Моделирование трещиноватости в карбонатном коллекторе
Соколянская Е.В., Федорова А.А. Будько А.И., Янышев А.Г.


Тюменский нефтяной

научный центр, Таас-Юрях Нефтегазодобыча

В данной работе рассмотрен анализ методов моделирования трещиноватости на примере карбонатных отложений осинского горизонта. Приведено сопоставление основных возможных методов: моделирование связанного коллектора, моделирование двойной проницаемости, моделирование системы микроразломов. Основная проблема существования трещиноватости связана с прорывами газа и, как следствие, высоким газовым фактором, что негативно влияет на уровни добычи нефти. Методы опробованы на секторной гидродинамической модели с фактическим фондом скважин. По результатам гидродинамического моделирования удалось воспроизвести историческую динамику по основным технологическим показателям, в том числе динамику продвижения газа к стволу скважины, что поможет прогнозировать возможные прорывы на проектных скважинах.
Разработка карбонатных коллекторов с низкой проницаемостью — сложная задача, отличающаяся необходимостью учитывать микронеоднородность, расчлененность и сложность строения месторождения. Ярким примером является объект Ос, относящийся к Среднеботуобинскому нефтегазоконденсатному месторождению, расположенному в Республике Саха (Якутия), открытому в 1970 г. и введенному в эксплуатацию в 2013 г.
Особенности геологического строения
Общая толщина осинского горизонта в пределах месторождения изменяется от 47 до 82 м. Эффективная толщина пласта колеблется от 4 до 53 м. Газонефтяная залежь осинского горизонта приурочена к кавернозно-пористым доломитам и известнякам, которые залегают в кровле подсолевого комплекса под мощной толщей каменных солей Юрегинской свиты нижнего кембрия. Основная часть коллекторов относится к низкопроницаемым со средним значением менее 2 мД [1].
Фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС) породы не выдержаны по площади и по разрезу, изменяются от пород с невысокой емкостью и низкой проницаемостью до пород с открытой пористостью более 20 % и проницаемостью до нескольких сотен мД [2]. Коэффициент открытой пористости изменяется в пределах от 0,03 до 0,22 ед. Расчлененность составляет от 7–9 ед.
Проблематика существования трещиноватости в карбонатном коллекторе
Глобальное изучение трещиноватости показало, что трещиноватые коллекторы наиболее вероятны в хрупких породах с низкой проницаемостью, залегающих в областях, где проявлялись тектонические подвижки. Если порода хрупкая и имеет высокую межгранулярную пористость, трещины характеризуются в основном ограниченной протяженностью и относительно небольшой раскрытостью. Такие трещины, имеющие микроскопические размеры, называются микротрещинами [3].
В свою очередь, строение карбонатных пород объекта Ос преимущественно матричное, связанное с переотложенным разрушением карбонатных построек. Коллектор по большей части каверно-поровый и представлен, в основном, вторичными доломитами, образованными в результате метасоматоза первичных известняков. По данным керна, трещины единичные, и глобальное распространение не ярко выражено (рис.1).
Рис. 1. Фото граней кубического образца керна в дневном свете
Фактическая эксплуатация и прорывы газа из газовых толщин
На текущий момент объект Ос разрабатывается 29 скважинами, из которых 4 наклонно-направленные скважины + гидроразрыв пласта, 7 многозабойных скважин и 18 горизонтальных скважин. Лишь одна скважина имеет факт закачки воды, остальные скважины добывающие.
Так как объект Ос считается недоизученным, к пониманию существования и распространения микротрещин подталкивает факт эксплуатации. Газосодержание 98 м33, наличие растворенного газа не так значительно. Резкие фактические прорывы газа (рис. 2) и, как следствие, высокий газовый фактор до 5–6 тыс. м33 по отдельным скважинам говорят о высокой связанности коллектора между газонасыщенными и нефтенасыщенными толщинами.
Рис. 2. Динамика роста фактического газового фактора
(среднее значение)

По данным результатов интерпретации геологических исследований скважин РИГИС, зачастую нет подтверждения связанности коллектора (рис. 3). Газовая шапка и пропластки, насыщенные нефтью, отделены друг от друга перемычкой, не проводящей газ.

Рис. 3. Данные результатов интерпретации геофизических исследований скважин (РИГИС)
На рисунке 4 видно, что во всех направлениях присутствует непроводящая перемычка. Таким образом, на моделях прорывы газа в скважину из газовой шапки становятся невозможными.
Рис. 4. Разрезы скважин вдоль и перпендикулярно по кубу насыщенности

