Оптимизация технологий гидроразрыва пласта на месторождениях НК Роснефть, 2006

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ © А.В. Тимонов, А.Г. Загуренко, 2006

УДК 622.276.66

Оптимизация технологий гидроразрыва пласта на месторождениях ОАО «НК «Роснефть» А.В. Тимонов, А.Г. Загуренко (КНТЦ ОАО «НК «Роснефть»)

В В

настоящее время гидроразрыв пласта (ГРП) является наиболее результативным геолого-техническим мероприятием (ГТМ), обеспечивающим кратное увеличение добычи и повышение эффективности разработки низкопроницаемых коллекторов. В связи со значительным потенциалом и в то же время сложностью данного вида ГТМ необходимо создание комплексной системы планирования и оптимизации бизнес-процесса ГРП. Одним из наиболее приоритетных направлений данной системы является оптимизация дизайна ГРП. Значительное число научных работ по указанной теме в основном посвящено оптимизации параметров трещины для создания минимального скин-фактора при заданной массе проппанта. В то же время при выборе оптимального объема ГРП до сих пор чаще всего полагаются только на старый проверенный метод проб и ошибок, а мнения специалистов варьируют в очень широком диапазоне – от «консервативных» дизайнов с минимальным объемом проппанта до «агрессивных» - на пределе возможностей современной технологии. Между тем, новый уровень развития технологий позволяет проводить большеобъемные ГРП, для успешной реализации которых требуется более детальное изучение влияния различных параметров, включая технологические риски. Например, в ОАО «НК «Роснефть» есть опыт проведения ГРП с использованием до 530 т проппанта. Анализ мероприятий по ГРП, выполненных различными сервисными компаниями, подтверждает, что при значительном увеличении массы проппанта отсутствие комплексного подхода приводит к снижению эффективности данной технологии. Это вызвано в первую очередь неэффективным использованием значительной части закачиваемого проппанта при проведении большеобъемных ГРП. Таким образом, очевидна необходимость решения следующей многопараметрической задачи: оптимизация массы проппанта при условии максимизации экономической эффективности и учета технологических и геологических рисков. В статье предлагается решение данной задачи на основе комплексного подхода с помощью интегрированной технико-экономической оптимизации дизайна ГРП, применяемой на месторождениях ОАО «НК «Роснефть». Представлена комплексная система планирования и проведения ГРП, которая позволила значительно повысить эффективность данного вида ГТМ в рамках деятельности компании Условия проведения ГРП в ОАО «НК «Роснефть» НК «Роснефть» характеризуется широкой географией добывающих активов: от Сахалина до Чеченской Республики, в большей их части проводятся ГРП. При этом отмечаются совершенно

68

11’2006

Optimization of hydrofracturing technologies at Rosneft NK OAO deposits A.V. Timonov, A.G. Zagurenko (Rosneft NK OAO KNTTs) The solving of a problem of optimization of proppant weight under condition of maximization of economic efficiency and the technological and geological risks accounting is offered. The complex system of planning and carrying out of hydrofracturing, which has allowed to increase efficiency of the given technology in areas of Rosneft NK OAO activity, is presented.

