«Золотой ключ» к разработке нетрадиционных низкопроницаемых коллекторов углеводородов — оптимизированный геолого-инженерный дизайн ГРП FrSmart

Предпосылки разработки решения FrSmart

В условиях глобальной энергетической трансформации разработка нетрадиционных углеводородных ресурсов стала ключевой стратегией обеспечения энергетической безопасности. Северная Америка благодаря технологии ГРП горизонтальных скважин возглавила революцию в добыче нетрадиционных углеводородов. Китай после почти 20 лет самостоятельных разработок также достиг рентабельной разработки низкопроницаемых и сильно неоднородных коллекторов. Для таких коллекторов характерна проницаемость в интервале 1—100 нанодарси и нелинейные режимы фильтрации, что обуславливает крайне низкую естественную продуктивность и делает ГРП единственным экономически целесообразным методом интенсификации притока в скважинах. Однако затраты на ГРП горизонтальных скважин исчисляются десятками миллионов юаней, и несоответствие создаваемой трещинной системы характеристикам пласта напрямую ведет к неудаче разработки. Следовательно, геолого-инженерная интеграция становится «золотым ключом» к решению проблемы создания сложных трещинных сетей и должна применяться на всех этапах жизненного цикла: проектировании, проведении работ и оценке результатов.

На основе 20-летнего технологического опыта CNPC было создано решение FrSmart 2.0 — интеллектуальная платформа для оптимизации дизайна ГРП, объединяющая геомеханическое моделирование, динамическое моделирование трещин и оперативное управление, предоставляющая комплексное решение для рентабельной разработки сверхнизкопроницаемых и нетрадиционных коллекторов.

Технические характеристики FrSmart

FrSmart 2.0 применима для различных сценариев: однократный ГРП вертикальных/наклонно-направленных скважин, раздельный/совместный ГРП по пластам, многокластерный ГРП горизонтальных скважин, одновременный («зипперный») ГРП куста скважин. Доступны китайская и английская версии.

Платформа включает девять функциональных модулей: геомеханическое моделирование, моделирование искусственных трещин, предпроектный анализ, прогнозирование дебитов УВС после ГРП, анализ тестового ГРП, экономическая оценка, база данных, оперативное управление и анализ риска деформации обсадных колонн. 

Модуль геомеханического моделирования (рис. 3). На основе данных ГИС, геостатистических алгоритмов и метода конечных элементов (МКЭ) реализует функции 1D/3D геомеханического моделирования и 4D-моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, формируя геомеханическую модель для последующего моделирования трещин и продуктивности [3][4][6][15].

Геологическое структурное моделирование: Импорт данных (границы пластов, разломы,
трещины, контуры, толщины пропластков). Построение структурной модели с использованием угловых (корнер-пойнт) сеток с детализацией до метрового масштаба.

Геологическое моделирование свойств: На основе структурной сетки реализуется упрощение (апскейлинг) и интерполяция данных ГИС для построения 3D-модели свойств (рис. 4). FrSmart интегрирует 1 алгоритм апскейлинга и 3 метода интерполяции для детерминированного и стохастического моделирования петрофизических и механических свойств.

Собственно геомеханическое моделирование: Импорт пользовательских сеток и моделей свойств, поддержка импорта сеток и моделей из Petrel. Использование метода граничных элементов (МГЭ) для расчета максимального, минимального и вертикального главных напряжений и их направлений (рис. 5). Эквивалентное моделирование геомеханических свойств разломов и естественных трещин. Поддержка 5 типов граничных условий и 3 алгоритма решения. Для повышения скорости реализовано распараллеливание вычислений на CPU (ускорение >3x по сравнению с однопоточным режимом). 

Модуль моделирования искусственных трещин. Для обеспечения точности и скорости моделирования, отвечающей инженерным требованиям, используется комбинация метода граничных элементов (МГЭ) и метода контрольных объемов (МКО) [11][12][14]. Реализованы функции моделирования неплоских 3D-трещин и сложных искусственных трещин с учетом влияния естественных трещин. Модуль способен моделировать различные геологические особенности: наклонные пласты (рис. 6, нижний левый), пласты с развитой слоистостью (рис. 6, средний левый), пласты с естественными трещинами (рис. 6, верхний левый); различные типы скважин: вертикальные (рис. 6, верхний центр), горизонтальные (рис. 6, центр), наклонно-направленные (рис. 6, нижний центр); и инженерные сценарии: одновременный («зипперный») ГРП (рис. 6, верхний правый), ГРП с временным баллонным изолированием (рис. 6, средний правый), комбинированный ГРП с жидкостями разной вязкости (рис. 6, нижний правый). Модуль служит оптимизационным «движком» для параметров ГРП (объем, расход и т.д.).

