Комплексный подход к планированию, оптимизации и оценке эффективности гидроразрыва пласта

Гидроразрыв пласта (ГРП) в настоящее время является одним из самых эффективных методов разработки низкопроницаемых терригенных месторождений. Более 50% остаточных извлекаемых запасов нефти Западной Сибири сосредоточено именно в низкопроницаемых пластах. Как показывает практический опыт и инженерные расчеты, без применения ГРП большая часть этих запасов останется в недрах Земли. Именно это служит причиной того, что сегодня ГРП является распространенным объектом исследования.

В конце 90-х годов прошлого века произошли значительные изменения в технологии ГРП, связанные как с появлением качественно новых химических реагентов и более современной техники, так и расширением области применения технологии ГРП при разработке месторождений нефти и газа [1].

Научный интерес на таком уровне поддерживается благодаря двум факторам:

1. Ставшей очевидной связи между совершенствованием технологий ГРП и более эффективной разработкой запасов нефтяных и газовых месторождений, на фоне снижения количества открытий новых месторождений. Причем, не только для низкопроницаемых запасов, разработка которых начинает оказывать все большее влияние всю нефтегазовую отрасль, но и широкого развития ГРП в высокопроницаемых коллекторах, где гидроразрыв начинает применяться там, где традиционно использовались совершенно другие технологии. Например, технология ГРП стала постепенно замещать использование гравийных фильтров при борьбе с выносом мехпримесей в слабосцементированных коллекторах;

2. Наметившимся в 90-х годах прошлого века предпосылкам для перехода технологии ГРП на качественно новый уровень. Например, если в России в середине 90-х, средний объем ГРП составлял ~ 5 тонн проппанта, то уже сейчас проводятся работы с закачкой до 900 тонн проппанта, и сегодня это уже не является технологическим пределом.

Хотя отдельные задачи из разных областей науки, связанные с проведением гидроразрыва пласта, хорошо известны уже давно (первые решения получены еще в 60−70 годы), подход, позволивший объединить все это разнообразие задач в рамках относительно «простой» и прозрачной для восприятия специалистами из любой области методики, появился относительно недавно. Ключевая идея этого подхода -«унифицированный» дизайн гидроразрыва. Термин «унифицированный» подчеркивает интеграцию различных технологических аспектов процесса ГРП.

Основная идея унифицированного дизайна ГРП состоит в том, что решение отдельных задач, возникающих в процесс оптимизации дизайна, может быть описано в рамках единого алгоритма. При этом очень удобным оказывается сведение этого алгоритма к определению некоторых ключевых безразмерных параметров, определяющих эффективность ГРП.

Так, например, трещина ГРП может быть охарактеризована безразмерным числом проппанта Ыр, а эффект от проведения гидроразрыва — безразмерной продуктивностью При этом весь дальнейший процесс оптимизации дизайна сводится к увязке отдельных элементов (задач) и характеризующих их параметров с этими ключевыми безразмерными переменами. Например, при фиксированном объеме проппанта находятся параметры, при которых достигается максимум продуктивности. А все возможные геологические и технологические ограничения учитываются посредством корректировки параметров трещины так, чтобы отклонение от оптимума, который был определен без учета ограничений, было минимальным.

При таком подходе такие сложные эффекты, как рост трещины в высоту, отклонения от линейного закона Дарси при больших скоростях течения, эффекты вдавливания проппанта в стенки трещины (может быть значительным для пластов с очень высоким содержанием глин) и многие другие, решаются общими методами. Затем эти эффекты могут быть учтены в общей модели гидроразрыва через корректировку конечных параметров трещины относительно простыми и прозрачными способами, делая всю процедуру планирования, проведения и анализа эффективности ГРП последовательной и логичной.

Здесь очень важно отметить разницу между прямым моделированием гидроразрыва в современных симуляторах и методологией унифицированного дизайна ГРП. В последние годы модели гидроразрыва превратились в сложные программные продукты, которые могут так же решать и различные смежные задачи, например, моделировать реологию жидкостей гидроразрыва в зависимости от состава химических добавок и термодинамических условий проведения ГРП. Однако поиск оптимального дизайна не является исходной целью таких симуляторов.

Исторически эти программные комплексы создавались как последовательное добавление и усложнение все новых и новых моделей отдельных процессов, происходящих при проведении операции ГРП, и учитывающих какие-то отдельные, зачастую локальные эффекты. Даже в самых современных версиях подобных программ нет гарантии, что рассчитанный набор режимов обработки содержит оптимальный вариант с рациональной инженерной точки зрения. Приближение к оптимуму сильно зависит от интуиции пользователя и от количества рассчитываемых вариантов. В итоге поиск оптимального решения становиться экспертной областью, зависящей от искусства пользователя. Основная идея же 6 унифицированного дизайна ГРП состоит в том, чтобы сделать процесс принятия технологических решений максимально прозрачным и понятным обычной инженерной логике. Превратить искусство дизайна в инженерные расчеты.

