Особенности секторного моделирования элементов площадных систем разработки при неопределенном азимуте трещин гидроразрыва пласта

Воронин Д.А.

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Статья посвящена контролю разработки неоднородных по толщине нефтенасыщенных коллекторов низкой проницаемости, вскрываемых горизонтальными скважинами с многостадийным гидроразрывом
пласта (МГРП). Продуктивность таких пластов различается по разрезу месторождения из-за значительной вариабельности фильтрационных свойств пористой среды по толщине и простиранию. Для эффективной разработки запасов необходимо оценить степень неоднородности коллектора и идентифицировать зоны с повышенной продуктивностью. Значительные возможности для решения этой задачи предоставляют гидродинамические исследования скважин (ГДИС). Для обоснования результативности ГДИС в условиях вскрытия неоднородного коллектора горизонтальным стволом с МГРП, при наличии в разрезе высокопроницаемых прослоев, применялось численное моделирование в программном комплексе tNavigator. В результате обоснована возможность выявления прослоев на основе диагностики режима раннего псевдорадиального течения, возникающего вследствие интенсивной фильтрации нефти по коллектору с аномально высокой проницаемостью.

Введение

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) — это технология увеличения добычи нефти или газа из подземных пластов путем создания трещин в породе, через которые углеводороды легче поступают в скважину.
Эта технология особенно эффективна в случае плотных, низкопроницаемых пород, где традиционные методы добычи неэффективны. Гидроразрыв позволяет значительно увеличить добычу углеводородов из таких месторождений.
Многостадийный гидроразрыв пласта (МГРП) — это технология создания более чем одной трещины в горизонтальных скважинах. Данная технология широко применяется в низкопроницаемых коллекторах. Ее активному развитию и применению в современных условиях способствует массовый запуск в работу промысловых объектов с крайне низкой проницаемостью, включая сланцевые пласты [3].
Высокая результативность гидродинамических исследований (ГДИС) горизонтальных скважин с МГРП связана со следующими аспектами:
  1. Определение параметров пласта: ГДИС [1] позволяют оценить такие характеристики, как проницаемость коллектора, полудлина и количество работающих трещин, а также численное значение скин-фактора. Это помогает лучше понять геологические особенности пласта и его добычной потенциал.
  2. Анализ взаимодействия между скважиной и пластом: исследование динамики изменения давления и дебита во время эксплуатации скважины дает возможность оценить эффективность каждой стадии ГРП. Это позволяет определить, какие участки пласта наиболее продуктивны и требуют дополнительного внимания.
  3. Оптимизация разработки месторождения: результаты ГДИС используются для выбора лучшей стратегии разработки участка. Например, они могут показать, стоит ли проводить дополнительные операции ГРП или изменить режим работы скважины для улучшения показателей добычи.
  4. Мониторинг состояния скважины: регулярные ГДИС [5] помогают отслеживать изменение характеристик пласта и самой скважины со временем. Это важно для своевременного выявления проблем, таких как снижение проницаемости, и принятия мер по их устранению.
  5. Прогнозирование будущих показателей: на основе данных ГДИС строятся модели, позволяющие прогнозировать поведение скважины в будущем. Это полезно для планирования дальнейших операций и оценки экономической целесообразности проекта.

Классическая задача ГДИС

в горизонтальной скважине с МГРП

Классическая модель ГДИС вскрытия продуктивного пласта горизонтальной скважиной с многостадийным ГРП предполагает, что пласт однороден по проницаемости, его подошва и кровля — плоские горизонтальные поверхности. Принимается также, что трещины гидроразрыва ориентированы вертикально, вскрывают пласт по всей толщине, имеют одинаковую длину и равномерно распределены по стволу [7].
В этом случае по результатам ГДИС можно наблюдать последовательную смену режимов течения, отличающихся симметрией линий тока в коллекторе (рис. 1):
• ранний линейный режим к каждой трещине;
• ранний радиальный режим притока к каждой трещине;
• поздний линейный режим течения — ко всей скважине;
• поздний радиальный режим течения — ко всей скважине.
Рис. 1. Log-log диагностика режимов течения в скважине с МГРП при расстоянии между трещинами существенно больше их полудлины
В случае если полудлина трещины больше или равна расстоянию между трещинами, не будет наблюдаться ранний радиальный режим течения (рис. 2). В этом случает список режимов будет следующим:
• линейный режим притока к трещине;
• режим истощения;
• поздний линейный режим течения — ко всей скважине;
• поздний радиальный режим течения — ко всей скважине.
Рис. 2. Log-log диагностика режимов течения в скважине с МГРП при расстоянии между трещинами сравнимом или существенно меньше, чем их полудлина

