Разработка трудноизвлекаемых запасов углеводородов (ТРИЗ) относится к одному из ключевых направлений развития нефтегазовой отрасли и имеет ряд проблем и осложнений. Неблагоприятные условия добычи нефти и газа из подобных объектов связаны прежде всего с аномально низкой проницаемостью коллектора [4, 6, 8, 11]. Разработка ТРИЗ осуществляется в основном горизонтальными скважинами с многостадийным гидроразрывом пласта (МГРП), отличающимся высокой плотностью стадий ГРП, что снижает информативность гидродинамических исследований скважин (ГДИС). Это связано с низкой эффективностью традиционных ГДИС, которые предусматривают периодические изменения дебита или остановку скважины. Необходимое для таких методов время проведения измерений слишком велико, что делает их практически нереализуемыми.
В этих условиях приемлемую результативность ГДИС может обеспечить непрерывный мониторинг давления на забое с момента запуска скважины в эксплуатацию [1, 7, 9]. Но даже тогда стандартные подходы к интерпретации результатов измерений редко удовлетворяют требованиям промысла к точности оценки фильтрационных свойств и характеристик качества вскрытия коллектора. Это преимущественно связано с высокой вероятностью изменения перечисленных параметров во времени.
Решение данной проблемы видится в использовании технологии исследований скважины, предполагающих периодическое изменение режима ее работы, включая остановки [7, 9, 10]. Основной проблемой использования подобных технологий является ограниченная условиями промысла длительность отдельных периодов. Она в условиях низкой проницаемости коллектора оказывается недостаточной для оценки полного спектра гидродинамических параметров пласта. Это смещает акценты при интерпретации ГДИС в сторону диагностики режимов течения, характерных для малой продолжительности работы скважины.
Задачей интерпретации является определение наряду с традиционными гидродинамическими параметрами базовых комплексных инвариантов, отражающих эффективность качества вскрытия коллектора и динамику изменения состояния скважины и пласта во времени [2, 3]. Производственная ценность получаемых результатов видится прежде всего в возможности оценки эффективности применяемой конструкции и технологии стимуляции в конкретных условиях исследуемой скважины. Это позволяет не только проанализировать текущие результаты, но и прогнозировать дальнейшую динамику добычи, оптимизируя процессы разработки и повышая общую производительность месторождения.

В работе представлен анализ возможностей ГДИС в аномально низкопроницаемом коллекторе юрского возраста, расположенном в Западной Сибири.
Данные породы относят к нетрадиционным порово-трещинным коллекторам. Их литолого-емкостная модель представляется чередованием нескольких литотипов с контрастными свойствами (рис. 1а).

Для рассматриваемых пород характерны ярко выраженная слоистость, ухудшенные коллекторские свойства, литологическая неоднородность, высокая насыщенность органическим веществом и нефтью, неравномерное распределение органического вещества и нефти. Определяющим среди перечисленных факторов снижения информативности ГДИС является низкая проницаемость коллектора, так как именно это свойство пласта является ключевым для фильтрации флюида. Также интерпретация исследований осложнена применяемыми технологиями кластерного гидроразрыва пласта (ГРП) на объекте и значительным притоком газа в скважины.

Разработка месторождения осуществляется традиционным способом для пластов с низкой проницаемостью — горизонтальным бурением с заканчиванием многостадийным гидроразрывом пласта (МГРП). Для увеличения охвата и повышения продуктивности скважин используют кластерный многостадийный ГРП, представляющий собой инициацию одновременно нескольких трещин в нескольких интервалах перфорации за одну стадию ГРП. Стоит отметить, что суммарно в скважине может быть инициировано более 100 трещин ГРП, расположенных друг от друга на расстоянии порядка 10–15 метров.
На рисунке 1б приведена схема расположения анализируемых скважин на подложке начальных нефтенасыщенных толщин, диапазон которых варьируется от 15 до 30 метров. На всех скважинах происходит рост газового фактора в процессе эксплуатации. Среднее газосодержание на объекте около 200 м³/т, в некоторых скважинах наблюдается его рост до 3 000 м³/т через несколько лет.
На рисунке 2 приведена схема работы одной из скважин.