Подавляющая часть исследований на тему гидроразрыва посвящены решению отдельных частных задач, а работы, в которых рассматривался бы весь процесс оптимизации ГРП в целом, практически отсутствуют. Таким образом, актуальной задачей является разработка алгоритма, объединяющего отдельные частные задачи в единое целое, — алгоритма выбора оптимального параметров гидроразрыва пласта.

Выбор же оптимальных параметров ГРП невозможен без учета существующих ограничений и экономических критериев оптимизации. Сильнее же всего из всех ограничений на эффективность практического применения ГРП влияет учет геологических ограничений, связанные с ростом трещины в высоту.

Для месторождений на поздних стадиях разработки, на которых применяется заводнение, так же очень актуальна задача прогноза обводненности после проведения гидроразрыва. Так как даже относительно небольшая недооценка роста обводненности в подобных условиях может привести к переоценке прироста дебита нефти в несколько раз.

Основная цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности применения гидроразрыва пласта при разработке нефтяных месторождений путем развития научно-методических подходов к планированию, оптимизации и оценке эффективности ГРП. В работе так же прорабатываются вопросы определения оптимальных параметров гидроразрыва пласта с учетом технологических ограничений и экономических критериев оптимизации. Разработана методика оценки эффекта роста трещины в высоту на базе обобщенной геомеханической 7 модели пласта, а так же решается ряд частных задач, оказывающих значительное влияние на эффективность применения ГРП.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка методических основ комплексного подхода к процессу планирования, оптимизации и оценки эффективности гидроразрыва пласта при разработке нефтяных месторождений, выделение основных этапов этого процесса и ключевых направлений для улучшений.

2. Создание методики определения оптимальной геометрии трещины гидроразрыва с учетом существующих геологических и технологических ограничений.

3. Разработка методики оценки высоты трещины гидроразрыва.

4. Создание методики прогноза обводненности скважины с трещиной ГРП в условиях проникновения части трещины за фронт нагнетаемой воды.

Научная новизна работы определяется следующими наиболее значимыми результатами:

1. В результате обобщения подходов к оптимизации бизнес-процессов с применением гидроразрыва пласта разработан алгоритм планирования, оптимизации и оценки эффективности гидроразрыва пласта, а так же автором сформулированы научно-обоснованные требования к подбору кандидатов на ГРП.

2. Разработан алгоритм определения оптимальных параметров ГРП с учетом геологических и технологических ограничений, объединяющий отдельные инженерные задачи в единое целое.

3. Автором выведена формула оценки высоты трещины гидроразрыва в предположении трехслойной модели распределения стрессов и модели.

Регктз-Кегп-Ыогс^геп (РЮЧ) геометрии трещины гидроразрыва, не требующая применения сложных программных комплексов для 8 моделирования и которая может быть легко применена на этапе подбора и оценки кандидатов на ГРП. 4. Разработана научно-обоснованная методика прогноза обводненности добывающей скважины после ГРП в условиях проникновения части трещины за фронт нагнетаемой воды, результаты которой представлены в виде удобной для практического использования номограммы.

Применение комплексного подхода к проведению гидроразрыва позволяет значительно повысить эффективность взаимодействия различных специалистов в процессе ГРП, сократить трудоемкость процесса подбора кандидатов, прогноза ожидаемого эффекта и анализа эффективности проведенных мероприятий при разработке нефтяных месторождений, а также повысить качество принимаемых проектных решений. Данные подходы нашли отражение в Положении ОАО «НК «Роснефть» «Планирование, оптимизация и анализ эффективности гидроразрыва пласта» и ряде методических указаний Компании и используются в научно-исследовательских проектных институтах и добывающих обществах.

Внедрение разработанного подхода на производстве обеспечило:

Увеличение приростов после ГРП на действующем фонде ООО «РН-Пурнефтегаз» в 3 раза (с 9 т/сут до 30 т/сут) с одновременным повышением успешности. Так же наблюдается увеличение коэффициента охвата вытеснением (период наблюдения составил уже более 4 лет).

Увеличение дебитов вновь вводимых скважин с ГРП в ООО «РН-Юганскнефтегаз» на 10−15%, несмотря на то, что происходило ухудшение фильтрационно-емкостных свойств разбуриваемых участков и оптимизация массы проппанта в сторону уменьшения. Вовлечение в активную разработку ряда уже давно эксплуатируемых месторождений ОАО «Удмуртнефть», ООО «РН-Ставропольнефтегаз» и ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение

.

Основной результат работы заключается в обобщении и развитии автором методических подходов к планированию, оптимизации дизайна и анализу эффективности гидроразрыва пласта при разработке нефтяных месторождений. В работе проработаны принципы определения оптимальных параметров ГРП и предложен разработанный автором алгоритм учета технологических ограничений и экономических критериев оптимизации. Так же в работе приведено решение двух частных задач, способных оказать значительное влияние на эффективность применения ГРП: задача, связанная с оценкой роста трещины в высоту, и задача прогноза обводненности после ГРП в случае проникновения трещины гидроразрыва за фронт нагнетаемой воды.