Проблема перетекает в геологическую модель и далее в гидродинамическую. Прогнозировать прорывы газа на проектных скважинах, рекомендованных к бурению, становится крайне затруднительным или даже невозможным из-за высокого отклонения значений газового фактора факт/гидродинамическая модель.
Методы моделирования трещиноватости в гидродинамической модели
В трещиноватых коллекторах процессы движения флюидов в пласте осложняются естественной трещиноватостью пород. При этом сеть трещин может служить не только как система проводящих каналов, влияющая на продуктивность пласта, но и содержать значительные запасы углеводородов. Порода пласта — «матрица» может не обладать какой-либо значимой проницаемостью, однако в ней обычно содержатся основные запасы нефти и газа.
Таким образом, при создании гидродинамической модели необходимы подходы, учитывающие особенности трещиноватого коллектора.
С целью воспроизведения фактических показателей и улучшения прогнозной способности гидродинамической модели рассмотрены методы моделирования трещиноватости в исходной геологической модели.
Для оптимизации времени расчетов из полномасштабной геологической модели вырезан сектор размером 41×41×217 ячеек, при размере ячейки 100×100 м. Средние параметры сектора характерны для средних значений объекта, а именно: средняя проницаемость — 25 мД, средняя пористость — 10 %, ННТ — 11,5 м, ГНТ — 8,2 м, расчлененность — 9 ед. На геологическом секторе создана и рассчитана гидродинамическая модель (рис. 5), включающая в себя фактические скважины [4].
Рис. 5. Секторная ГДМ. Тернарный куб (газ, нефть, вода) — а; разрез по скважине — б

Процесс адаптации прорыва газа в скважины в геотехнологических условиях разработки осинского горизонта требует нетривиальных решений. Основная проблема — низкий по модели газовый фактор по причине наличия перемычки и вертикальной несвязанности нефти и газонасыщенных слоев при применении модели одинарной пористости.
Закономерность прослеживается на ряде кустовых площадок, то есть существует системная ошибка в представлении об объекте, которую необходимо исправить.
Модель связанного коллектора
При гидродинамическом моделировании условные перемычки из известняка преобразовываются в неколлектор и не участвуют в численном расчете, представляя собой неактивные ячейки.
Моделирование гидродинамической связи между газовой шапкой и нефтенасыщенной частью коллектора возможно путем обращения неколлектора в коллектор с крайне низкими фильтрационными свойствами. Таким образом, модель связанного коллектора на секторной гидродинамической модели создана путем присвоения неактивным ячейкам свойств пористости =0,11 д.ед, проницаемости =0,01 мД и насыщением неподвижной водой (рис. 6).
Рис. 6. Разрез из гидродинамической модели сплошной пористости. Куб пористости

Предполагалось, что газ как более подвижная среда, чем нефть и вода, сможет стремительно достигнуть перфорированных интервалов скважины, как наблюдается по факту. Метод связанного коллектора предполагает больший дренируемый объем за счет перевода неактивных ячеек в разряд активных, однако данная опция является возможностью воспроизведения фактических дебитов жидкости и нефти.
Для задачи воспроизведения высокого фактического газового фактора в гидродинамической модели данный подход себя не оправдал. Причиной стала низкая эффективная проницаемость по газу в присутствии подвижной нефти и связанной воды. Лабораторные исследования относительной фазовой проницаемости в системе нефть-газ показали очень низкие значения фазовой проницаемости газа. При этом следует отметить, что число экспериментов в системе нефть-газ крайне мало, поэтому фактор низкой эффективной проницаемости имеет высокую степень неопределенности.
Преимущество подхода очевидно для моделирования трещиноватости в гидродинамических моделях в условиях большей информативности исследований.
Основной недостаток метода — время расчета увеличилось в четыре раза, что критичным образом может сказаться на полномасштабной модели и заставляет искать иные пути решения задачи.
Модель двойной проницаемости
В классической постановке модель двойной проницаемости используется для воспроизведения процесса добычи из трещиноватых коллекторов, при этом первичная пористость связана с матрицей, вторичная — с трещиной. Вторичная пористость подразумевает все эффективные пустоты в горной породе, образованные в результате воздействия
постседиментационных процессов и развивающиеся как в межблоковом пространстве, так и в матрице. Возможно использование для воспроизведения тонких эффектов прорывов флюида [5].
Основное отличие от модели двойной пористости — модель двойной проницаемости подразумевает наличие проницаемости как у блоков матрицы, так и у системы трещин.
В данной задаче имитации прорыва газа вторичная пористость задавалась во много раз меньше исходной пористости для того, чтобы поровый объем соответствовал объему зоны конусообразования. За счет этого прорыв газа при конусообразовании произойдет значительно раньше, чем в модели без двойной проницаемости, поскольку для того, чтобы прорваться в скважину, газу нужно вытеснять не весь объем ячейки, а только нефть из небольшого объема вторичных ячеек.
Для выполнения расчетов на гидродинамической модели обновлен сектор, учитывающий свойства двойной проницаемости (рис. 7).
Рис. 6. Разрез из гидродинамической модели сплошной пористости. Куб пористости

