Комплексный подход к планированию операций многостадийного гидроразрыва пласта как инструмент повышения добычи в условиях низкопроницаемых трещиноватых коллекторов

15.05.2020

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2020 - № 1 (15).

УДК 622.276.66.001.57

В.В. Родионов, Д.И. Торба, Д.В. Кашапов, А.С. Продан, А.В. Бочкарев, А.И. Лисицын
ООО «Инжиниринговый центр МФТИ по трудноизвлекаемым полезным ископаемым»
Д.Ф. Бухаров, О.В. Буков
ООО «Технологический центр «Бажен»

Электронный адрес: Rodionov.VV@cet-mipt.ru

Ключевые слова: трудноизвлекаемые запасы, баженовская свита, стимулированный объем пласта, горизонтальные скважины с многостадийным гидроразрывом пласта (МГРП)

Масштабная разработка залежей трудноизвлекаемых запасов – низкопроницаемых трещиноватых коллекторов, таких как пласты баженовской свиты, в Российской Федерации начата относительно недавно и в настоящее время находится на стадии проведения опытнопромышленных работ (ОПР). Результаты ОПР свидетельствуют о недостижении прогнозных дебитов скважин после выполненных обработок, в связи с чем потребовался комплексный подход, учитывающий аспекты геолого-геомеханического строения пласта и технологических параметров воздействия. Разработка залежей баженовской свиты осуществляется с применением технологии многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) в горизонтальных скважинах (ГС). При этом сложное строение залежей баженовской свиты и высокая неоднородность свойств как по разрезу, так и в пределах площадей лицензионных участков не позволяют выработать универсальный подход, обеспечивающий рентабельную добычу нефти. Это также связано с тем, что небольшое число успешно эксплуатируемых ГС с МГРП не позволяет получить достаточный объем статистической информации о результатах проведения МГРП. В настоящее время одним из основных подходов к разработке таких нетрадиционных объектов, как баженовская свита, является создание «искусственного коллектора» или стимулированного объема пласта (SRV), представляющего собой разветвленную сеть трещин, которая позволяет дренировать значительную часть пласта. В связи со значительными отличиями баженовской свиты от традиционного коллектора (сверхнизкая матричная проницаемость, наличие естественной трещиноватости, низкая анизотропии напряжений и др.) потребовалось создать симулятор ГРП, который позволяет проводить моделирование как планарных трещин, так и разветвленной сети. Таким симулятором является отечественный программный комплекс (ПК) «РОСТ МГРП». Разработанный программный продукт дает возможность моделировать МГРП с учетом формирования как стимулированного объема пласта, так и одиночных планарных трещин. В данной работе представлен комплексный подход к проектированию, моделированию и проведению операций ГРП в условиях низкопроницаемого трещиноватого коллектора – баженовской свиты, учитывающий как геолого-геомеханические особенности объекта, так и технологические параметры проведения операций МГРП. В результате применения данного подхода разработан и внедрен план выполнения операций МГРП, позволивший увеличить стартовый дебит нефти и накопленную добычу в сравнении с аналогичными параметрами, ранее пробуренных скважин.

Integrated approach to multistage hydraulic fracturing design as instrument of oil production increase in low-permeable, fractured-type reservoirs

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2020, no. 1 (15).

Rodionov V.V., Torba D.I., Kashapov D.V., Prodan A.S., Bochkarev A.V., Lisitsyn A.I.
MIPT Center for Engineering and Technology LLC, RF, Saint-Petersburg
D.F. Bukharov, O.V. Bukov
Bazhen Technology Centre LLC, RF, Saint-Petersburg

E-mail: Rodionov.VV@cet-mipt.ru

Keywords: remaining recoverable reserves, reservoir complexity index (RCI), recovery factor (RF), El-Hatib model, characteristic of desaturation, lateral heterogeneities of reservoir

