Рис. 1. Процесс геолого-инженерной оптимизации дизайна ГРП
Фу Юнцян — профессор
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Fu Yongqiang — Professor
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Ян Лифэн — старший инженер; аспирант
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007;
18, ул. Фусюе, район Чанпин, г. Пекин 102200
Yang Lifeng — Senior Engineer; PhD Candidate in Engineering
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007;
18 Xuefulu, Changping District, Beijing 102200
Ван Синь — профессор
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Wang Xin — Professor
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Лю Чжэ — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Liu Zhe — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Фань Мэн — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Fan Meng — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Ван Ган — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Wang Gang — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Юань Лишань — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Yuan Lishan — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Лю Хао — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Liu Hao — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
У Синь — старший инженер
9, Северная улица Дунчжимэнь, район Дунчэн, г. Пекин 100007
Wu Xi — Senior Engineer
9 Dongzhimen North Str., Dongcheng District, Beijing 100007
Ху Шимэн — аспирант
18, ул. Фусюе, район Чанпин, г. Пекин 102200
Hu Shimeng — PhD Candidate
18 Xuefulu, Changping District, Beijing 102200
Введение. В области разработки нетрадиционных углеводородов сильная неоднородность низкопроницаемых коллекторов, уровень проницаемости на уровне 1—100 нанодарси и нелинейные режимы фильтрации приводят к отсутствию естественной продуктивности, что делает гидравлический разрыв пласта (ГРП) единственным экономически оправданным методом разработки.
Цель. Для решения этой проблемы Китайская национальная нефтяная корпорация (CNPC) на основе 20-летних исследований разработала собственное решение FrSmart 2.0, обеспечивающее геолого-инженерную оптимизацию на протяжении всего технологического процесса гидроразрыва пласта (ГРП).
Материалы и методы. Программный комплекс функционирует через девять взаимосвязанных модулей:
модуль геомеханического моделирования: строит 1D—3D-модели на основе данных ГИС и промысловых данных ГРП;
модуль моделирования искусственных трещин: реализует технологию моделирования неплоских 3D-трещин, поддерживая сложные сценарии (многоканальный ГРП горизонтальных скважин и др.);
модуль прогнозирования дебитов УВС после ГРП: интегрирует технологию встроенного дискретного моделирования трещин (EDFM) для точного прогноза продуктивности и оптимизации технологических режимов разработки;
модуль оперативного управления: динамически анализирует стимулированный объем породы (SRV) и морфологию трещин по данным микросейсмики;
модуль предварительного проектирования: применяет методы энтропийных весов и кластеризации для оптимизации интервалов продуктивности (“sweet spots”) и расположения кластеров;
модуль анализа риска обсадных колонн: оценивает устойчивость разломов по критерию Мора — Кулона;
модуль экономической оценки: предлагает модели расчета затрат (под ключ и детализированную);
модуль тестового ГРП: определяет давление смыкания и эффективность закачки жидкости; модуль базы данных: управляет основными параметрами.
Заключение. Ключевые модели FrSmart 2.0 отличаются от зарубежных аналогов менее чем на 5%, поддерживают GPU-ускорение. Решение развернуто на более чем 2000 рабочих мест в Китае, охватывая 90% нефтегазовых компаний и вузов, оптимизировав свыше 18 200 интервалов/стадий при удовлетворенности пользователей 96%. Его комплексный подход, высокоэффективные алгоритмы и широкая применимость делают FrSmart ключевым инструментом в Китае для интенсификации низкопроницаемых нетрадиционных коллекторов, значительно повышающим эффективность разработки.
Background. The strong heterogeneity, nanodarcy-scale permeability (1—100 nD), and nonlinear flow characteristics of unconventional low-permeability reservoirs result in negligible natural productivity, making hydraulic fracturing the only economically viable development method.
Aim. To address this challenge, the China National Petroleum Corporation (CNPC) has developed the proprietary FrSmart 2.0 solution based on 20 years of research, enabling geo-engineering optimization throughout the fracturing workflow.
