Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений УДК 622.276.66
© И.Р. Дияшев, А.А. Смаровозов, М.Р. Гиллард, 2001г.
Супер-ГРП на Яранерском месторождении И.Р.Дияшев, А.А.Смаровозов, М.Р.Гиллард (компания “Шлюмберже”)
Use of super hydrobursting (HB)in the Yarner oil field I.R. Diyashev, A.A. Smarovozov, and M.R. Gillard (Schlumberger company
настоящей статье предлагаем вниманию читателя результаты работ по проектированию и выполнению уникального для России по объему закачки и результативности гидроразрыва пласта (ГРП). Вначале мы обсудим концепцию пирамиды запасов, которая покажет существующую рыночную необходимость качественного скачка или “прорыва” по технологии. Затем мы обсудим результаты гидродинамического моделирования и экономического расчета, которые обосновали экономическую рентабельность операции. Далее мы обсудим результаты информационного ГРП, который позволил уточнить дизайн основного ГРП. Мы рассмотрим дизайн и проведение основного ГРП. В заключение мы оценим фактически достигнутое повышение продуктивности скважины и экономическую эффективность работ. Концепция “Пирамиды ресурсов”. Данная концепция базируется на гипотезе, что минеральные ресурсы распределены лог-нормально. Подобное распределение таких минеральных ресурсов, как золото, бриллианты, серебро, уран и других описано в работах [2-7]. Высококачественные запасы этих минералов очень редки и малы. Ресурсы более низкого качества существенно больше, однако часто разработка таких ресурсов экономически не обоснована. Два фактора позволяют перевести эти ресурсы в категорию экономически извлекаемых запасов: рост цен на продукт или совершенствование технологии, позволяющее кратно уменьшить себестоимость. Похожая философия справедлива и для запасов углеводородов. Профессор Стивен Холдич разработал данную концепцию в
В
44
The results of projecting and realisation of the hydrobursting (HB) of an oil reservoir are considered. By volume of the injected water and the effect of the activities this is the largest project in Russia. The concept of "reserve pyramid" is discussed to show the market-sound need for a technological "breakthrough." The hydrodynamic modelling and economic calculations to establish the economical efficiency of the HB project are presented along with the results of informational HB that allowed to clarify the design of basic HB. The increase in the well output and economic efficiency of the activities are estimated.
приложении к оценке запасов природного мы продолжаем выработку запасов, находягаза [1]. Из рис. 1 видно, что объем запасов щихся глубже в основании пирамиды. В качестве косвенной иллюстрации провысокого качества в высокопроницаемых и однородных коллекторах мал по сравне- движения вглубь к основанию пирамиды нию с запасами низкого качества. Концеп- запасов приведем пример. В настоящее ция пирамиды запасов очень важна, так как время граничные значения пористости, оппозволяет нефтяным компаниям принять ределяющие пласт как коллектор, на юге стратегические решения по старым нефтя- Техаса принимаются равными 8%, до масным провинциям. В таких бассейнах высо- штабного внедрения технологий интенсикокачественные запасы, находящиеся на фикации добычи этот показатель составлял вершине пирамиды, уже разведаны, разбу- около 12-14%. В настоящее время граничрены, а часто и отобраны. Во многих ста- ное значение пористости для условий Зарых нефтяных провинциях запасы более падной Сибири принимается 12-14 и даже низкого качества разведаны, однако в мо- 15%, т.е. по мере совершенствования техномент начальной разработки месторожде- логии и при соответствующих экономичений отбор этих запасов был нерентабелен ских условиях Российские нефтяные комиз-за низкого качества коллектора и невы- пании имеют значительные ресурсы для соких дебитов. Такие запасы не были вовле- поддержания добычи на старых месторождениях. чены в разработку. Запасы низкого качества могут быть знаВ последние 20-30 лет существенно улучшилась технология добычи нефти и газа. чительны. Однако их выработка требует Например, получили развитие и распро- новейшей технологии для достижения странение технологии изучения пласта коммерчески обоснованных дебитов. Дос(в первую очередь современные методы ка- тижение экономически рентабельных деротажа и гидродинамических исследований скважин), горизонтального бурения и интенсификации добычи. Существенно развиты компьютерные технологии. Все это позволяет лучше описывать свойства коллектора, точнее подбирать необходимые технологии для рентабельной добычи. Таким образом, Рис. 1. Пирамида запасов для углеводородов
Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений димость трещины мала (велика проницаемость коллектора). Для таких коллекторов повышение продуктивности скважин практически не зависит от длины трещины и определяется ее проводимостью (нужны короткие и широкие трещины). В зоне 3 относительная проводимость велика (низкая проницаемость коллектора). Для таких коллекторов повышение продуктивности скважин практически не зависит от проводимости и определяется длиной трещины (нужны длинные и тонкие трещины). В зоне 2 оба фактора важны. Для таких коллекторов оптимизация дизайна должна проводиться на базе детального анализа работы пласта, ожидаемой добычи для разных вариантов интенсификации и экономического расчета. На рис. 2 стрелкой показана относительная проводимость трещины для условий скв. 303. По проницаемости ачимовский коллектор можно отнести к зоне 2, т.е. для такого коллектора важно и увеличение длины трещины, и достижение высокой проводимости. Из рис. 2 видно, что можно ожидать существенного роста продуктивности при увеличении полудлины трещины. Однако мы ограничились проектной полудлиной 100 м по технологическим соображениям. В дальнейшем, по мере накопления опыта, будем ставить и решать более сложные технологические задачи, учитывая такие факторы, как плотность сетки скважин и заводнение. Расчет ожидаемой добычи Приведем основные результаты гидродинамических расчетов, выполненных на симуляторе Эклипс. В табл. 1 даны основные показатели эксплуатации скважины для четырех вариантов: без ГРП и с ГРП с полудлинами трещин 35, 50 и 100м. Ачимовский коллектор низкопроницаемый. При расчете мы приняли среднюю абРис. 2. Зависимость роста продуктивности скважины при ГРП от солютную проницаеотносительной проводимости трещиы (график МкГуаэра и Сико- мость 0,008 мкм2. При битов в условиях низкопроницаемых коллекторов требует качественного изменения в подходе к интенсификации добычи. Некоторые нефтяные компании России (в частности, “Сибнефть”) от применения малых ГРП для ликвидации зоны кольматации на месторождениях с высокой и средней проницаемостью переходят к большеобъемным ГРП для низкопроницаемых коллекторов. Гидродинамический и экономический расчеты доказали целесообразность супер-ГРП. По заданию руководства “СибнефтьННГ” мы провели расчет ожидаемой добычи и экономической эффективности массированного и глубокопроникающего ГРП в скв. 303 Ярайнерского месторождения. В результате пришли к следующему выводу: проведение массированного и глубокопроникающего ГРП (масса закачиваемого проппанта равна примерно 100 т) является целесообразным для условий ачимовского коллектора Ярайнерского месторождения. Оценка оптимальной проводимости и длины трещины. Кривые, на рис. 2 отличаются по отношению полудлины трещины к размеру зоны дренирования. Относительная проводимость прямо пропорциональна ширине трещины и проницаемости проппанта и обратно пропорциональна проницаемости коллектора. Зависимости можно разбить на три участка. В зоне 1 относительная прово-
ры) [8]
средней начальной нефтенасыщенности около 57% эффективная проницаемость для нефти составляет около 0,002 мкм2. Эта проницаемость соответствует первоначальным показателям эксплуатации скв. 303. При низкой проницаемости коллектора и увеличении длины трещины возрастают начальный дебит и область дренирования. Накопленная добыча нефти увеличивается в результате увеличения области дренирования. На рис. 3 дан прогноз добычи нефти из скважины для различной длины трещины ГРП Lf. Во всех случаях расчеты выполнены для скважины в режиме истощения. Сопоставление полученных результатов показывает, что ГРП несколько увеличивает КИН. Эти данные были справедливы на момент принятия решения о проведении работ. Стоимость новой скважины включает затраты на бурение и создание инфраструктуры. Цена на нефть представляет собой среднюю величину по объемам продаж внутри страны и за рубежом, а также включает расходы на транспорт и акциз. Повышение стоимости работ при глубокопроникающем ГРП связано с увеличением затрат на жидкость разрыва, проппант, исследовательскую работу. Мы заложили в расчет также затраты, необходимые для улучшения качества цементирования в новых скважинах. В табл. 2 приведены некоторые результаты экономических расчетов. Как показали расчеты, глубокопроникающий ГРП с полудлиной трещины 100 м эффективен даже при повышении стоимости работ. Работа скважины без интенсификации добычи или стандартный вариант интенси-
Рис. 3. Динамика накопленной добычи нефти
Таблица 1
45
Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений Таблица 2