Major development of hard-to-recover reserves from low permeability fractured reservoirs has been recently started in the Russian Federation, and at the moment it is at the stage of pilot development works. After the data processing has been carried out, the results of pilot development works haven’t confirmed the achievement of anticipated well flow rates. Therefore, a comprehensive approach was required that took into account the geological and geomechanical properties of the layer and process parameters of operations. Currently, the development of the deposits of Bazhenov Formation is being performed with use of multi-stage hydraulic fracturing in horizontal wells. Thereat, the complexity of Вazhenov Formation deposits and high inhomogeneity of rock properties along the section and within the areas of the Licensed Blocks do not allow for a versatile approach to the technology implementation, which would assure a commercial oil production. This is also caused by a small number of successfully operated horizontal wells where multi-stage hydraulic fracturing is used, what does not allow for collection of a sufficient scope of statistical information about the results of multi-stage hydraulic fracturing in order to take it into account during planning of operations in future. Nowadays one of the main approaches to the development of such unconventional objects as Bazhenov Formation is the creation of “artificial reservoir” or stimulated reservoir volume (SRV) represented by an extensive network of fractures that allows drainage of a significant part of the layer. In view of the fact that Bazhenov Formation considerably differs from a conventional reservoir (ultra-low matrix permeability, presence of natural fractures, low stress anisotropy, etc.) it was required to develop a hydrofracturing simulator that allowed modeling of planar fractures as well as an extensive network with account of various geological, geomechanical and technological factors. Such a simulator is Russian software solution “ROST MGRP”. The developed software product allows to simulate the design of a multi-stage hydraulic fracturing, taking into account the formation of a stimulated reservoir volume as well as single planar fractures. This paper describes a comprehensive approach to engineering, modeling and performance of hydraulic fracturing in the low permeability fractured reservoir, Bazhenov Formation, with account for geological and geomechanical particularities of the formation, as well as process parameters of hydraulic fracturing operations. Basing on the results of this approach a plan for hydraulic fracturing operations has been developed and implemented that allows for increase of starting oil flow rate and cumulative production in comparison with equivalent earlier drilled wells.

DOI: 10.24887/2587-7399-2020-1-34-39

Введение

Масштабная разработка залежей трудноизвлекаемых запасов – низкопроницаемых трещиноватых коллекторов, таких как пласты баженовской свиты, в Российской Федерации начата относительно недавно и в настоящее время находится на стадии проведения опытно-промышленных работ (ОПР). Результаты ОПР свидетельствуют о недостижении прогнозных дебитов скважин после выполненных обработок, в связи с чем потребовался комплексный подход, учитывающий аспекты геолого-геомеханического строения пласта и технологических параметров воздействия. В настоящее время одним из основных подходов к разработке таких нетрадиционных объектов, как баженовская свита, является создание «искусственного коллектора», или стимулированного объема пласта (SRV), представляющего собой разветвленную сеть трещин, которая позволяет дренировать значительную часть пласта. В данной работе рассмотрен комплексный подход к проектированию, моделированию и проведению многостайного гидроразрыва пласта (МГРП) в условиях низкопроницаемого трещиноватого коллектора – баженовской свиты, учитывающий как геолого-геомеханические особенности объекта, так и технологические параметры проведения операций МГРП. В результате применения данного подхода разработан и внедрен план выполнения МГРП, позволивший увеличить стартовый дебит нефти и накопленную добычу в сравнении с аналогичными параметрами ранее пробуренных скважин

Подготовка геомеханической модели

Для пластов баженовской свиты характерны наличие локальных дизъюнктивных нарушений, естественная трещиноватость, а также неоднородное напряженно-деформированное состояние. Следовательно, для качественного моделирования МГРП в горизонтальной скважине (ГС) с учетом формирования разветвленной сети трещин сначала необходимо построить геолого-геомеханическую 3D модель пласта, провести оценку дизъюнктивных нарушений, построить модель естественной трещиноватости в районе проектируемой скважины, а также 1D геомеханическую модель пласта для точек инициации трещин – стадий МГРП. 1D геомеханическая модель, подготавливаемая для каждой стадии МГРП, представляет собой вертикальный разрез целевого и перекрывающих пластов с определением основных геомеханических параметров: модуля Юнга, коэффициента Пуассона, минимального горизонтального напряжения и др. Результатом выполненного в коммерческом программном обеспечении расчета инверсионной модели напряжений являются карты плотности, угла падения и простирания трещин каждого типа: сдвига, растяжения, сжатия. При помощи программного комплекса (ПК) «РОСТ МГРП» осуществляется построение двумерной модели дискретной сети трещин DFN (Discret Fracture Network) для трещин каждого типа в каждой расчетной ячейке области моделирования. Число трещин в ячейке нормируется по минимальному и максимальному значениям плотности их распределения, полученной в результате расчета инверсионной модели напряжений. Итогом построения DFN модели естественной трещиноватости является карта трещин с заданными координатами и азимутом падения каждой трещины.