Модуль прогнозирования дебитов УВС после ГРП. Преодолены ключевые технологические барьеры, включая моделирование со встроенными дискретными трещинами [13] (EDFM, рис. 7, верхний/нижний левый) и моделирование в многоконтинуальных средах. Разработан модуль прогноза продуктивности после ГРП, учитывающий:

• параметры искусственныхтрещин (длина, проницаемость; высокоскоростная нелинейная (не-Дарси) фильтрация флюидов внутритрещин; долгосрочное влияние проппанта на проводимость трещин);
• специфическиемеханизмы фильтрации в нетрадиционных коллекторах: сорбция/десорбциягаза (сланцевый газ, метан угольных пластов; типичные результаты на рис. 7, верхний центр); градиент сдвига (начальное) давление [5] (низкопроницаемые и плотные пласты нефтяных залежей; типичные результаты на рисунке 7, нижний центр); напряженно-зависимые пористость и проницаемость. Модуль обладает уникальными функциями: моделирование энергонасыщающего ГРП (учет влияния закачки больших объемов жидкости на распределение давления и насыщенности; типичные результаты на рисунке 7, верхний правый); автоматическая калибровка истории (методы симплекса и ансамблевого фильтра Калмана (EnKF); пример на рисунке 7, нижний правый).   

Модуль анализа тестового ГРП. Интерпретация данных мини-ГРП для определения давления смыкания, эффективности жидкости, потерь на трение и т.д. (рис. 8) [9].

Модуль оперативного управления. Обеспечивает онлайн/офлайн-импорт данных микросейсморазведки (рис. 9) и параметров закачки (рис. 10). Разработаны функции: расчет стимулированного объема породы (SRV) на основе микросейсмических событий [2, 7]; аппроксимация поверхностей трещин в дискретной трещинной сети (DFN); динамическая визуализация («скульптурирование») трещин. Это позволяет динамически идентифицировать и анализировать искусственные трещины для оперативной оптимизации и корректировки программы ГРП на месте.

Модуль базы данных. Обеспечивает хранение данных о проппантах, жидкостях ГРП, обсадных колонн и НКТ, механических свойствах пород, файлов, предоставляя основные параметры для работы ПО ГРП.

Модуль предварительного проектирования. Применяет пороговые методы, кластеризацию, метод энтропийных весов и др. [1] для оценки интервалов продуктивности («sweet spots»). С учетом зон исключения («avoidance zones») автоматически или вручную рекомендует расположение стадий и кластеров ГРП (рис. 11).

Модуль анализа риска деформации обсадных колонн. Предоставляет методы оценки устойчивости разломов (критерий разрушения Мора — Кулона, полигоны напряжений) (рис. 12) [8][10].

Модуль экономической оценки (рис. 13). Ис-пользует две схемы расчета доходности: модель подряда под ключ (lump sum) и модель детализированного постатейного расчета затрат (itemized cost). 

Девять модулей могут работать как независимо, так и интегрированно с «однокнопочной» передачей результатов без потери данных. Ключевые модели имеют отличие от зарубежных аналогов <5%. Скорости геомеханического моделирования и моделирования дебитов УВС после ГРП сопоставимы. Платформа обладает уникальными функциями: моделирование энергонасыщающего ГРП, баллонного изолирования, GPU-ускорение моделирования трещин.

Внедрение FrSmart. Практические примеры применения

На текущий момент FrSmart внедрен более чем на 2000 рабочих станций в китайских нефтегазовых компаниях (рис. 14), охватывая свыше 90% пользователей в Китае (CNPC, Sinopec, CNOOC и более 10 университетов). Накопленный опыт применения превышает 18 200 интервалов/стадий ГРП с высокими практическими результатами и удовлетворенностью заказчиков на уровне 96%. FrSmart стал ключевым технологическим инструментом для интенсификации добычи из низкопроницаемых и нетрадиционных коллекторов в Китае.

Типовой пример применения в сланцевом газе — оптимизация для достижения высокой продуктивности

В проекте с тремя скважинами, ориентированном на максимизацию дебита, использовалась не плоская 3D-модель трещин для симуляции одновременного («зипперного») ГРП. Оптимизация параметров (общий объем жидкости ~33 600 м³, общий объем проппанта 4180 т) позволила после реализации достичь суммарного дебита газа с трех скважин более 1 млн м³/сут. Это обеспечило полное покрытие коллектора искусственными трещинами и максимальную продуктивность
(рис. 15, 16). 