разные геологические условия и характеристики разрабатываемых пластов: - проницаемость, 10-3 мкм2 (мД) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 200 - глубина залегания, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700 - 3500 - температура, °С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 - 135 - толщина, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 100 - давление, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - 35 В южных регионах в ООО «РН-Краснодарнефтегаз» пласты характеризуются глубоким залеганием и значительной толщиной, в ООО «РН-Ставропольнефтегаз» - высокой пластовой температурой, в ОАО «Грознефтегаз» - представлены карбонатами. В Поволжье в ОАО «Удмуртнефть» пласты сложены карбонатами, имеют низкое давление, подстилающую воду, газовую шапку, вязкость нефти - до 140 мПа⋅с. Для пластов Западной Сибири и Тимано-Печоры характерны подстилающая вода, газовая шапка, высокие газовые факторы и давление насыщения (ООО «РН-Пурнефтегаз»), совместная добыча из трех пластов (ООО «РН-Юганскнефтегаз»). На Сахалине в ООО «РН-Сахалинморнефтегаз» для месторождений свойственны низкие пластовые давления, многопластовые залежи, подстилающая вода, газовые шапки, высокие газовые факторы. Необходимо отметить, что для НК «Роснефть» ГРП является приоритетным ГТМ не только как способ увеличения добычи, но и как технология повышения КИН на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами. Ежегодно компания проводит более 1200 операций ГРП. Такие операции позволяют выравнивать темпы выработки пластов, вовлекать в разработку гидродинамически не связанные нефтенасыщенные прослои, разрабатывать малопродуктивные коллекторы, ввод в разработку которых без ГРП технологически невозможен. Результаты моделирования, представленные на рис. 1, показывают влияние ГРП на прирост коэффициента охвата для различных систем разработки.

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Рис. 1. Влияние ГРП на коэффициент охвата Кохв: сетка скважин: 1 – 200×200 м; 2 – 500×500 м; 3 – 1000×1000 м

Одним из наиболее ярких примеров улучшения показателей разработки за счет применения ГРП является Приобское месторождение. Основные характеристики месторождения следующие: совместная добыча из трех пластов - (АС10, АС11, АС12); средняя проницаемость пластов 4 мД (4⋅10-3 мкм2); средняя толщина 30 м; средний дебит нефти 90 т/сут. Во всех скважинах выполнено примерно 1600 операций большеобъемных ГРП. На Приобском месторождении без ГРП в разработку вовлекается 39 % запасов; с применением ГРП - все запасы. Индивидуальный дизайн ГРП для пластов АС10-12 - от 100 до 300 т проппанта для каждого пласта, длина трещины 70-120 м, ширина 6-8 мм. Дополнительная добыча нефти за счет ГРП составляет примерно 38 млн. т., прирост КИН - 0,226. Значительные масштабы, приоритетность и широкий диапазон геологических условий при проведении ГРП обусловливают необходимость использования комплексной системы планирования и оптимизации данного вида ГТМ, основанной на процессном подходе (рис. 2). Бизнес-планирование процессов ГРП Основными элементами бизнес-процесса ГРП являются: - расчеты и исследования: выбор оптимальной стратегии проведения ГРП; - система функционального распределения (аппарат управления компании – ДАО – корпоративные НИПИ): компания – определение стратегии развития и постоянный аудит текущей ситуации; ДАО – реализация мероприятий, постоянное взаимодействие с подрядчиками, принятие оперативных решений; корпоративные НИПИ – методическая поддержка, анализ эффективности проведенных ГРП, предложение скважин-кандидатов на основе анализа разработки месторождений; - технологическое обучение и мониторинг кадров: система совершенствования технических и менеджерских компетенций сотрудников; - система распространения знаний: создание корпоративной базы знаний; привлечение экспертов мирового уровня; Постоянный обмен опытом внутри компании; - база данных ГРП: единая база данных по всем ГРП, проводимым в компании; - система технологического аудита ГРП: ежемесячный аудит всех проводимых мероприятий и оперативное корректирование; - рабочая группа системы новых технологий по направлению ГРП: аккумулирование лучшего мирового и отечественного опыта в области технологий ГРП (работа с корпоративными НИПИ и ведущими мировыми исследовательскими центрами);