Основной задачей разработки низкопроницаемых коллекторов является необходимость максимального вовлечения объема коллектора в работу, поскольку сам коллектор обладает значительно ухудшенными ФЕС. Ключевой проблематикой является неоднородность пласта и часто неполный охват коллектора системой трещин, связанный с недостижением некоторыми из трещин проектной длины и неравномерным по стволу ухудшением проводимости трещин во времени. Кроме того, для таких коллекторов типична сложная конструкция скважин: как правило, речь идет о протяженных горизонтальных скважинах с многостадийным гидроразрывом пласта. На данный момент технологии гидроразрыва активно развиваются. Так, на ряде месторождений применяется кластерное ГРП, при котором на одну стадию приходится создание нескольких трещин, расположенных сравнительно близко друг к другу. Вопрос анализа информативности гидродинамических исследований в условиях сложных технологий ГРП, в том числе и кластерного, также является одной из задач, стоящих перед авторами.
Основными задачами гидродинамических исследований в рассматриваемых условиях являются оценка фильтрационных свойств продуктивного пласта, максимально достижимого дебита при разработке пласта, контроль динамики производительности скважин, анализ рисков ее снижения вследствие ухудшения проводящих свойств трещин, обоснование потенциала увеличения дебитов, связанного с возможной корректировкой режима работы скважин, обоснование точечных рекомендаций по очистке трещин и повторных гидроразрывов пластов, а также заключение об эффективности применяемой конструкции и выполняемой стимуляции скважин.
При решении перечисленных задач ГДИС вряд ли могут претендовать на оценку индивидуальных проводящих возможностей каждого кластера, тем более отдельной трещины. В силу своей специфики их возможности ограничены определением осредненных по стволу или в локальных макроинтервалах инвариантных характеристик системы «скважина–пласт»: работающей длины ствола, проницаемости коллектора, площадей поверхности и длин трещин.
Задачу детальной оценки неоднородности вскрытия и дренирования пласта ствола призваны решать ПГИ, основная роль которых состоит в изучении и количественной оценке динамики профиля притока по длине ствола.
Для того чтобы комплекс исследований скважин мог стать действенной основой контроля разработки подобных сложных объектов, необходимы новые подходы и решения как в области технологии проведения исследований скважин, так и в интерпретации получаемых результатов.

Основой количественной интерпретации результатов исследований скважин является моделирование. Для функционирования современных моделей ГДИС разрабатываются сложные многофункциональные программные продукты, которые непрерывно совершенствуются. Уже сейчас они способны воспроизвести широкий спектр эффектов, определяющих поведение гидродинамических параметров в скважине и пласте. Однако авторы хотели бы предостеречь потенциальных пользователей о высоких рисках неправомерного использования модели в качестве универсального средства интерпретации, на чем иногда необоснованно настаивают недобросовестные авторы и исполнители коммерческих проектов. Даже самая сложная модель не способна однозначно решить обратную задачу.
Основная роль моделирования, по убеждению авторов, состоит в проведении численных экспериментов для обоснования технологии проведения исследований скважин и интерпретации полученных результатов, а также оценки точности определения по результатам исследования параметров скважины и пласта в конкретных условиях проведения измерений. С этой точки зрения результаты расчетов приобретают реальную практическую значимость, если на их основе можно предложить простой и наглядный способ экспрессной интерпретации для решения практической задачи.
В рамках представленной публикации авторы ограничились представлением системы «скважина–пласт» следующей моделью (рис. 3).

Работающий пласт-коллектор представляет собой неограниченный по простиранию, неоднородный по фильтрационным свойствам слой во вмещающем непроницаемом массиве горных пород. Границы пласта — плоские горизонтальные поверхности.
Скважина — вертикальный цилиндрический канал с круговым осевым сечением.
Трещины — ортогональные к стволу вертикальные полости аномально высокой проводимости с прямоугольным осевым сечением полудлины. Трещины расположены симметрично около оси скважины, полностью вскрывают пласт по высоте и имеют произвольные длину и расположение вдоль оси скважины.
Пласт произвольно разделен вертикальными поверхностями на области, отличающиеся проницаемостью, таким образом две соседние трещины могут находиться в пределах однородной толщи коллектора, а могут дренировать области к существенно отличной друг от друга проницаемости.
Гидродинамическая связь скважины с пластом возможна как через поверхности ствола, так и трещин.
Возможен учет дополнительных фильтрационных сопротивлений в прискважинной зоне пласта с радиальной или линейной симметрией.
Численные расчеты выполнены с помощью программного комплекса «T-Навигатор» (разработка компании «Рок Флоу Динамикс»). В 2017 году данный комплекс был включен в реестр отечественного программного обеспечения Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Секторная модель «скважина – пласт с трещиной ГРП» реализована на неравномерной конечно-разностной сетке с локальным измельчением ячеек в полости трещины и околоскважинной области. Были также выполнены дублирующие расчеты при описании трещины специализированными средствами названного программного комплекса FRACTURE_TEMPLATE и FRACTURE_SPECS.