Полученные результаты проведения МГРП в скважинах, пробуренных на баженовскую свиту, и результаты моделирования добычи нефти по дизайну инжинирингового центра МФТИ Позволяют сделать вывод об эффективности комплексного подхода к проектированию, моделированию и проведению операций гидроразрыва пластов баженовской свиты.

Еще одним результатом построения 3D геолого-геомеханической модели пласта, используемым в ПК «РОСТ МГРП», является карта поля напряжений моделируемого участка, которая представляет собой значения минимального и максимального горизонтальных напряжений (учет анизотропии) и значения азимута максимального напряжения (азимут преимущественного распространения трещин ГРП) в каждой расчетной ячейке области моделирования.

Подготовка дизайна ГРП

По результатам ретроспективного анализа были выделены два основных дизайна ГРП, применяемых в скважинах баженовской свиты: на гибридной системе жидкости и на сшитом геле. На опытно-промышленном участке месторождения Х пробурены скважины, вскрывающие продуктивные интервалы баженовской свиты. Во всех скважинах реализованы

6.JPG

По результатам ретроспективного анализа были выделены два основных дизайна ГРП, применяемых в скважинах баженовской свиты: на гибридной системе жидкости и на сшитом геле. На опытно-промышленном участке месторождения Х пробурены скважины, вскрывающие продуктивные интервалы баженовской свиты. Во всех скважинах реализованы типовые ГРП, их основные показатели представлены в таблице. В скв. 1 с зарезкой бокового ствола был проведен семистадийный МГРП на сшитом геле, расход которого составил 5,5 м3/мин. ГРП на сшитом геле включает проведение операции исключительно на высоковязком геле с постоянным увеличением концентрации проппанта. Гидроразрыв пласта на сшитом геле имеет следующие преимущества: – возможность использования проппанта крупных фракций; – высокая конечная концентрация проппанта; – отсутствие проблемы оседания проппанта в призабойной зоне пласта; – достаточная ширина трещины ГРП для переноса проппанта. Помимо преимуществ, существуют и недостатки, к которым можно отнести следующие. – Возможный рост трещиныв высоту (в зависимости от особенностей профиля механических свойств), что увеличивает вероятность вскрытия нецелевых интервалов. – Подход стандартен для мощных проницаемых пластов, являющихся полной противоположностью пластам баженовской свиты. – Закачиваемый в пласт под высоким давлением сшитый гель после размещения проппанта под действием деструктора образует в трещине трудноудаляемый осадок, что снижает проводимость трещины ГРП. Основное ограничением применения дизайна ГРП на сшитом геле в пластах баженовской свиты – отсутствие формирования стимулированного объема пласта. Образование малоразветвленной сети трещин или преимущественно планарных трещин происходит прежде всего из-за высокой вязкости жидкости, в результате чего чаще всего реализуется сценарий пересечения гидравлической трещины ГРП и естественной трещины без раскрытия и последующего закрепления последней [5]. Такой подход может применяться для приобщения структурных нарушений. Кроме того, проведение стандартного ГРП на сшитом геле предполагает использование меньших объемов жидкости, что является причиной меньшей гидравлической полудлины создаваемых трещин, следовательно, снижается вероятность пересечения естественной трещины и трещины ГРП. Гибридный дизайн предполагает применение различных типов жидкости в ходе одной операции ГРП. Использование большого объема маловязкой жидкости способствует удлинению техногенных трещин и более активному формированию их разветвленной сети (рис. 1). Для закрепления проппантом созданных гидравлических трещин используется большое количество проппантных пачек. Однако при проведении данного типа ГРП закачивается большое количество жидкости, что приводит к следующим осложнениям: – формирование гидродинамически не связанных участков сети трещин;

