoạt động khe nứt hướng khe nứt mở đá móng
Phân tích khe nứt ứng suất tới hạn giếng khoan qua đá móng cách áp dụng lý thuyết ứng suất tới hạn mơ hình địa học với hệ số ma sát cho giới hạn phân loại khe nứt μ = 0,6 (Hình 6) Đá granite chưa có khe nứt (intact granite) có tính chất poroelastic thấp khơng có ảnh hưởng áp suất lỗ rỗng dẫn đến hệ số Poisson ma sát thay đổi theo thạch học Tuy nhiên, đá móng nứt nẻ lấp đầy chất lưu chịu áp suất lỗ rỗng (không bị xi măng lấp vào khe nứt) hệ số gần số
Kết Hình 6c cho thấy có điểm nằm đường bao phá hủy thể cho khe nứt ứng suất tới hạn (điểm màu đỏ), ngược lại điểm đường bao phá hủy thể cho khe nứt đóng (điểm màu đen)
Bốn phương khe nứt ứng suất tới hạn thể
hiện Hình 6b (điểm màu trắng), chia thành hướng chính: (1) hướng khe nứt ứng suất tới hạn có strike gần Bắc Nam độ dốc hướng phía Đơng Tây với gốc dốc ~75o; (2) hướng khe nứt ứng suất tới hạn
có strike theo hướng Tây Tây Bắc - Đông Đông Nam dốc theo hướng Bắc Đông Bắc Nam Tây Nam với gốc dốc ~75o (điểm màu đỏ Hình 6a).
5 Kết luận
Thành phần thạch học chủ yếu cát sét xen kẹp (cát chủ yếu) từ đáy biển hết tập C Từ đỉnh tập D tập sét dày đóng vai trị tầng chắn cho vỉa dầu tầng móng (basement) Áp suất lỗ rỗng áp suất thủy tĩnh từ đáy biển đến tập D, bắt đầu dị thường đạt giá trị lớn khoảng 9,6ppg đến hết tầng móng
Kết nghiên cứu mơ hình địa học cho thấy vị trí nghiên cứu nằm vùng đứt gãy trượt (SHmax > SV > Shmin) với SHmax = (1,05 - 1,1)Shmin, phương SHmax
(7)36 DẦU KHÍ- SỐ 2/2020 THĂM DỊ - KHAI THÁCDẦU KHÍ
Hình 6. Kết tính tốn khe ứng suất tới hạn giếng X tầng đá móng (a) Khe nứt ứng suất tới hạn thể điểm đỏ có góc dốc gần 75o (b) Biểu đổ steronet thể
đường phương (strike) khe nứt ứng suất tới hạn (điểm màu trắng) Bắc - Nam hay Tây Tây Bắc - Đông Đông Nam (c) Các giá trị khe nứt ứng suất tới hạn (điểm đỏ) biểu đổ 3D Morh-Coulomb với μ = 0,6.
phương Bắc Tây Bắc - Nam Đông Nam (150o hay 330o) Độ
lớn ứng suất ngang tính tốn dựa vào DITFs Breakout sử dụng đa giác ứng suất
Từ kết thông số học đá, UCS từ 1.000 - 10.000psi trầm tích, tăng đáng kể lên đến 24.000 - 27.000psi đá móng
Các chứng từ phân tích khe nứt ứng suất tới hạn móng cho thấy khe nứt bị xi măng hóa khơng thấm khơng chịu ảnh hưởng cắt ứng suất tác dụng lên Tuy nhiên, đá móng khe nứt ứng suất tới hạn tồn có liên kết thủy lực chúng chịu áp suất lỗ rỗng cao
Có hướng khe nứt ứng suất tới hạn: (1) hướng strike Bắc - Nam dốc theo hướng Đông Tây với góc dốc gần 75o; (2) hướng strike Tây Tây Bắc - Đông
Đông Nam dốc theo hướng Bắc Đông Bắc Nam Tây Nam với góc dốc ~75o.
Quỹ đạo giếng khoan nên qua nhiều khe nứt ứng suất tới hạn có góc nghiêng lớn (~75o) với hướng Đông Tây
hoặc Đông Bắc - Tây Nam
Tài liệu tham khảo
1 Mark D.Zoback Reservoir geomechanics
Cambridge University Press 2014
2 M.Zoback, C.Barton, M.Brudy, D.Castillo, T.Finkbeiner, B.Grollimund, D.Moos, P.Peska, C.Ward, D.Wiprut Determination of stress orientation and magnitude in deep wells. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 2003; 4(7 - 8): p 1049 - 1076