Классическая модель дренирования пласта-коллектора горизонтальной скважиной с многостадийным ГРП предполагает, что пласт однороден по фильтрационным свойствам, его границы горизонтальны, трещины имеют одинаковую длину, равномерно распределены по стволу и полностью вскрывают толщину коллектора. Поведение давления во времени существенно зависит от соотношения длин трещин и их расстояния друг от друга.
Если расстояние между трещинами много (во много раз) больше их длины (рис. 5а), по результатам ГДИС после снижения влияния послепритока диагностируются режимы течения, отражающие локальные притоки к каждой трещине: сначала с линейной (1), затем с псевдорадиальной симметрией (2). По прошествии времени воронки депрессии вокруг трещин смыкаются, и формируются режимы течения, отражающие приток к стволу (как к единому объекту) — сначала линейный (3), а потом псевдорадиальный (4), характеризующий дальнюю зону фильтрации на значительном удалении от скважины. На логарифмической производной перечисленным режимам соответствуют линейные асимптоты с углами наклона «0,5», «0», «0,5» и «0». Раннему (2) и позднему (4) псевдорадиальным режимам течения предшествуют переходные режимы (1–2) и (3–4) с ярко выраженной эллиптической симметрией (рис. 5а).

При снижении расстояния между трещинами формированию линий тока с ранней радиальной симметрией препятствует усиление взаимовлияния трещин (рис. 5б). Если расстояние сравнимо или меньше длины трещин в начале периода взаимовлияния, наблюдается режим раннего истощения. Его особенностью является преимущественная выработка коллектора в области между трещинами. В остальном поведение давления (рис. 5б) аналогично только что рассмотренному.
На каждом из фрагментов рисунка 5 выделены две области. Область I включает в себя три ранних режима течения в скважине. Область II характеризует поздние режимы течения. Данное зонирование подтверждается результатами статистики исследований ГДИС в эксплуатационных скважинах. Оно отражает факт, что в большинстве скважин наблюдаются только ранние режимы течения. Это связано с тем, что в коллекторе с аномально низкой проницаемостью все процессы течения происходят чрезвычайно медленно, и исследования должны быть очень длительными.
В условиях реальной скважины характер дренирования пласта может быть более сложным. Это в первую очередь связано с отличиями друг от друга длин трещин и с их неравномерным распределением по стволу, осложненным неудачной проводкой отдельных трещин (рис. 4 в, г). Данные отличия могут быть наиболее контрастными при «кластерном» расположении трещин — при локализации нескольких трещин в пределах одного порта (рис. 4д).

Усложняются в этом случае результаты Log-log диагностики. Но в области ранних режимов, описываемых на рисунках 4 и 5, закономерности поведения давления сохраняются.
Иллюстрацией данного утверждения являются результаты моделирования, выполненные в горизонтальном стволе с 10 кластерами ГРП, каждый из кластеров включает две продольные трещины (рис. 6).

Результаты расчетов на модели подтверждают, что в диапазоне времен, типичных для периодов измерений при ГДИС (от часов до сотен часов), при низкой проницаемости коллектора преобладает течение с линейной симметрией. Со временем начинает проявляться раннее истощение, связанное с взаимовлиянием кластеров (рис. 6а). С увеличением проницаемости (рис. 6б) это происходит существенно раньше. Раннее истощение наблюдается также в начале периода исследований, причем чем рельефнее, тем больше проницаемость пласта. Это эффект взаимовлияния трещин в кластере.
Анализ результатов ГДИС при ранних режимах течения позволяет предложить принципиально новый подход к технологии получения результатов исследований и методикеинтерпретации полученных результатов.
Он опирается на анализ инвариантных параметров, описывающих изменения давления во времени при данных режимах. Неопределенность, присущая частичной интерпретации результатов ГДИС, компенсируется зависимостью результатов от характера и степени неравномерности вскрытия коллектора трещинами.

Наиболее типичной для кластерного ГРП является режим течения с ранней линейной симметрией. Соответствующая ему инварианта подробно рассмотрена в работах [2, 3, 5].
Если трещина имеет неограниченную проводимость, интервал времени, в пределах которого симметрия линий тока близка к ранней линейной, диагностируется по наклону асимптоты к логарифмической производной равным 0,5. Для количественной оценки параметров пласта в пределах данного интервала кривую изменения приращения от времени перестраивают в так называемом характеристическом масштабе для линейного течения. Этот масштаб представляет собой суперпозицию функций f√ti, вычисляемую с учетом текущего времени и дебита, а также истории работы скважины.
Кривая изменения давления в характеристическом масштабе времени имеет линейную асимптоту, наклон которой θ_L определяется формулами (табл. 1).