подготовка и реализация пилотных проектов по испытанию новых технологий ГРП; формирование единого пространства ГРП в компании; постоянный контакт с лучшими сервисными компаниями. Для решения основных проблем, стоящих перед компанией в области ГРП (снижение КИН, сложные геологические условия, уменьшение числа скважин-кандидатов для ГРП), внедрена система новых технологий, в рамках которой проводится оптимизация существующих и внедрение новых технологий по наиболее приоритетным направлениям. ГРП в условиях тонких перемычек. Здесь применяются технологии «Недосшитый гель», «ClearFrac». С использованием данных технологий проведены ГРП в 10 скважинах, текущая дополнительная добыча нефти составила более 35 тыс. т. Осуществляются ГРП еще в 10 скважинах. ГРП в горизонтальных скважинах. Используются технологии SurgiFrac, «Слепой» ГРП». ГРП проведены в четырех скважинах, текущая дополнительная добыча нефти составила более 30 тыс. т, планируется проведение ГРП еще в восьми горизонтальных скважинах. Комплексные исследования геометрии трещины ГРП. Разработана собственная методика интерпретации комплексных акустических исследований. По результатам акустических и пассивных сейсмических исследований геометрии трещины ГРП ведется оптимизация дизайнов. Расчеты и исследования Для эффективной работы системы одним из наиболее важных процессов является проведение инженерных расчетов и исследований на каждом этапе: от планирования до анализа эффективности выполненных ГРП. Данный процесс состоит из следующих подпроцессов. ➢ Подбор скважин (с учетом особенностей пласта, запасов и т.д.): - оценка скважин-кандидатов не только исходя из моментально прироста дебита, но и с обязательным учетом влияния на систему разработки и поверхностного обустройства в перспективе. ➢ Дизайн ГРП: - оптимальный дизайн на основе технико-экономической оптимизации; - оптимизация жидкости ГРП (концентрация гелланта, брейкеров и других химических добавок, объемы подушки и скорость закачки); - использование оптимального проппанта (работа со всеми производителями, применение различных технологий закрепления проппанта). ➢ Анализ результатов и оптимизация дизайна ГРП с учетом постоянно обновляющихся геологических и гидродинамических моделей. Подбор скважин-кандидатов и дизайн ГРП Процесс подбора скважин-кандидатов для проведения ГРП в целом можно разделить на три основных этапа.

1. Уточнение текущих параметров работы скважин, предварительный расчет эффекта от ГРП и создание ранжированного списка скважин-кандидатов: - проведение специальных исследований; - подбор планируемой компоновки оборудования и определение целевого забойного давления после ГРП; - предварительный расчет целевого забойного давления; - ранжирование скважин-кандидатов по эффекту от ГРП; - выделение лучших скважин-кандидатов исходя из текущей ситуации по данному региону и учета экономической эффективности.

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

11’2006

69

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Рис. 2. Процессно-событийная модель бизнес-процесса планирования и оптимизации ГРП

2. Анализ текущего состояния разработки по каждой скважине-кандидату: - исключение рискованных скважин по геологическим причинам: риск прорыва в водо- или газонасыщенный горизонт, близкий ВНК, возможность прорыва нагнетаемой воды и др.; - корректирование прогнозного прироста дебита по отдельным скважинам (при необходимости) с учетом ограничения технологии ГРП; - оценка остаточных извлекаемых запасов, приходящихся на скважину, с учетом сложившейся системы разработки, исключение скважин-кандидатов, вскрывших пласты с низкими остаточными запасами; - анализ текущей и накопленной компенсации, оценка возможностей оптимизации системы ППД и поверхностного

70

11’2006

обустройства с целью увеличения эффективности ГРП.

3. Анализ технического состояния скважин и системы поверхностного обустройства. Оценка необходимого оборудования после проведения ГРП: - анализ технического состояния скважины с точки зрения проведения ГРП: определение интервала перфорации, глубины установки пакера и др.; - формирование мероприятий по подготовке скважин к ГРП; - оптимизация дизайна ГРП с точки зрения максимальной экономической эффективности, учитывающая геологические и технические ограничения [1-3]; - окончательный подбор скважинного оборудования и определение эффекта от ГРП.