Скв. H15-1: 16 стадий, 142 кластера; расстояние между кластерами 9,41 м; ср. длина трещины 321 м; ср. высота трещины 29 м; SRV 12,28 млн м³; прогнозируемые извлекаемые запасы за 20 лет (EUR) 75 млн м³.

Скв. H15-2: 16 стадий, 147 кластеров; расстояние между кластерами 8,84 м; ср. длина трещины 308 м; ср. высота трещины 30 м; SRV 12,01 млн м³; EUR (20 лет) 72 млн м³.

Скв. H15-3: 16 стадий, 130 кластеров; расстояние между кластерами 10,2 м; ср. длина трещины 323 м; ср. высота трещины 29 м; SRV 11,81 млн м³; EUR (20 лет) 69 млн м³.

Типовой пример применения в сланцевом газе — оптимизация для увеличения продуктивности и предотвращения перетоков (Frac Hit)

Для кустовой площадки WH80: после ввода в эксплуатацию скв. 80-4 образовалась зона пониженного давления. При проектировании ГРП скв. 80-5 и 80-6 возникло противоречие между риском «перетока» (frac hit) в скв. 80-4 и необходимостью полного охвата запасов. С помощью FrSmart проведена дифференцированная оптимизация.

Скв. 80-5: В интервалах, противопоставленных эффективно простимулированным зонам скв. 80-4 (расстояние между скважинами 500 м), для предотвращения перетока использовано 8 кластеров с полудлиной трещины 220 м и удельным расходом жидкости 28—29 м³/м. В интервалах, противопоставленных недостаточно простимулированным зонам скв. 80-4 (стадии 8—9, 14—15), использовано 6 кластеров с полудлиной трещины 235 м и удельным расходом жидкости 29—30 м³/м.

Скв. 80-6: Учитывая расстояние 450 м между скважинами и необходимость полного межскважинного охвата, в основных интервалах использовано 8 кластеров с удельным расходом жидкости 30—31 м³/м.

Результат: Мониторинг давления на скв. 80-4 во время ГРП скв. 80-5 не показал значительного роста давления. Достигнута двойная цель: предотвращение межскважинных перетоков и создание эффективной трещинной системы для увеличения добычи (рис. 17, 18).

Пример оптимизации ГРП для метана угольных пластов (CBM) — достижение прорыва в продуктивности

На основе модели естественной трещиноватости с использованием модуля моделирования сложных искусственных трещин спрогнозировано, что при объеме жидкости на стадию 2200—2800 м³ и объеме проппанта 300—450 м³ основная трещина в скв. m2H достигнет длины 81—281 м (средняя — 191 м). Модуль прогноза продуктивности позволил смоделировать динамику изменения поля давления и степень десорбции газа: через 3 года эксплуатации степень десорбции в зоне охвата трещинами составила 10—30% (рис. 19).

Реализация: На скв. m2H проведен 15-стадийный ГРП (46 кластеров), общий объем жидкости 38 897 м³, общий объем проппанта 6100 м³.

Результат: Прогнозируемый стабильный дебит 60 тыс. м³/сут достигнут и поддерживался 495 дней. Прогнозируемые извлекаемые запасы за 15 лет (EUR) составили 69,1 млн м³. Фактический дебит после испытаний — 60—100 тыс. м³/сут стабильно соответствовал прогнозу. Достигнут прорыв в продуктивности для данного актива.

Пример применения при проектировании ГРП сланцевой нефти — достижение сбалансированного охвата и прорыва в продуктивности

Скважины HY-1, HY-2, HY-3 — оценочные скважины в блоке сланцевой нефти
месторождения Ляохэ (Китай). Для обеспечения сбалансированного распространения трещин и максимального охвата межскважинных запасов модуль моделирования трещин FrSmart использовался для проектирования ГРП трех скважин. Оптимизированы ключевые параметры: расстояние между трещинами, полудлина трещины, проводимость трещины (CF), технология проведения, время постановки временного изолирующего барьера (diverters), количество изолирующих шаров.

Оптимальные параметры: соотношение низко/
высоковязкой жидкости 7:3, удельная масса проппанта 3,0—3,5 т/м, удельный расход жидкости 32 м³/м, объем жидкости на стадию 50—60%, количество изолирующих шаров ~60% от числа перфорационных отверстий.

Результат: после реализации дебит сектора разработки превысил дебит соседних секторов более чем на 15%.