Таким образом, по результатам ГДИС определяется значение инвариантного параметра INV, который может принимать одно и то же значение при различных сочетаниях гидродинамических характеристик пласта и совершенства его вскрытия.
Из соотношений таблицы (1) следует, что в условиях слабо выраженной неоднородности пласта по результатам ГДИС в интервале раннего линейного течения возможна оценка суммарной поверхности трещин, дренирующих пласт. Практическая значимость подобной оценки видится прежде всего в оценке степени охвата трещинами объема коллектора.

Индивидуальная оценка параметров трещин на основе раннего линейного течения возможна, только если есть априорная информация о долях трещин в притоке или профиле проницаемости коллектора по длине ствола [2, 3, 5].
Но если ограничить задачу ГДИС контролем динамики совершенства скважины, количественную интерпретацию результатов исследований можно свести к сопоставлению значений инварианты линейного течения, соответствующей разновременным периодам исследований [4–8].
Сущность данного подхода рассмотрим на примере гипотетической ситуации, когда технология ГДИС представляет собой периодическую смену циклов запуска и остановки скважины. Примем, что длина трещин линейно снижается во времени. На рисунке приведены результаты воспроизведения данной ситуации на модели (рис. 7). Модель описывает вскрытие однородного пласта горизонтальным стволом длиной 1 000 м с одиннадцатью трещинами ГРП одинаковой длины.

На рисунке 8 представлено поведение давления в циклах остановки скважины для регистрации кривой восстановления давления (КВД) в интервале раннего линейного течения в характеристическом масштабе времени f√t для циклов КВД.

Рассмотрим пример реализации данной технологии. На рисунке 9а приведены исходные кривые изменения во времени давления и расхода. Исследования начаты непосредственно после запуска скважины в эксплуатацию, затем был выполнен длительный мониторинг периода относительно стабильной эксплуатации, в период которого наблюдалось практически монотонное падение дебита во времени. Наиболее информативным оказался заключительный этап мониторинга длительностью около года. В этот период было выполнено несколько остановок скважины, длительность которых достаточна для уверенной диагностики раннего радиального режима течения. Снижение проводящих свойств трещин настолько контрастно, что диагностируется визуально при сопоставлении соответствующих циклам КВД Log-log графиков (рис. 9б). Рост скин-фактора отражается в нарастающем от цикла к циклу удалении друг от друга графиков давления и логарифмической производной.

Дополнительный анализ графиков изменения давления в циклах в характеристическом масштабе для линейного течения позволяет оценить значения соответствующей инварианты, по динамике которой можно количественно оценить объем коллектора, дренируемый трещинами. За время исследования он снизился чуть менее чем в три раза.

Дренирование пласта в режиме раннего истощения наблюдается в областях коллектора, где трещины расположены очень близко друг другу (рис. 4д, рис. 6).
В классической теории ГДИС режим истощения связан с дренированием скважиной ограниченной со всех сторон залежи (линзы) либо с проявляющим себя аналогичным образом влиянием соседних скважин. Интервал времени, в пределах которого наблюдается данный режим, диагностируется по наклону асимптоты к логарифмической производной равным 1. Характеристическим масштабом для данного режима является суперпозиция функций f(Δti), вычисляемая, как и для линейного течения, с учетом текущего времени и дебита, а также истории работы скважины. Кривая изменения давления в характеристическом масштабе времени имеет линейную асимптоту, наклон которой (INVE) определяется формулой [9]:

где Q_ат — дебит в условиях атмосферы, Bo — объемный коэффициент, h — толщина пласта, μ — динамическая вязкость пластового флюида, β_Σ — сжимаемость пористой среды, К_п — пористость пласта, S — площадь дренируемой линзы.
Ранний режим истощения в пласте, дренируемом горизонтальной скважиной с многостадийным ГРП, возникает по другой причине. Это результат взаимовлияния соседних трещин. Но его аналитическое описание принципиально не отличается от только что рассмотренного. Формула (5) применима и в данном случае, но аналогом комплексного параметра V=Sh становится объем пласта V_Σ, дренируемого всей системой искусственных трещин.

Анализ возможностей интерпретации ГДИС в интервалах истощения — первоочередная задача дальнейших исследований. Динамика параметра V_Σ во времени, как и в случае раннего линейного течения, отражает изменение степени текущего охвата пласта выработкой [10–11].
Но подобный анализ имеет существенную специфику. Во-первых, на поведение давления не влияет проницаемость коллектора. Во-вторых, в дренировании пласта участвует поверхность только близрасположенных трещин.
А значит, сопоставление динамики изменения во времени инвариант линейного и радиального течения при высокой плотности трещин потенциально можно использовать для контроля качества вскрытия пласта. Резкое различие поверхности и объема дренирования косвенно указывает на близкое расположение трещин, а значит, высокую степень охвата коллектора трещинами ГРП.