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ При этом проницаемость трещины зависит от давления смыкания Рс и фактора снижения проницаемости PDF, характеризующего снижение проницаемости проппанта за счет загрязнения трещины остатками геля и жидкости гидроразрыва, kf = kflab⋅(1-PDF), kflab=f(pc),

(4)

где - проницаемость пласта, определяемая по данным лабораторных исследований в условиях стресса, мД (10-3 мкм2). Кроме того, число проппанта Nprop линейно связано с массой проппанта kflab

Mprop=β⋅Nprop,

(5)

где β - коэффициент, являющийся функцией параметров проппанта и характеристик пласта,

Рис. 3. Схема технико-экономической оптимизации ГРП

Результатом является ранжированный по эффекту от ГРП список скважин-кандидатов. Далее происходит оптимизация параметров ГРП по данному списку. Оптимизация параметров ГРП Принципиальная схема технико-экономической оптимизации представлена на рис. 3. Расчеты базируются на закрепленном объеме трещины (эффективный объем трещины) Vprop , который приходится на продуктивную часть пласта (1) где Мprop – масса проппанта, т; ρprop – плотность проппанта, т/м3; ϕprop/NTG = hnet/hgross – часть трещины, приходящаяся на неколлектор; Ex – параметр, учитывающий неэффективную часть трещины ГРП, выходящую за пределы продуктивного пласта; корректное определение высоты трещины после ГРП (по факту) является существенным и необходимым условием для оценки эффективности и дальнейшей оптимизации дизайна ГРП; hnet, hgross – соответственно эффективная и общая толщина пласта, м; хf – полудлина трещины, м; w – ширина трещины, мм. Применение дополнительных акустических и термометрических методов исследований для более корректного определения параметров трещины позволяет проводить оптимизацию дизайна ГРП. Так как большинство месторождений разрабатывается регулярной сеткой скважин (например, пятиточечной), область, дренируемую скважиной в этих системах, можно считать квадратной. При анализе ГРП одним из наиболее удобных параметров является безразмерное число проппанта Nprop [4-6]. Этот параметр связывает дренируемый объем и объем ГРП с проницаемостями пласта k и трещины kf и вычисляется по формуле

(6) где ϕf – пористость трещины. Метод определения оптимальной геометрии трещины ГРП, предложенный в серии статей, опубликованных в SPE в 2004–2005 гг. [7-9], основан на гидродинамическом моделировании взаимодействия пласта, трещины ГРП и скважины. Результаты представлены в виде типовых кривых, связывающих безразмерную проводимость трещины FCD, число проппанта Nprop, безразмерный индекс продуктивности JD и коэффициент проникновения трещины Iх, (7)

где re, rw – радиус соответственно контура питания и скважины, м; S – скин-фактор; Хе – характерный размер дренируемой области (сторона квадрата), м. В общем виде данные зависимости можно записать в виде некоторых функций JD=f(Nprop, FCD) и Iх=(Nprop, FCD). Тогда задача нахождения оптимальных параметров заключается в определении таких параметров, при которых безразмерная продуктивность скважины JD при заданном числе проппанта Nprop (эквивалентном массе проппанта Мprop,), будет максимальной. Однако для корректного использования данной методики необходимо учитывать возможные ограничения, накладываемые на трещину при ГРП. Учет ограничений, накладываемых на параметры трещины ГРП Основными ограничениями являются ограничения на ширину трещины. Минимальная ширина трещины wminlim зависит от размера зерен проппанта и не должна быть меньше трех средних диаметров зерна проппанта Dprop. Минимальная безразмерная проводимость проппанта (8)

(2) где Vprop – эффективный объем трещины, м3; Vres – объем пласта, м3. Также ключевым параметром является безразмерная проводимость трещины FCD, которая связывает пропускную способность трещины и способность притока к ней, (3)

Максимальная ширина трещины будет зависеть от механических свойств породы коллектора и максимального эффективного давления pnetmax, которое может создать оборудование ГРП. Она может быть вычислена по приближенной формуле (9) где Е1 – модуль плоских деформаций, атм.