фикации не приведет к экономическому успеху. Это очень важный вывод, подтвержденный расчетом: без качественного совершенствования технологии выработка запасов ачимовского пласта убыточна. Проведение ГРП. Первоначальный дизайн был выполнен на основе имеющейся информации о пласте, данных о механических свойствах пород, коэффициентах фильтрации жидкости в пласт и др. Первоначальная информация получена путем проведения анализа существующего каротажного материала. Изза геологической изменчивости ачимовского горизонта и относительно малого опыта работы с этим объектом в плане выполнения операций ГРП, с учетом уникальности проведения подобного мероприятия в масштабах СНГ, инженерской службой и руководством компании “Шлюмберже” и “Сибнефть-ННГ” было принято решение о проведении максимально возможного спектра предварительных исследований и осуществлении полномасштабного информационного мини-ГРП (DataFRAC) для получения полной информации, необходимой для осуществления основного ГРП. Проведение и анализ данных информационного ГРП. Мини-ГРП проводился с предварительным спуском в скважину записывающего (временного) датчика давления и размещением его над интервалом перфорации для записи забойного давления в скважине и корректировки коэффициентов трения для колонны НКТ при прокачке раствора, а также для точных измерений условий скважины. Выполнение теста на разрыв было осуществлено с целью установления давления разрыва пласта, а также для того, чтобы убедиться, что разрыв породы был зафиксирован до основного мини-ГРП. Дальнейшее тестирование в виде ступенчатого увеличе-
46
На рис. 4 отображен момент закрытия трещины. Анализ поведения кривой давления и производной давления показывает три или, возможно, четыре постоянных значения давления закрытия, соответствующих закрытию каждой подзоны, легко выделяемой на каротаже. Из рис. 4 также следует, что при давлении закрытия трещины 34,7 МПа и выше все три зоны пласта открыты для распространения разрыва. Потери давления на трение. Анализ потерь давления на трение при проведении ГРП с использованием данных глубинных манометров - достаточно новый вид анализа для российской нефтяной индустрии. Как правило, рабочее давление на забое в процессе ГРП оценивается расчетным путем с использованием программы FracCADE и встроенной базы данных коэффициентов трения в НКТ. Однако довольно часто они оказывались неточными. На рис. 5 показана динамика действительного забойного давления, которое замерялось при помощи глубинного манометра, и забойного давления, рассчитанного по программе FracCADE с использованием базы данных. Из рис. 5 видно, что на стадии ступенчатого увеличения скорости закачки забойное давление описывается одинаково как манометром, так и программой. На сле-
ния скорости закачки и последующего ступенчатого ее снижения с одновременным фиксированием давления проводилось с использованием 2%-ного раствора KCl объемом 18м3 для уточнения давления разрыва пласта, давления закрытия трещины, а также для получения более полного представления о наличии/отсутствии любых дополнительных забойных (околоскважинных) эффектов, часто значительно влияющих на транспорт проппанта и жидкости-песконосителя через зону перфораций. После нагнетания солевого раствора закачку остановили, давая возможность раствору профильтроваться в пласт, а трещине закрыться. Следующим этапом было проведение калибрационного нагнетательного теста, перед которым солевой раствор в НКТ был замещен жидкостью ГРП (YF140) плотностью 1.01 кг/м3. Затем в пласт закачали 25 м3 жидкости ГРП (без проппанта) для последующей оценки характера распространения трещины Рис. 4. Падение давления на забое скважины после остановки зав пласте (геометрии тре- качки в зависимости от времени с начала закачки щины) и оценки коэффициента фильтрации рабочей жидкости в дующей стадии - замещение соленого распласт. Результаты интерпретации данных твора в скважине на буферную жидкость мини-ГРП подтвердили большую часть перYF140 - заметно увеличение разницы межвоначально сделаных допущений и уточниду забойным давлением, определяемым по ли другие необходимые параметры, котоманометру (кривая 2) и рассчитываемым рые на начальной стадии разработки ди(1). Видно, что расчетное забойное давлезайна были получены из существующего ние значительно выше замеренного. Это каротажного материала и изначально тресвидетельствует о том, что коэффициент бовали корректировки. Было выявлено, что трения, взятый из базы данных для расчеосновной пласт состоит из трех подзон, оттов FracCADE-ом, значительно ниже реальделяемых друг от друга заглинизированныного. Такая разница в коэффициентах треми прослоями.
Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений окончательная корректи- тери проппанта. Этот технологический усровка программы проведе- пех обусловлен проведением и качественния основного ГРП. Одним ным анализом мини-ГРП, а также корректииз важных моментов было ровкой дизайна работы. Анализ эксплуатации скважины после увеличение объема буфера от 40 до 49 м3 из-за выяв- проведения ГРП. До ГРП скважина в течение более 4 мес ленного более высокого коэффициента фильтра- эксплуатировалась с дебитом около 25 м3/сут. Анализ ее эксплуатации перед ции жидкости. Проведение и анализ ос- проведением ГРП показал наличие небольновной работы. шого положительного скин-эффекта Основной ГРП был про- (kпр~0,00247 мкм2; S=0,9395; площадь древеден 17.09.00 г. с исполь- нирования 0,26 км2). зованием двух блоков приЧерез 4 мес после проведения ГРП был готовления раствора проведен анализ эксплуатации скважины. (БПР), которые были спе- По прогнозу ожидался стабильный дебит циально сконструированы 100 м3/сут. Фактические результаты не“Сибнефть-ННГ”, общим сколько превзошли прогноз. Была уточнена объемом на 100 т проп- проницаемость и определена площадь дрепанта. В процессе проведе- нирования по истории эксплуатации скваРис. 5. Расчетное (1), замеренное (2) давление на забое скважины в ния ГРП в созданной в пла- жины. Анализ показал, что при подготовке процессе проведения мини-ГРП, а также давление обработки (3) сте трещине было разме- прогноза работы скважины после ГРП мы щено 85580 кг проппанта были несколько консервативны в оценке обния объясняется тем, что коэффициенты и использовано для этого 223.4 м3 рабочей ласти дренирования и эффективной пронитрения НКТ, заложенные в программную жидкости. Среднее рабочее давление закач- цаемости для нефти. На рис. 7 приведены базу данных, взяты для новых труб с чисты- ки на поверхности составило 20,3 МПа. Ос- результаты сопоставления начального проми внутренними поверхностями, в то вре- новные параметры трещины приведены гноза эксплуатации скважины, фактической мя как внутренние поверхности НКТ, нахо- ниже, а распределение основных парамет- эксплуатации и уточненного прогноза накодящихся в скважинах, очень редко не име- ров по длине трещины дано в табл. 3. пленной добычи на 3 года. Видно, что проют отложений на стенках. гноз дебита был весьма точен. Однако факАнализ проведения основного ГРП. Таким образом, рассмотренные нюансы Мы провели анализ забойного давления и тически область дренирования оказалась дали ценную информацию и продемонст- определили итоговые характеристики гид- несколько больше ожидаемой вследствие рировали необходимость корректировки роразрыва, используя программу конкуренции за запасы и слабой эксплуатапрограммы для дальнейшей работы по раз- FracCADE. На рис. 6 показано реальное ра- ции соседней скважины. рыву пласта. бочее давление Таблица 3 Результаты интерпретации и анали- обработки и расза мини-ГРП. считанное по Как уже было показано выше, давление программе. Единзакрытия трещины было принято равным ственный пара34,7 МПа. Это соответствует градиенту гид- метр, который не роразрыва 13 кПа/м, которое очень близко был откорректик величине, принятой на начальном этапе рован - это коэфразработки дизайна. Было оценено, что вы- фициент трения сота созданной в процессе проведения ми- проппанта при прони-ГРП трещины равна 22 м. В результате качке через НКТ, так проведенных калибровочных тестов мо- как эти показатели не дуль Юнга определен равным 6.106 кПа, были получены во вречто на 3,6.106 кПа выше первоначально мя мини-ГРП, поскольпринятого значения. Уточнено также пла- ку проппант не закачистовое давление. вался. Одним из наиболее критических парамеСравнительный анатров, определенных при анализе мини- лиз давлений закрытия ГРП, являлся коэффициент фильтрации трещины (см. рис. 6) пораствора (жидкости ГРП) в пористую среду. казывает, что расчетные Он оценен равным 3,6.10-3 фут/мин0,5, что параметры трещины несколько выше первоначально принятого очень близки к реально значения 3,2.10-3 фут/мин0,5. Коэффици- достигнутым. Распростент первоначальных потерь жидкости в ранение трещины в выпласт также оказался несколько выше и ра- ше- и нижележащие вен 2 галлона/100фут2 по сравнению с пер- глинистые пласты было воначально принятым 1,2 галлона/100фут2. незначительным, поэтоПосле детальной интерпретации запи- му не отмечалось не- Рис. 6. Планируемое и фактически достигнутое давление обработки на посанного забойного давления и последую- производительной по- верхности и концентрация проппанта щего анализа данных мини-ГРП проведена