Описание задачи

Предпосылкой усложнения классической модели ГДИС для горизонтальных скважин с МГРП [4] явилось большое количество объектов, где результаты гидродинамических исследований существенно отличаются от традиционных. На диагностических графиках уверенно прослеживается полка раннего радиального течения в нехарактерное время и с нехарактерной проницаемостью (рис. 3).
Рис. 3. Пример ГДИС реального объекта, на котором есть нехарактерный ранний радиальный режим течения
Причем исследуемые коллекторы характеризуются ярко выраженной
неоднородностью [2], в том числе наличием в работающей толще ориентированного по простиранию коллектора слоя с аномально высокой проницаемостью [6].
Для того чтобы оценить степень влияния этого фактора на результаты ГДИС, автором было выполнено моделирование поля давления для рассматриваемого случая в программном комплексе tNavigator.
Согласно усложненной модели (рис. 3), пласт представляет собой двуслойную среду, ограниченную горизонтальными плоскостями кровли и подошвы. Она состоит из однородного пористого вмещающего пласта толщиной hвм пористости Kвм проницаемости kвм, включающего слой аномально высокой проницаемости толщины hск пористостью Kск и проницаемостью kск >> kвм. Окружающие породы непроницаемы.
Рис. 4. Изображение модели с горизонтальной скважиной, трещинами и суперколлектором. hск, hвм — толщины высокопроницаемого прослоя и вмещающего коллектора, kск, kвм — их проницаемости, hтр — высота трещины,
kтр — проницаемость полости трещины, Lтр — полудлина трещины, xтр — ширина трещины, Lств — длина горизонтальной части ствола. Моделирование выполнено при следующих значениях исходных параметров: hвм = 17,5 м, hск = 2,5 м, kвм = 0,01 мД, kск = 1–20 мД,
Lств = 300 м, расстояние между трещинами в кластере 10 м, между кластерами — 20 м
Скважинный ствол — это вертикальная цилиндрическая полость с круглым поперечным сечением радиусом rc.
Каждая трещина — узкий высокопроводящий канал высотой hтр и полудлиной Lтр, имеющий ширину xтр. Она расположена симметрично относительно оси скважины и пересекает весь пласт по высоте. Полость трещины заполнена пористой средой с параметрами проницаемости kтр >> kвм, kск.
В начальный момент времени (t = 0) давление Pпл=const одинаково во всех точках пласта
и полостях трещин, изменения по высоте пласта не учитываются.
Для серии расчетов на модели в программе tNavigator коллектор представлял собой пласт толщиной 20 м проницаемостью 0,01 мД с наличием 2,5 м суперколлектора, проницаемостями
от 1 до 20 мД.
На рисунке 5 сопоставлены log-log графики для случая однородного пласта проницаемостью
0,01 мД и для пласта, осложненного суперколлектором, проницаемостью 20 мД.
Можем наблюдать, что в первом случае в соответствии с классическими представлениями сначала ранний линейный режим переходит в режим истощения, после чего наблюдается позднее линейное течение.
В то время как при наличии высокопроницаемого прослоя после раннего линейного течения наблюдается псевдорадиальный режим, которого, согласно традиционным представлениям, быть не должно, так как в рассматриваемом случае полудлина трещин много больше, чем расстояние между ними.
Псевдорадиальный режим в данном случае связан с доминированием работы суперколлектора, которое экранирует влияние притока из вмещающей толщи с существенно меньшей проницаемостью.
Важно отметить, что, в отличие от классической модели ГДИС горизонтальной скважины с МГРП, псевдорадиальное течение обусловлено не локальным притоком из суперколлектора к каждой из трещин, а дренированием системы трещин в целом.
Рис. 5. Сопоставление диагностических log-log графиков в случае вскрытия однородного пласта и пласта, осложненного суперколлектором
Далее была проведена серия расчетов с различной проницаемостью суперколлектора. Графики представлены на рисунке 6.
Рис. 6. Log-log графики для разной проницаемости суперколлектора
Каждому из вариантов расчета соответствует своя «полка» псевдорадиального режима течения.
Соответствующая ей проводимость пластовой системы представляет собой сумму проводимостей работающих совместно высокопроницаемого простоя и вмещающего коллектора (1):
Формула была подтверждена расчетом, при котором названные проводимости высоки и сравнимы друг с другом. По расчету была получена сумма проводимостей при интерпретации ГДИС. Графики представлены на рисунке 7.
Рис. 7. График log-log для случая с соизмеримыми проводимостями суперколлектора и вмещающей породы. Расчеты выполнены при следующих значениях исходных параметров: kск = 100 мД, kвм = 10 мД. Остальные параметры приняты аналогично рисунку 4
В рассматриваемой реальной ситуации, когда проводимость суперколлектора аномально высока, справедлива приближенная формула (2):
Эта формула (2) соответствует случаю, когда влияние суперколлектора на дебит скважины преобладает. Если это не так, то ее формальное использование приводит к ошибке.
Данный вывод иллюстрируется таблицей 1, где проводимость по результатам ГДИС сравнивается
с ее исходными значениями, задаваемыми в модели.
Табл. 1. Сопоставление результатов по ГДИС
с фактическими данными, заложенными в модель
Можем сделать вывод, что по ГДИС можно не только определять наличие суперколлектора, но и оценивать его проводимость.
Подчеркнем, что в реальных условиях псевдорадиальный режим можно увидеть только в случае высокой суммарной проводимости вскрытой толщи пласта, то есть только при аномально высокой проницаемости суперколлектора. Таким образом, наличие псевдорадиального режима в рассматриваемых условиях будет свидетельствовать о наличии и преобладающем влиянии суперколлектора.
Также была проведена серия расчетов на чувствительность расстояния от скважины до суперколлектора (рис. 8). Отсутствие существенного влияния позволяет сделать вывод о невозможности определения расположения суперколлектора по глубине (при условии полного вскрытия пласта трещинами).
Рис. 8. Сравнение вариантов с разным расстоянием до суперколлектора
Псевдорадиальный режим может быть связан не только с наличием суперколлектора,
но и с классическим случаем, когда пласт однороден по проницаемости, но расстояние между трещинами много больше их длины. Для того чтобы понять, можно ли отличить по результатам ГДИС перечисленные ситуации, была решена следующая задача:
• число трещин уменьшено до трех;
• расстояние между трещинами много больше их длины;
• на расстоянии 5 метров от ствола горизонтальной скважины находится вскрываемый трещинами суперколлектор.
В результате моделирования установлено, что в рассматриваемом случае диагностируются типичные для горизонтальных стволов с многостадийным ГРП ранние режимы течения сначала с линейной, а затем с псевдорадиальной симметрией, связанные с локальным притоком к каждой трещине. Данные режимы со временем закономерно сменяют поздние линейное и псевдорадиальное течения ко всем трещинам в целом (рис. 9).
Рис. 9. График для модели с тремя трещинами на большом расстоянии друг от друга при наличии суперколлектора
В нашей ситуации, в отличие от только что описанной классической, поведение давления в течение всего периода гидродинамических исследований в первую очередь определяет преобладающая выработка трещинами суперколлектора. Влияние притока из толщи коллектора низкой проницаемости на этом фоне выявить практически невозможно.
Из-за высокой проницаемости суперколлектора продолжительность раннего радиального течения очень мала. Его быстро сменяет позднее линейное течение в суперколлекторе, которое экранирует влияние радиального притока к трещинам во вмещающем низкопроницаемом пласте.
Позднее псевдорадиальное течение, связанное с дренированием суперколлектора системой трещин, в целом и в данном случае выражено наиболее контрастно.
Таким образом, даже при большом расстоянии между трещинами мы можем использовать поздний радиальный режим для идентификации высокопроницаемого пропластка и определения его гидропроводности.
Основной вывод — изменение давления, связанное с дренированием вмещающих пород, пренебрежимо мало вследствие сильного экранирующего влияния притока из суперколлектора.
Идентифицировать, какой перед нами режим — псевдорадиальный, связанный с суперколлектором, или ранний радиальный, связанный с большим расстоянием между работающими трещинами, можно по следующим признакам:
• ранний радиальный режим вокруг отдельных трещин не может наблюдаться, если расстояние между портами ГРП меньше полудлины трещин;
• аномально высокая продуктивность скважины;
• слишком долгое фонтанирование скважины в низкопроницаемом коллекторе;
• быстрое обводнение скважин от ППД в этой зоне;
• нехарактерная проводимость полки раннего радиального течения для раннего режима вокруг каждой трещины.
Воронин Д.А.