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

11’2006

71

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Тогда оптимальные полудлина трещины xoptf и безразмерная проводимость FoptCD будут рассчитываться по формулам (12) .

(13)

Безразмерная продуктивность скважины после ГРП JDopt=f(Nprop, FCDopt) является функцией числа проппанта и безразмерной проводимости трещины и находится по палеткам. Выбор оптимальной массы проппанта для ГРП При выборе оптимального объема ГРП учитываются следующие основные параметры. Геология. При увеличении объема ГРП увеличивается высота трещины, что в некоторых случаях может являться ограничениРис. 4. Пример расчета оптимального числа проппанта Nprop, исходя из экономических критериев: ем для большеобъемных ГРП, поэтому необходимо учитывать 1 – чистая прибыль; 2 – ROI наличие газовой шапки и подстилающей воды. Система заводнения. На ограничение длины создаваемой трещины влияют расположение нагнетательных скважин, особенно при нагнетании с забойными давлениями выше давления разрыва, продвижение фронта закачиваемой воды. Экономика. Для учета экономики строится зависимость экономических показателей от массы проппанта Mprop (либо от числа проппанта Nprop, что эквивалентно и позволяет сравнивать эти зависимости для разных условий, например для разных месторождений). Основной является зависимость коэффициента возврата вложенных средств ROI от Mprop, Nprop, а также зависимость чистой прибыли от Mprop, Nprop (рис. 4). Рассмотрим результаты применения технико-экономической Рис. 5. Зависимость Jd от остаточной проницаемости трещины: оптимизации на примере месторождений ОАО НК «Роснефть».

1, 2, 3, 4, 5 – проницаемость коллектора соответственно 2, 4, 6, 10 и 8 мД (10-3 мкм2) Пример 1. Выбор оптимальной концентрации брейкера Комплексный подход к планированию ГРП позволяет оптимизировать каждый элемент цепочки ценности, значительно влияющий на эффективность ГРП. Одним из таких параметров является остаточная проводимость трещины, которая зависит не только от качества проппанта, но и от эффективности брейкерной системы, которая разлагает гель в трещине. Зависимость Jd после ГРП от остаточной проницаемости трещины для различных проницаемостей коллектора представлена на рис. 5. Остаточная проницаемость в свою очередь в значительной степени зависит от количества и качества используемой брейкерной системы. В компании проводится постоянный мониРис. 6. Принципы расчета оптимальной загрузки брейкера (основа-пер- торинг и оптимизация брейкерных систем, применяемых сульфат аммония): различными подрядчиками с целью увеличения остаточной 1, 2, 3 – концентрация брейкера соответственно 0,4, 0,8 и 1,2 кг/м3 проводимости трещины и соответственно Jd. Рассчитанная зависимость остаточной проницаемости трещины и Jd от Максимальная безразмерная проводимость концентрации брейкера, основанного на персульфате аммония, представлена на примере брейкерной системы одной из сервисных компаний (рис. 6). По результатам данных расче(10) тов было проведено увеличение концентрации брейкера от 0,4 до 0,8 кг/м3, которое позволило увеличить Jd после ГРП в среднем по скважине на 5-7 % [10-12]. В дальнейшем планируТаким образом, учитывая накладываемые ограничения, мы ется увеличение концентрации брейкера до 1,2 кг/м3 С этой . можем рассчитать оптимальную ширину трещины целью проводятся специальные лабораторные исследования по стабильности геля при данной концентрации брейкера, а также анализ технических ограничений. Пример 2. Результаты внедрения технико-экономической оптимизации на месторождениях НК «Роснефть» Результаты применения комплексного подхода к планирова(11) нию и оптимизации ГРП на месторождениях НК «Роснефть» представлены на примере фактических данных Приобского,

72

11’2006

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 3. Оптимальная методика технико-экономической оптимизации дизайна ГРП дает возможность оптимизировать массу проппанта при условии максимизации экономической эффективности и учета технологических и геологических рисков. Список литературы