Преимущество метода состоит в том, что модель двойной проницаемости позволяет моделировать перетоки как из матрицы в трещину, так и между ячейками матрицы [6].
Выполненные расчеты на секторной гидродинамической модели показывают эффективность подхода по адаптации газового фактора факт/гидродинамическая модель.
Основной минус — снижение скорости расчета ориентировочно в два раза, так как добыча ведется в основном из трещины. При этом существуют риски ограничения газового фактора при возможном фактическом снижении, которые заставляют искать дополнительные пути моделирования трещиноватости.
Модель микроразломов
Проницаемость трещиноватого коллектора в первую очередь связана с густотой и раскрытостью трещин. Моделирование свойств трещин на геологической модели возможно путем задания сетки микроразломов различных параметров.
Построение модели можно разделить на несколько этапов: моделирование густоты трещин, моделирование их ширины, моделирование угла и азимута падения трещин, моделирование протяженности трещин. Все эти параметры являются настроечными при адаптации в гидродинамической модели, но должны наиболее точным образом подтверждать представление о коллекторе.
Густота распределения трещин по керну объекта Ос невысока, длина трещин может достигать 40–50 см. Угол падения трещин не определен достоверно, но в наибольшем количестве случаев измеряется в диапазоне 20–25 градусов.
Для реализации модели микроразломов перестроена геологическая сетка с общим представлением о распределении трещин путем внедрения сети микроразломов, имитирующих трещиноватость коллектора.
Длина микроразломов условно принята как половина ячейки. Уменьшение длины неэффективно в случае укрупненной сетки модели 100×100 м. Распространение таких трещин применено в каждой 6-й ячейке ввиду низкой густоты фактического распределения. То есть расстояние между микроразломами составляет 5 ячеек, или 500 м. Угол наклона равен 25 градусам, согласно известным данным. Схематичное распределение микроразломов приведено на рисунке 8.
Рис. 8. Схематичное распределение микроразломов

Для моделирования трещин принята сетка с проводящими и непроводящими разломами, не связанными друг с другом. Вариативность свойств может меняться с течением времени в гидродинамической модели, когда данных по керновым исследованиям будет больше и добавится факт эксплуатации скважин (рис. 9).
Рис. 9. Разрез из гидродинамической модели микроразломов.
Куб проницаемости

На обновленной гидродинамической модели вновь выполнены расчеты для адаптации скважин на фактические данные.
Прорывы газа в гидродинамической модели воспроизводятся наиболее достоверно в пределах допустимых отклонений (+-2 % от фактических замеров). К тому же, появляется возможность регулирования динамики газового фактора газ с течением времени. Время расчета гидродинамической модели не увеличивается кратно. Все это говорит об успешности и оптимальности использования метода моделирования трещиноватости.
Основным недостатком метода является трудозатратность в ручном процессе создания сети трещин.
Принятие решения о масштабировании в постоянно действующую гидродинамическую модель
На рисунке 10 представлено сопоставление моделируемых вариантов и фактические данные по газу.
Рис. 8. Схематичное распределение микроразломов

Рассмотренные методы показывают сопоставимые результаты. Для моделирования трещиноватости коллектора рекомендованы все рассмотренные модели в зависимости от конкретных свойств породы, цели моделирования и технических возможностей, а именно:
  • модель связанного коллектора можно использовать для моделирования трещиноватости в гидродинамических моделях в условиях большой информативности исследований. В условиях недоизученности объекта способ не является однозначно достоверным;
  • модель двойной проницаемости можно использовать для моделирования трещиноватости в гидродинамических моделях, в условиях отсутствия ограничения газового фактора, при возможном фактическом снижении. То есть гидродинамическая модель не сможет быть полноценно пригодной для прогнозных расчетов;
  • модель микроразломов, несмотря на трудозатратность метода на начальном этапе, наиболее достоверным способом моделирует трещиноватость карбонатных отложений и имеет возможность регулирования движения газа с течением времени.
Метод рекомендован к применению в полномасштабной гидродинамической модели как наиболее корректный и подтверждающий фактические прорывы газа через трещины в породе.
С целью глубинного понимания свойств коллектора объекта Ос и дальнейшего применения полученной информации в гидродинамической модели рекомендованы к проведению геофизические исследования по ряду скважин, а именно запись электрического каротажа для определения трещиноватости горной породы.

Соколянская Е.В., Федорова А.А. Будько А.И., Янышев А.Г.

ООО «Тюменский нефтяной научный центр», Тюмень, Россия

evsokolyanskaya@tnnc.rosneft.ru
Проведен анализ методов моделирования трещиноватости на секторной гидродинамической модели. Выбран оптимальный вариант с дальнейшей реализацией в полномасштабной постоянно действующей гидродинамической модели.
карбонатный коллектор, трещиноватость, низкая проницаемость, нефтегазовое месторождение, гидродинамическое моделирование
Соколянская Е.В., Федорова А.А. Будько А.И., Янышев А.Г. Методы моделирования трещиноватости на карбонатных отложениях осинского горизонта // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 8. С. 75–79. DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-75-79
17.11.2023
УДК 622
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-75-79

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88