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва, Россия

dimavoronin281@gmail.com
Численное моделирование динамики давления и дебита, использованное для оценки информативности ГДИС, выполнено в программе tNavigator (разработка компании «Рок Флоу Динамикс»). Для визуализации и интерпретации результатов ГДИС использовалась программа Saphir фирмы KAPPA Engineering.
контроль разработки месторождений нефти и газа, многостадийный гидроразрыв пласта, гидродинамические исследования скважин, ранний радиальный режим, неоднородный коллектор
Воронин Д.А. Особенности ГДИС в сильно неоднородном по фильтрационно-емкостным свойствам коллекторе при вскрытии пластов горизонтальными скважинами с многостадийным ГРП // Экспозиция Нефть Газ. 2025. № 4. С. 46–50. DOI: 10.24412/2076-6785-2025-4-46-50
08.06.2025
УДК 622.276
DOI: 10.24412/2076-6785-2025-4-46-50
Рекомендуемые статьи
Добыча
Надежность крепи скважины
Надежность крепи эксплуатационных скважин в условиях вечной мерзлоты на больших глубинах зависит от термостабизизирующих мероприятий направленных на сохранение прочностных свойств ММП
Геология
Особенности геодинамики Анабаро-Хатангской седловины
В работе прослежена эволюция геодинамических событий в течение геологической истории формирования Анабаро-Хатангской седловины (АХС)
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (855) 222-12-84
office@runeft.ru