7.JPG8.JPG

– наполнение трещин проппантом малой концентрации, что в процессе работы скважины снижает ширину и проводимость трещины до нулевых значений; – разрушение и вдавливание проппанта в стенки трещины вследствие его низкой концентрации. Анализ значений стартовых дебитов, а также тренда их падения показал, что скв. 4 и 1 имеют схожие стартовые дебиты и накопленную добычу (рис. 2). У скв. 4 стартовый дебит выше, но в процессе отбора жидкости произошло его быстрое падение. Одной из причин является потеря части SRV из-за смыкания незакрепленных трещин либо трещин, с малой концентрацией проппанта по причине его вдавливания в стенки трещины ГРП. Скв. 1 имеет меньший стартовый дебит, однако текущий дебит стабилен в течение почти 2 лет. МГРП в данной скважине проведен на сшитом геле, что приводит к формированию преимущественно планарных трещин. Скв. 2 и 3 характеризуются более высокими стартовыми и текущими дебитами, а также

9.JPG

более высокой накопленной добычей. В скв. 3 использовано меньше жидкости ГРП при неизменной средней массе проппанта, т.е. создана сеть трещин с повышенной концентрацией проппанта. Вследствие этого проводимость трещин в процессе работы снижается менее значительно. В скв. 2 ситуация схожа с ситуацией в скв. 4. Аналогичный дизайн закачки позволил добиться максимального стартового дебита (около 20 т/сут), однако в дальнейшим произошло его резкое падение. С учетом накопленного опыта проведения гидроразрыва пластов баженовской свиты, анализа работы скважин после ГРП, геолого-геомеханических факторов (неоднородное поле напряжений, карта естественной трещиноватости в окрестностях скважины, 1D геомеханическая модель для каждой стадии), а также мирового опыта разработки сланцевых залежей специалистами Инжиниронгового центра МФТИ и Технологического центра «Бажен» для условий баженовской свиты разработан альтернативный дизайн МГРП (рис. 3).

10.JPG

Он представляет собой гибридный ГРП, включающий три различных типа жидкости: воду с понизителем трения, линейный и сшитый гели. Во избежание деградации сети трещин снижен общий объем жидкости за счет уменьшения объема жидкости продавки между слаговыми пачками. Использование большой доли маловязкой жидкости способствует более активному формированию сети трещин. Для наиболее равномерного закрепления сформированной сети трещин предлагается закачка проппантных пачек с постепенным увеличением концентрации проппанта, что способствует закреплению более мелких и удаленных трещин в отличие от типового дизайна ГРП. Также пошаговое увеличение концентрации проппанта способствует увеличению проводимости трещин по мере приближения удаленной стимулированной зоны пласта к призабойной. Для переноса проппанта в маловязкой жидкости одним из главных факторов является использование высокорасходного флота ГРП. В данном случае высокий расход служит для поддержания раскрытия системы трещин и компенсации утечек при активации трещиноватости. Использование относительно небольшого объема сшитой жидкости обеспечивает формирование трещин в продуктивном интервале баженовской свиты. Снижение доли сшитого геля обеспечивает минимальное загрязнение трещины продуктами деструкции геля ГРП. По результатам моделирования (рис. 4) отмечается эффективное применение разработанного дизайна ГРП.

Гидродинамическое моделирование

Для подтверждения эффективности проведения операций МГРП по различным планам обработки, а также прогноза дебита нефти после МГРП было проведено моделирование в гидродинамическом симуляторе PEBI. Данный симулятор позволяет рассчитывать прогнозируемый дебит жидкости и нефти с учетом сформированной сети трещин, полученной в симуляторе «РОСТ МГРП». По результатам гидродинамического моделирования стартовый дебит для ГС с 15 стадиями ГРП составляет 88 т/сут. Высокий модельный стартовый дебит позволяет сделать вывод об эффективности применения дизайна ГРП Инжинирингового центра МФТИ. В связи с этим было принято решение о проведении МГРП с альтернативным дизайном в проектируемой скв. 5. В данной скважине по результатам моделирования было запланировано проведение 15-стадийного ГРП с применением альтернативного плана обработки. Полученный SRV имеет большее число трещин, закрепленных проппантом.

