Применение трехмерных спектральных моделей для геологического сопровождения бурения

Н.С. Исмагилов, к.ф.-м.н., Д.С. Мухамадеев

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

В настоящее время находящиеся в разработке нефтяные месторождения характеризуются сложностью геологического строения и снижением качества коллекторов, обусловленным их высокой расчлененностью и низким фильтрационно-емкостными свойствами. Для освоения таких объектов все чаще используются горизонтальные скважины (ГС) и боковые горизонтальные стволы (БГС). Бурение ГС и БГС активно применяется как при разработке новых месторождений, так и при доизвлечении остаточных запасов на истощенных залежах. Результативность бурения таких скважин напрямую зависит от геологической модели, которая в свою очередь должна максимально точно отражать всю структурно литологическую сложность и неоднородность строения месторождения.

Таким образом, на начальном этапе планирования бурения ГС и БГС стоит задача создания корректной трехмерной модели залежи, отвечающей всем геологическим особенностям продуктивных пластов-коллекторов. В компании «Газпром нефть» для решения этой проблемы разрабатывается новый инструмент геологического моделирования, основанный на спектральных методах анализа данных. Спектральный метод моделирования [1] позволяет ослабить ограничения классических методов в виде предположений о стационарности и изотропности моделируемого геофизичекого свойства пласта, которые на практике часто не встречаются.

Другой не менее значимой задачей является учет полученной геологической модели в процессе геонавигации ГС и БГС (процесс определения текущего положения ствола скважины относительно разреза (кровли) опорной скважины при геологическом сопровождении бурения ГС/БГС [2]). Как правило, сопровождение бурения ведется по результатам каротажа ближайшей опорной скважины либо пилотного ствола с использованием ряда допущений (пласт плоскопараллелен и однороден по простиранию). Однако такой подход недопустим в условиях как латеральной, так и вертикальной изменчивости коллекторских свойств. В этом случае перед геологами и инженерами отделов геологического сопровождения бурения возникает необходимость разработки новой методики создания 3D геологической модели месторождения и ее дальнейшего использования непосредственно в процессе сопровождении бурения ГС и БГС.

Из-за ограничений в реализации коммерческих программных продуктов в настоящее время не существует инструмента, позволяющего осуществлять моделирование геологического разреза с заданной степенью детализации (порядка шага каротажа).

В работе представлен новый подход к построению высокодискретных геологических разрезов пласта вдоль апсидальной плоскости ГС на основе каротажных данных окружающих скважин, которые могут быть использованы в процессе геологического сопровождения бурения. Результаты расчетов позволяют сделать вывод о перспективности нового метода, его потенциале по снижению рисков и увеличению эффективности бурения ГС и БГС в условиях высокой расчлененности коллекторов.

Геологическое сопровождение бурения ГС и БГС

Основная цель геологического сопровождения бурения ГС и БГС – достижение максимальной производительности пробуренной скважины и полноты охвата запасов нефти (газа) объекта разработки путем решения геологических задач в соответствии с геологическим проектом на бурение ГС и БГС.

В настоящее время наиболее широко применяются следующие методы геологического сопровождения бурения [2]:

– стратиграфический метод;

– интерпретация и моделирование имиджеров;

– моделирование и инверсия электрического сопротивления;

– модельный метод.

В статье рассмотрен модельный метод геонавигации. Кратко его можно представить в виде последовательности следующих этапов:

1) построение плоскопараллельной модели среды вдоль траектории скважины;

2) расчет синтетической кривой каротажа вдоль скважины с использованием модели среды;

3) сравнение синтетической кривой с реальной кривой каротажа и настройка модели под обновленные данные.

Поскольку продуктивный пласт является неоднородным вследствие фациальной изменчивости, такой подход не всегда корректен, так как модель, построенная по одной опорной скважине, не позволяет отразить латеральную изменчивость пласта. Влияние неоднородности значительно проявляется при сопровождении бурения скважин с большим отходом от вертикали. Настройка синтетического каротажа на фактический каротаж по однородной модели пласта может привести к ошибочным выводам о поведении пласта в пространстве, а также к неэффективной проводке ствола скважины (выход из пласта коллектора). Часто для геонавигации ГС с большим отходом от вертикали последовательно используются данные по нескольким опорным скважинам, при настройке на которые возникает немало вопросов, в частности, неясно, когда необходимо переключаться на следующую опорную скважину. Другой значимой проблемой применения данных нескольких опорных скважин является то, что интегрированная картина разреза оказывается «рваной» и не дает целостного согласованного представления о геологическом строении коллектора вдоль апсидальной плоскости целевой скважины.

