Large-Scale Three-Dimensional Geomechanical Modeling of Reservoirs: Examples from California and the Deepwater Gulf of Mexico

Modélisation géomécanique 3D à grande échelle de réservoirs : exemples en Californie et dans les eaux profondes du golfe du Mexique

Sandia National Laboratories

Corresponding author: fredrich@sandia. gov

Abstract

Cost-effective improvements in the technology needed to develop and manage reservoirs in challenging environments require an increase in our understanding of geomechanical behavior. The local stresses relevant to reservoir-scale processes are strongly affected by stratigraphic and structural features at that scale, and the relationship between hydrocarbon production and the mechanical behavior of the reservoir and/or overburden can be complicated and difficult to discern from field data directly. Numerical simulation provides a means to achieve critical insight into the behavior of complex geosystems and advance understanding of both the subsurface environment before drilling as well as the relationship between fluid flow and geomechanical behavior during production. This paper reviews our recent work aimed at utilizing large-scale geomechanical simulation as a reservoir management tool. We first describe the constitutive models developed specifically for two important classes of geomaterials that are implemented in the quasi-static largedeformation finite element code JAS3D that we use in our work. We then describe several field cases where we apply nonlinear finite element modeling to key problems in reservoir mechanics. The first field cases involve historical geomechanical simulations of primary and secondary recovery at the Belridge Diatomite and Lost Hills fields located in California's San Joaquin Valley. In this work, we apply nonlinear finite element modeling to investigate the causes of well casing damage experienced by the field operators and to identify mitigation strategies. Next, we describe an application that addresses potential well integrity issues associated with sub-salt and near-salt deepwater Gulf of Mexico reservoirs. In this work, we analyze hole closure behavior and quantify loading on casings for wells that penetrate thick salt formations to ensure that wells are designed to withstand salt loading over a service lifetime of 20-30 years. The field studies illustrate the difficult issues encountered in practical applications of large-scale three-dimensional nonlinear finite element geomechanical modeling and suggest areas where research advances could be beneficial. These areas include: development of solids models and finite element meshes from disparate geologic and/or numerical data, development of realistic constitutive models, robust and efficient implementation of these material models in finite element codes to achieve reasonable solution times, experimental rock mechanics data and the natural heterogeneity of geosystems, implementation of far-field (tectonic) stresses and stress initialization, and integration of geomechanical modeling results with other analysis tools.

Résumé

Toute amélioration rentable de la technologie nécessaire au développement et à la gestion des réservoirs dans un environnement difficile doit passer par une meilleure connaissance du comportement géomécanique. Les contraintes locales, ayant rapport aux procédés à l'échelle des réservoirs, sont fortement affectées par les caractéristiques stratigraphiques et structurales observées à cette échelle, d'autre part, la relation entre la production d'hydrocarbures et le comportement mécanique du réservoir et/ou du recouvrement peut se révéler complexe et difficile à discerner directement à partir des données de terrain. La simulation numérique est un outil qui permet d'obtenir un aperçu crucial du comportement des systèmes géologiques complexes et d'anticiper l'environnement en subsurface avant le forage ainsi que les relations entre les écoulements de fluide et le comportement géomécanique pendant la production. Dans cet article, les auteurs passent en revue leurs travaux récents dont l'objectif est d'utiliser la simulation géomécanique à grande échelle comme outil de gestion d'un réservoir. Ils décrivent tout d'abord les modèles constitutifs développés spécialement pour deux classes importantes de matériaux géologiques mis en Suvre dans l'élément fini de code JAS3D, quasi statique et à grande déformation, qu'ils utilisent pour leurs travaux. Ils décrivent ensuite plusieurs cas de gisements où ils appliquent la modélisation par éléments finis non linéaires à des problèmes clés de mécanique de réservoir. Les premiers cas pratiques portent sur la simulation géomécanique historique de récupération primaire et secondaire des gisements de diatomite de Belridge et Lost Hills situés dans la vallée de San Joaquin en Californie. Dans ces travaux, les auteurs ont recours à la modélisation paréléments finis non linéaires pour étudier les causes des dommages subis par les tubages de puits constatés par les opérateurs sur le terrain, ainsi que pour rechercher des stratégies permettant d'atténuer ces problèmes. Ils décrivent ensuite une application qui vise à résoudre les problèmes potentiels d'intégrité de puits associés à des réservoirs sous la formation salifère ou à sa proximité dans les eaux profondes du golfe du Mexique. Au cours de cette étude, ils analysent le comportement lors de la fermeture du trou et quantifient la charge sur les tubages des puits pénétrant des formations salifères épaisses pour s'assurer que les puits sont conçus pour résister à la charge du sel pendant une durée de vie opérationnelle de 20 à 30 ans. Les études de terrain illustrent les difficultés que l'on rencontre dans les applications pratiques de la modélisation géomécanique par éléments finis non linéaires 3D à grande échelle et suggèrent des domaines où l'avancement des recherches serait bénéfique. Ces domaines incluent : le développement de modèles de solides et de maillages d'éléments finis à partir de données numériques et/ou géologiques disparates, le développement de modèles constitutifs réalistes, la mise en application robuste et efficace de ces modèles matériels en codes d'éléments finis pour arriver à des temps de solution raisonnables, les données expérimentales de mécanique des roches et l'hétérogénéité naturelle des systèmes géologiques, la mise en Suvre des contraintes de champ lointain (tectonique) et l'initialisation des contraintes et, enfin, l'intégration des résultats de la modélisation géomécanique à d'autres outils d'analyse.