Рис. 7. Динамика основных показателей по новым скважинам по Приобскому (а) и Мало-Балыкскому (б) месторождениям

Мало-Балыкского месторождений (рис. 7). Одним из ключевых параметров добычи, который позволяет провести оценку эффективности ГРП, является Jd. Анализ результатов показывает, что индивидуальная для каждой скважины технико-экономическая оптимизация ГРП увеличивает эффективность ГРП от 3 до 14 % (рост Jd в 2006 г. соответственно на Мало-Балыкском и Приобском месторождениях). При этом количество проппанта на 1 м эффективной мощности, используемого при ГРП на данных месторождениях, в 2006 г. значительно снизилось по сравнению с 2005г. Таким образом, комплексный подход обеспечивает рост эффективности ГРП за счет оптимизации параметров дизайна ГРП. Выводы 1. ГРП – универсальный инструмент повышения добычи и управления разработкой месторождения, однако для полной реализации потенциала месторождений необходима оптимизация существующих и внедрение новых технологий ГРП.

2. Комплексная система планирования и выполнения ГРП позволяет осуществлять постоянный мониторинг и оптимизацию данного бизнес-процесса на качественном уровне.

1. Warenbourg, P.A., et al. Fracture Stimulation Design and Evaluation//Paper SPE 14379, 1985.

2. Britt, L.K. Optimized Oilwell Fracturing of Moderate Permability Reservoirs//Paper SPE 14731, 1985.

3. Balen, R.M., Meng, H.Z., Economides, M.J. Application of the Net Present Value (NPV) in the Optimization of Hydraulic Fractures//Paper SPE 18541, 1991.

4. Economides, M., Oligney R., Valko, P. Unified Fracture Design: bridging the gap between theory and practice, 2002.

5. Demarchos, A.S.et al. Analysis of the Performance of Hydraulic Fracturing Treatments and Quantum Design Improvements//Paper SPE 94643 presented at the European Formation Damage Conference held in Scheveningen, Netherlands, 25-27 May 2005.

6. Diyashev, I.R. and Economides M.J. A General Approach To Well Evaluation//Paper SPE 94644 presented at the European Formation Damage Conference held in Scheveningen, Netherlands, 25-27 May 2005.

7. Economides, M.J., et al. Pushing the Limits of Hydraulic Fracturing in Russia//Paper SPE 90357 presented at SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Houston, Texas, U.S.A., 26-29 September 2004.

8. Rueda, J., Match, J.M., Wolcott, D.S. Pushing Fracturing Limits to Maximize Producibility in Turbidite Formation in Russia//Paper SPE 91760 presented at the 2004 SPE International Petroleum Conference in Mexico held in Puebla, Mexico, 8-9 November 2004.

9. Rueda, J., Voronkov, A., Match, J.M. Optimum Fracture Design Under Transient and Pseudosteady Conditions Using Constant Fracture Volume Concept//Paper SPE 94157 presented at the SPE Europec/EAGE Annual Conference held in Madrid, Spain, 13-16 June 2005.

10. Gulbis, Janet, et al. Encapsulated Breaker for Aqueous Polymeric Fluids//Paper SPE 19433-PA , Journal SPE Production Engineering (February 1992)/ - P. 9-14.

11. Elbel, J., et al. Increased Breaker Concentration in Fracturing Fluids Results in Improved Gas Well Performance//Paper SPE 21716-MS presented at SPE Production Operations Symposium, 7-9 April 1991, Oklahoma City, Oklahoma 12. Brannon, H.D., Pulsinelli, R.J. Breaker Concentrations Required To Improve the Permeability of Proppant Packs Damaged by Concentrated Linear and Borate-Crosslinked Fracturing Fluids//Paper SPE 21583-PA, SPE Production Engineering, November 1992. – P. 338 – 342.

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

11’2006

73