Моделирование геологического разреза пласта

Отмеченные недостатки модельного метода на основе одной опорной скважины могут быть компенсированы с помощью 3D моделирования, которое позволяет наиболее полно отразить изменчивость геологического строения коллекторов. Для построения 3D моделей разрезов авторами был выбран спектральный метод стохастического моделирования [1, 3].

Пусть Q=D ·H некоторая область из R3 (трехмерного пространства), в которой осуществляется моделирование. Здесь D⊂R2, H=[h0, h1] – некоторый интервал. В качестве модели геофизического поля принимается стохастическое поле G(x, h), где хD, hН. Для каждого фиксированного х*∈D поле G(х*,h)=g(h) представляет собой случайную  функцию. Для некоторого ортонормированного базиса {φj} в пространстве функций, интегрируемых с квадратом L2(H), функцию g(h) можно представить в виде G(х*,h)=g(h)=Σcjj(h), где cj – случайные коэффициенты разложения по базису {φj}, вычисляемые как скалярное произведение в L2. В общем случае для произвольной точки хD имеем

G(x,h) = Σj cj(x)φj(h),

и задача моделирования поля G(х,h) сводится к генерации случайных полей коэффициентов cj(x) воспроизводящих скважинные данные и требуемую корреляционную структуру.

Важные преимущества спектрального метода моделирования по сравнению c традиционными методами, такими как последовательное гауссово моделирование, заключаются в следующем:

– отказ от требования стационарности и изотропности моделируемого свойства, которые на практике встречаются достаточно редко;

– отказ от параметрического вариаграммного анализа в пользу непараметрического периодограммного метода оценки корреляционной структуры, что позволяет уменьшить долю субъективности, привносимую в процесс построения модели;

– возможность распараллеливания вычислений.

Применение спектрального метода на практике продемонстрировало его способность хорошо воспроизводить геофизические поля в межскважинном пространстве и не разбуренных областях, особенно при сравнении с традиционными методами моделирования (рис. 1) [4, 5].


Рис. 1. Сравнение реальной и синтетических кривых гамма-каротажа (ГК):
1 – реальная кривая ГК; 2 – синтетическая кривая ГК, смоделированная спектральным методом SP; 3 – синтетическая кривая ГК, смоделированная методом SGS

Необходимо особо отметить, что согласно приведенной выше формуле поле G(х,h) может быть представлено непосредственно как функция координат (х,h), т.е. спектральный метод моделирования реализует так называемый Gree-Free Simulation метод. Следовательно, что поле может быть сгенерировано без привязки к какой-то конкретной сетке, что позволяет в свою очередь сгенерировать значения поля непосредственно вдоль интересующего геологического разреза (апсидальной плоскости горизонтальной скважины) с любой требуемой детализацией. При этом моделирование в остальной части области Q может не проводиться, однако данные окружающих скважин, участвующих в моделировании (всех скважин области Q), будут учтены.

Применение спектрального метода позволяет минимизировать ошибки межскважинной интерполяции и более адекватно задать корреляцию данных в межскважинном пространстве для коллекторов с высокими анизотропностью и нестационарностью.

Приведенный алгоритм спектрального моделирования был адаптирован авторами для построения разрезов высокой дискретности вдоль апсидальной плоскости заданной горизонтальной скважины. Программная реализация алгоритма позволила протестировать методику на реальных данных. В статье приведены примеры использования нового подхода для двух различных случаев, взятых из реальной практики бурения горизонтальных скважин.

В первом рассматриваемом случае пробурена скважина с горизонтальным участком длиной около 500 м. Геонавигация в процессе бурения осуществлялась модельным методом на основе данных гамма-каротажа одной опорной скважины. Траектория скважины и результат настройки модели на результаты бурения представлены на рис. 2. На рис. 3 показан разрез, построенный спектральным методом с использованием данных всех окружающих скважин. Результат моделирования предлагаеммым методом – наличие фациальной изменчивости поля гамма-активности по латерали.