Заключение (анализ полученных данных)

В ходе проведения операции ГРП в скв. 5 согласно утвержденному плану работ осложнений не возникло. На рис. 5 приведена динамика прогнозного и фактического дебитов нефти после вывода скв. 5 на режим. В уравнениях материального баланса при гидродинамическом моделировании учитывались объем закачанного

11.JPGГрафик

флюида в ходе проведения операции МГРП, а также последующая его отработка. После отработки жидкости стартовый дебит нефти скв. 5 составил 88 т/сут, что показывает хорошую сходимость с фактическим стартовым дебитом – 83 т/сут. Фактический тренд падения добычи нефти совпадает с расчетным, что свидетельствует о достаточной прогнозной способности данной модели. Полученные результаты проведения МГРП в скважинах, пробуренных на баженовскую свиту, и результаты моделирования добычи нефти по дизайну Инжинирингового центра МФТИ позволяют сделать вывод об эффективности комплексного подхода к проектированию, моделированию и проведению операций гидроразрыва пластов баженовской свиты. МГРП, выполненный согласно разработанному дизайну, приводит к значительному увеличению стимулированного объема пласта, что подтверждается как результатами моделирования по фактическим данным закачек, так и увеличением дебита в результате обработки в 2 раза по сравнению с дебитом соседних скважин, простимулированных по типовому плану

Список литературы

    1. Оптимизация конструкции многостадийного ГРП в условиях баженовской свиты / А.В. Бочкарев, С.А. Буденный, Р.Н. Никитин [и др.] // Нефтяная промышленность. – 2017. – № 3. – С. 50–53.
    2. Оценка влияния реактивированных природных трещин на общий SRV при многостадийном гидроразрыве (на русском) / А. Гула, А. Бочкарев, А. Вишнивецкий [и др.] // SPE-191629-18RPTC-RU. – 2014. – DOI:10,2118/191629-18RPTC-RU.
    3. Дифференцированный подход к оценке ресурсной базы нефтематеринских отложений. Общество инженеров-нефтяников / А.Д. Алексеев, А.А. Антоненко, В.В. Жуков, К.В. Стрижнев // SPE-182074-RU. – 2016.
    4. Опыт построения 3D геомеханических моделей (на примере одного из месторождений Западной Сибири) / Ю.В. Овчаренко, С.В. Лукин, О.А. Татур [и др.] // SPE-182031-RU. – 2016.
    5. Yew C.H., Weng X. Mechanics of hydraulic fracturing. – Gulf Professional Publishing, 2014. – 244 p.

    Reference

    1. Bochkarev A.V., Budennyy S.A., Nikitin R.N., Mitrushkin D.A., Erofeev A.A., Zhukov V.V., Optimization of multi-stage hydraulic fracturing design in conditions of Bazhenov formation (In Russ.), Neftyanoe khozyaystvo = Oil Industry, 2017, no. 3, pp. 50–53.
    2. Gula A., Bochkarev A., Vishnivetskiy A., Nikitin R., Ovcharenko Yu., Alchibaev D., Assessment of reactivated natural fractures influence on overall SRV during multi-stage hydraulic fracturing (In Russ.), SPE-191629-18RPTC-RU, 2018, https://doi.org/10.2118/191629-18RPTC-RU
    3. Alekseev A.D., Antonenko A.A., Zhukov V.V., Strizhnev K.V., The differentiated approach of the reserves estimation for source rock formations (In Russ.), SPE-182074-RU, 2016, https://doi.org/10.2118/182074-RU
    4. Ovcharenko Yu.V., Lukin S.V., Tatur O.A., Kalinin O.Yu., Kolesnikov D.S. et al., Experience in 3D geomechanical modeling, based on one of the West Siberia oilfield (In Russ.), SPE-182031-RU, 2016, https://doi.org/10.2118/182031-RU
    5. Yew C.H., Weng X., Mechanics of hydraulic fracturing, Gulf Professional Publishing, 2014, 244 p.

Возврат к списку