Применение системного подхода к применению гидроразрыва позволяет значительно качество принимаемых технологических решений в процессе планирования, оптимизации дизайна и анализа эффективности ГРП при разработке нефтяных месторождений, что подтверждается результатами применения данного подхода, полученными на месторождениях ОАО «НК «Роснефть».

Для понимания гидроразрыва в работе изучен процесс планирования, оптимизации дизайна и оценки эффективности гидроразрыва пласта при разработке нефтяных месторождений в целом, определены основные участники процесса и ключевые решаемые задачи. Рассмотрены методические основы комплексного подхода к процессу оптимизации гидроразрыва. Особое внимание уделено концепции унифицированного дизайна гидроразрыва. Термин «унифицированный» подразумевает в этом случае интеграцию различных технологических аспектов процесса.

Основная идея унифицированного дизайна ГРП состоит в том, что процесс оптимизации дизайна могут быть сведены к некоторым ключевым безразмерным параметрам, определяющим эффективность ГРП. Так, например, объем ГРП может быть охарактеризован безразмерным числом проппанта, а эффект от проведения гидроразрыва — безразмерной продуктивностью. При этом весь дальнейший процесс оптимизации дизайна сводится к увязке отдельных элементов и характеризующих их параметров с этими ключевыми безразмерными переменами, а решение задачи оптимизации к нахождению некоторого оптимума. Например, при фиксированном объеме ГРП достигается максимум продуктивности скважины. А все возможные технологические ограничения учитываются посредством корректировки теоретически оптимальных параметров трещины так, чтобы отклонение от теоретического оптимума было минимальным.

При таком подходе такие сложные эффекты, как влияние геомеханических свойств пласта и параметров гидроразрыва на рост трещины в высоту, отклонения от линейного закона Дарси при больших скоростях течения, эффекты вдавливания проппанта в стенки трещины в случае мягкой породы и многие другие, решаются общими методами. Затем они могут быть учтены в общей модели гидроразрыва через корректировку конечных параметров трещины относительно простыми и прозрачными способами, делая всю процедуру планирования, проведения и анализа эффективности ГРП последовательной и логичной.

В работе представлен разработанный автором алгоритм определения оптимальных параметров ГРП с учетом существующих геологических и технологических ограничений, который базируется на принципах унифицированного дизайна.

Так же в работе в качестве развития идеи комплексного подхода к ГРП представлено решение двух частных задач, которые могут оказать значительное влияние на эффективность применение ГРП.

Первая задача это оценка высоты трещины гидроразрыва в предположении трехслойной модели распределения стрессов и РЮЧ модели геометрии трещины гидроразрыва. В рамках решения этой задачи автором получено уравнение связывающее высоту трещины гидроразрыва с параметрами проведения гидроразрыва и геомеханическими параметрами пласта.

Вторая решенная задача — это разработка методики для прогноза обводненности добывающей скважины после проведения ГРП в условиях проникновения части трещины за фронт нагнетаемой воды.

Необходимо отметить, что решение обеих задач очень просто интегрировать в общий алгоритм оценки оптимальных параметров ГРП.

Подходы, изложенные в работе, нашли отражение в Положении ОАО «НК «Роснефть» «Планирование, оптимизация и анализ эффективности гидроразрыва пласта» и ряде методических указаний Компании и используются в научно-исследовательских и проектных институтах, а так же добывающих обществах.

Внедрение разработанного подхода на производстве обеспечило повышение эффективности применения ГРП как на действующем фонде уже давно эксплуатируемых месторождений ОАО «НК «Роснефть» (ООО «РН-Пурнефтегаз», ОАО «Удмуртнефть», ООО «РН-Ставропольнефтегаз», ООО «РН-Краснодарнефтегаз»), так и повысить дебиты новых скважин (ООО «РН-Юганскнефтегаз»).

Суммируя, можно выделить основные результаты данной работы: 1. Обобщены методические подходы к планированию, оптимизации и оценки эффективности гидроразрыва пласта, определены основные этапы и ключевые направления для улучшений.

2. Разработан алгоритм определения оптимальных параметров ГРП с учетом геологических и технологических ограничений.

3. Создана методика оценки высоты трещины гидроразрыва, не требующая применения сложных программных комплексов для моделирования и легко применимая на этапе подбора и оценки кандидатов на ГРП.

4. Предложена методика для прогноза обводненности действующей скважины после ГРП в условиях проникновения трещины за фронт нагнетаемой воды.

5. Внедрение комплексного подхода к планированию, оптимизации дизайна и оценке эффективности ГРП на месторождениях НК «Роснефть» позволило:

Увеличить приросты после ГРП на действующем фонде ООО «РН-Пурнефтегаз» в 3 раза (с 9 т/сут до 30 т/сут);

Увеличить дебиты вновь вводимых скважин с ГРП в ООО «РН-Юганскнефтегаз» на 10−15%, несмотря на то, что происходило ухудшение фильтрационно-емкостных свойств разбуриваемых участков;

Вовлечь в активную разработку давно эксплуатируемые месторождения «Удмуртнефть», «РН-Ставропольнефтегаз» и «РН-Краснодарнефтегаз».