Рис. 2. Модель разреза поля на основе данных гамма-каротажа одной опорной скважины

Сравнение моделей разрезов на рис. 2 и 3 показывает, что разрез, построенный с помощью спектрального 3D моделирования, более достоверно отражает изменчивость строения пласта. Высокая дискретность разреза позволяет зарегистрировать синтетический каротаж в масштабе, который дает возможность сравнить его с реальным каротажем. Из рис. 3 видно, что синтетический каротаж хорошо воспроизводит реальные замеры, особенно на горизонтальном участке. Необходимо отметить, что в процессе моделирования разреза, представленного на рис. 3, не участвовали данные рассматриваемой горизонтальной скважины, и синтетический каротаж можно считать прогнозом реального каротажа до начала бурения.


Рис. 3. Геологический разрез поля по данным гамма-каротажа

В качестве второго примера рассмотрим случай бурения горизонтальной скважины, для сопровождения которой в качестве опорных использовались четыре различные скважины. На рис. 4 приведен «сборный» разрез пласта на основе данных четырех окружающих скважин, каждая из которых использовалась в качестве опорной по мере бурения скважины. Такое число опорных скважин обусловлено сложностью геологического строения коллектора в области бурения и значительным удалением ГС от точки входа в пласт. При этом попытка интеграции моделей разрезов, относящихся к различным опорным скважинам, в единую «картину» приводит к нарушению целостности модели геологического строения пласта (см. рис. 4).


Рис. 4. Комбинирование разрезов различных опорных скважин, использованных при бурении

Применение 3D моделирования позволяет учитывать данные всех окружающих скважин и строить согласованную целостную модель разрезов (рис. 5). В первую очередь это целостная согласованная модель разреза вдоль апсидальной плоскости горизонтальной скважины, которая более достоверно отражает изменчивость строения пласта. К другим преимуществам можно отнести тот факт, что применение модели разреза, изображенного на рис. 5, позволяет избавиться от выбора опорных скважин и процедуры переключения между ними.


Рис. 5. Разрез, построенный спектральным методом моделирования

Таким образом, подход, основанный на спектральном 3D моделировании разрезов высокой дискретности, имеет большой потенциал при решении задач геонавигации в коллекторах сложного строения. Однако доступные на сегодняшний день инструменты геонавигации не позволяют строить 3D модели, а инструменты 3D моделирования не интегрированы с инструментами геонавигации и не дают возможности строить высокодискретные разрезы. Это приводит к тому, что для реализации представленного метода необходимо разрабатывать новый инструмент геонавигации либо встраивать его в один из существующих программных комплексов.

Одним из направлений дальнейших исследований является разработка методики моделирования геологического разреза с использованием комплекса методов ГИС (например, гамма-каротаж – метод потенциалов самопроизвольной поляризации – индукционный каротаж – нейтронный каротаж и др.) Это позволит более корректно восстанавливать литологические особенности коллекторов карбонатных месторождений.

Другим перспективным направлением развития инструмента геонавигации на основе спектрального метода является вовлечение в процесс моделирования горизонтальных скважин, поскольку текущий уровень развития спектрального моделирования предполагает использование данных только субвертикальных скважин. Построение спектральных моделей и разрезов на основе горизонтальных скважин дало бы возможность оперативно обновлять модель разреза в процессе бурения таким образом, чтобы кривые синтетического каротажа, снятые с модели разреза, совпадали с кривыми реального каротажа. Это позволило бы значительно увеличить эффективность процесса геонавигации.

Список литературы

1. Байков В.А., Бакиров Н.К., Яковлев А.А. Новые подходы в теории геостатистического моделирования //Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2010. – Т. 14. – №. 2 (37).

2. Griffiths R.Well Placement Fundamentals //Schlumberger. – http://www.slb.com/resources/publications/books/well_placement_fund. aspx

3. Байков В.А, Бакиров Н.К, Яковлев А.А. Математическая геология: Т. I: Введение в геостатистику. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2012. – 228 с.

4. Автоматизация литолого-фациального анализа на основе спектральной теории / М.М. Хасанов, Б.В. Белозеров, А.С. Бочков [и др.] // Нефтяное хозяйство. – 2015. – №. 12. – С. 48-51.

5. Применениеспектральной теории для анализа и моделирования фильтрационно-емкостных свойств пласта / М.М. Хасанов, Б.В. Белозеров, А.С. Бочков [и др.] //Нефтяное хозяйство. – 2014. – №. 12. – С. 60-64.

Возврат к списку