Materials and methods. The software integrates nine synergistic modules, including the following. (1) Geomechanical Modeling constructs 1D—3D models using well-log and field data via finite-element algorithms. (2) Artificial Fracture Simulation employs non-planar 3D fracture modeling for complex scenarios (e.g., multi-cluster staged fracturing in horizontal wells). (3) Post-Fracturing Production Prediction leverages Embedded Discrete Fracture Modeling (EDFM) for accurate productivity forecasting and development optimization. (4) Real-Time Decision-Making dynamically analyzes stimulated rock volume (SRV) and fracture morphology using microseismic data. (5) Pre-Fracturing Design optimizes “sweet spot” intervals and cluster placement via entropy weighting and clustering algorithms. (6) Casing Deformation Risk Analysis evaluates fault stability using Mohr-Coulomb failure criteria. (7) Economic Evaluation offers lump-sum and itemized cost models. (8) The Diagnostic Fracturing Tests module determines closure pressure and fluid efficiency. (9) Database Management centralizes proppant, fluid, tubular, and rock mechanics parameters.
Conclusion. FrSmart 2.0 enables less than 5% deviation from international benchmarks and supports GPU acceleration. This software has been deployed at over 2000 workstations across 90% of Chinese oil and gas companies and universities. It has allowed optimization of over 18,200 stages/ intervals with 96% user satisfaction. Its integrated design, high-performance algorithms, and adaptability render FrSmart as a critical domestic solution for enhancing recovery in unconventional low-permeability reservoirs.
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.
Рис. 1. Процесс геолого-инженерной оптимизации дизайна ГРП
Рис. 2. Результаты моделирования трещин и продуктивности
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 [
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.
Рис. 3. Результаты геомеханического моделирования
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.
Рис. 4. 3D-распределение: А — модуля Юнга; Б — коэффициента Пуассона
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).
Рис. 5. Главное напряжение: А — вертикальное; Б — минимальное горизонтальное; В — максимальное горизонтальное
Модуль моделирования искусственных трещин. Для обеспечения точности и скорости моделирования, отвечающей инженерным требованиям, используется комбинация метода граничных элементов (МГЭ) и метода контрольных объемов (МКО) [
Рис. 6. Результаты 3D-моделирования искусственных трещин
Модуль прогнозирования дебитов УВС после ГРП. Преодолены ключевые технологические барьеры, включая моделирование со встроенными дискретными трещинами [
Рис. 7. Примеры результатов прогнозирования дебитов после ГРП
Модуль анализа тестового ГРП. Интерпретация данных мини-ГРП для определения давления смыкания, эффективности жидкости, потерь на трение и т.д. (рис. 8) [
Рис. 8. Кривые мини-ГРП и результаты анализа
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.
Рис. 9. Результаты микросейсмической интерпретации в модуле оперативного управления (SRV, аппроксимация поверхности DFN, динамическая визуализация трещин)
Рис. 10. Результаты интерпретации оптоволоконных данных (DTS/DAS) в модуле оперативного управления
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. [
Рис. 11. Оценка интервалов продуктивности («sweet spots») и проектирование расположения стадий/кластеров ГРП в горизонтальной скважине
Модуль анализа риска деформации обсадных колонн. Предоставляет методы оценки устойчивости разломов (критерий разрушения Мора — Кулона, полигоны напряжений) (рис. 12) [
Рис. 12. Оценка точек риска деформации колонны методами критерия Мора-Кулона и полигонов напряжений
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).
Рис. 13. Результаты работы модуля экономической оценки
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.
Рис. 14. Распространение FrSmart 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).
Рис. 15. Распределение прогнозируемой продуктивности после ГРП — достигнут полный охват запасов
Рис. 16. Результаты моделирования искусственных трещин после ГРП — искусственные трещины покрыли всю область коллектора
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).
Рис. 17. Результаты моделирования искусственных трещин
Рис. 18. Данные мониторинга давления в процессе ГРП
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).
Рис. 19. Результаты прогноза трещин и продуктивности скв. m2H
Рис. 20. Пример моделирования ГРП с временным изолированием (стадия 3, скв. HY-2)
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 нефтиместорождения 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%.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.