47
Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений
ний с высокотехнологичными сервисными компаниями позволяет максимально раскрыть потенциал российской нефтяной индустрии по трем направлениям: а) достижение высоких дебитов; б) прирост экономически извлекаемых запасов на кратковременную перспективу; в) наработка стратегически важных технологий на долговременную перспективу. 3. Предварительный расчет показал, что проведение массиРис. 7. Начальный прогноз накопленной добычи (1), фактическая накопленная добыча (2) и современный прогноз добычи на рованного и глубокопроникающего ГРП (масса закачки пропбазе фактической эксплуатации (3) скважины на 3 года панта примерно 100 т) целесоНа базе уточненного прогноза на 3 года образно для условий ачимовского коллекбыл выполнен расчет экономической эф- тора Ярайнерского месторождения. фективности проведенного ГРП. Результаты 4. Технологическая эффективность выпоказали, что время окупаемости скважины полненного ГРП обусловлена четким взаии ГРП сократилось до 7 мес. Кратно возрос- модействием служб заказчика и сервисной ли чистая дисконтированная стоимость и компании. В значительной мере это связавнутренняя норма прибыли (табл. 4). но с проведением и качественным аналиВыводы зом мини-ГРП, а также оперативным уточ1. По мере развития технологии интен- нением дизайна работы по результатам мисификации добычи нефти передовые рос- ни-ГРП. сийские нефтяные компании получают в 5. Анализ фактических показателей экссвоем арсенале средство для вовлечения в плуатации скважины показал, что при наразработку запасов углеводородов, находя- чальном прогнозе наблюдалась некоторая щихся в низкопроницаемых коллекторах. консервативность в оценке области дрениВ соответствии с концепцией пирамиды рования и эффективной проницаемости запасов такое развитие позволит поддер- для нефти. Фактические данные оказались живать добычу на некоторых старых мес- несколько лучше прогнозных. торождениях Западной Сибири. 6. На базе уточненного прогноза на 3 го2. Сотрудничество российских компада проведенный расчет экономиТаблица 4 ческой эффективности выполненного ГРП показал, что время окупаемости скважины и ГРП сократилось до 7 мес. Чистая дисконтированная стоимость (после выплаты всех затрат и капвложениий) составит за 3 года примерно 9 млн руб., внутренняя норма прибыли - 133% годовых.
48
Представленная операция супер-ГРП завершилась технологическим и экономическим успехом благодаря поддержке руководства “Сибнефть-ННГ”. Авторы благодарят А.Р. Матевосова, М.Е. Ставского, Ю.С. Красневского, Д.Н. Сенченко и В.А. Манцевича, а также своих коллег К.Д. Гранже, Х.Мухержи, Д.Н. Кузовенкова за полезные обсуждения и внимание к работе.
Источники 1. Holditch S.A. “Methodologies for Evaluating and Computing NonConventional Gas Reserves“//Presentation at the Insight Conference.- 1996. November 18. 2. Krige D.G. “The Role of Mathematical Statistics in Improved Ore Valuation Techniques in South African Gold Mines,” in Romanova, M.A. and Sarmanov, O.V. (eds.) Topics in Mathematical Geology, New York, Consultants Bureau.-1970.- Р. 243-261. 3. Camisani-Calzolari F.A.G.M. Geostatistical Appraisal of a Tabular Uranium Deposit in South Africa, in G. Verly et al. (eds.) Geostatistics for Natural Resources Characterization Part 2, NATO ASI Series, Holland, D. Reidel Publishing.-1984.- Р. 935-949. 4. Sharp W.E. A Log-Normal Distribution of Alluvial Diamonds With an Economic Cutoff// Economic Geology//1976.-Vol. 71.- Р. 648-655. 5. Agterbury F.P. and Divi S.R. A Statistical Model for the Distribution of Copper, Lead, and Zinc in the Canadian Appalachian Region// Economic Geology.- 1978.-Vol. 73.- Р. 23-245. 6. Divi S.R. Deposit Modeling and Resource Estimating of Stratiform Massive Sulphide Deposits in Canada// Computers & Geosciences.- 1980.-Vol. 6.- Р. 163-174. 7. Plilber R. and Adams J.A.S. The Distribution of Thorium, Uranium and Potassium in the Mancos Shale// Geochimica et Cosmochimica Acta.1962.-Vol. 26.- Р. 1115-1135. 8. МcGuire W.J. and Sikora V.T. The Effect of Vertical Fractures on Well Productivity, paper SPE 1618-G//Journal of Petroleum Technology.-October 1960, 12, Р. 72-74.