РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.1/.4 © Коллектив авторов, 2015
Гидродинамическое моделирование разработки участка Юрубчено-Тохомского месторождения на основе геолого-геомеханической модели
Ю.А. Кашников, д.т.н., Д.В. Шустов, к.т.н., С.Ю. Якимов
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет), Н.Б. Красильникова
(ООО «РН-КрасноярскНИПИнефть»)
Адрес для связи: geotech@pstu.ru
Ключевые слова: геолого-геомеханическая модель, гидродинамическое моделирование, модель механических свойств, проницаемость, напряженно-деформированное состояние.
Hydrodynamic simulation of part of Yurubcheno-Tokhomskoye oil field based on geological geomechanical model
Yu.A. Kashnikov, D.V. Shustov, S.Yu. Yakimov
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm),
N.B. Krasilnikova (RN - KrasnoyarskNIPIneft LLC, RF, Krasnoyarsk)
E-mail: geotech@pstu.ru
Key words: geomechanical modeling, permeability, hydrodynamic model, stress-stain state.
The experience of creation of geological geomechanical model of Yu-rubcheno-Tokhomskoye oil field is presented in this work. The dependencies of the criteria of the stress - strain state of a productive facility with filtration characteristics fractured reservoir are found. Based on these dependencies and 3D seismic parameters, permeability was obtained. Hydrodynamic modeling is carried out considering stress state dependence of permeability.
Учет снижения проницаемости в процессе падения и восстановления пластового давления в современных гидродинамических симуляторах выполняется чаще всего по весьма упрощенной схеме: зависимость вводится либо в аналитической, либо в табличной форме. При этом как вид зависимости, так и входящие в нее параметры полностью зависят от представлений оператора о характере данной связи и в повседневной практике практически никогда не опираются на геомеханические основы. Между тем именно изменение напряженно-деформированного состояния продуктивного объекта влияет на его проницаемость. В связи с этим оценка изменения проницаемости в процессе падения и восстановления пластового давления должна включать как изучение кернового материала и последующую корректировку полученной зависимости с учетом гидродинамических данных, так и создание геолого-геомеханической модели месторождения, позволяющей рассчитывать изменение напряженного состояния конкретного продуктивного объекта в процессе его разработки [1-4].
Создание геолого-геомеханической модели
участка месторождения
При создании геолого-геомеханической модели любого месторождения, ориентированной на решение вопросов разработки, основное значение имеют следующие факторы [1, 2, 5, 6].
- геологическое строение продуктивного объекта и пород покрывающей толщи, учитывающее основные структурно-тектонические особенности;
- физико-механические свойства вмещающих пород и продуктивного объекта;
- характеристики трещиноватости пород-коллекторов месторождения;
- вертикальная составляющая горного давления;
- величины и направления действия главных региональных горизонтальных напряжений;
- распределение пластового давления в продуктивном объекте;
- закон изменения проницаемости в зависимости от пластового давления.
Опыт создания геолого-геомеханических моделей для месторождений, продуктивные объекты которых представлены коллекторами трещинного или трещинно-по-рового типа, свидетельствует о важности изучения структурно-тектонических особенностей и трещинных систем, так как известно, что трещины более активно, чем поры, реагируют на действующие напряжения [1, 6-8]. Несмотря на различное толкование природы этого явления, оно признается практически всеми исследователями [9].
Отмеченное особенно актуально для Юрубчено-То-хомского месторождения, основную емкость резервуара которого формируют микротрещины и субгоризонтальные щелевидные пустоты, а путями фильтрации являются преимущественно вертикальные трещины (80-90°) [5, 10, 11]. Эти особенности строения месторождения оказались решающими при выборе оптимального варианта системы разработки [10, 12]. Большое внимание было уделено анализу и систематизации систем трещин на месторождении и данным о напряженном состоянии, которое является наиболее неопределенным параметром, поскольку практически никаких исследований исходного напряженного состояния горного массива ме-
сторождения не имеется. В связи с этим при создании геолого-геомеханической модели были приняты ориентировочные значения параметров исходного поля напряжений, которые были уточнены по итогам корреляционного анализа.
Направления максимального и минимального горизонтальных напряжений определяли на основе анализа имиджей стенок скважин. В ходе исследований в ряде скважин обнаруживались вывалы, в основном связанные с обрушением пород в местах наибольшей природной трещиноватости. Породы рассматриваемого месторождения характеризуются высокими прочностными свойствами (предел прочности на одноосное сжатие составляет в среднем 250 МПа), что исключает образование вывалов вследствие перехода пород стенок скважин в запредельное напряженное состояние. Однако вывалы наблюдаются также в глинистых отложениях. Направление таких вывалов колеблется от 24 до 35о, что свидетельствует о действии максимальных напряжений по азимуту 114-125°.
Для установления направления главных напряжений, действующих в пределах месторождения, важны данные о направлении простирания трещин [6]. На основании проведенных на месторождении исследований ультразвуковым скважинным имиджером (UBI) в горизонтальных скважинах построена обобщенная роза-диаграмма, на которой выделяются два основных направления простирания систем трещин: северо-восток (60-90°)-(240-270°) и север-северо-запад (120-160°)-(300-340°). Первое направление достаточно близко к простиранию основной системы трещин, выделенной в вертикальных скважинах, и совпадает с направлением линеаментных структур на месторождении. Второе направление соответствует направлению разлом-ных структур, выделенных на основании обработки данных сейсморазведки 3D [11].
Таким образом, приняв, что большинство трещин является сколовыми, можно предположить, что максимальные горизонтальные палеонапряжения действовали по азимуту 100-120о, т.е. по биссектрисе между двумя основными системами трещин. С учетом направления вывалов в скважинах можно сделать вывод, что их направление сохраняется в настоящее время.
Геолого-геомеханическая модель участка месторождения строилась на основе структурных карт земной поверхности, кровли рифейских отложений и мадринской толщи в конечно-элементном программном комплексе Ansys. В модели были учтены основные укрупненные элементы геологического разреза. Детальное воспроизведение всех типов пород на расчетной схеме значительно усложнило бы расчет и увеличило затраты машинного времени. В расчетах использовалась упругая модель горного массива. В данной постановке задачи принималась концепция малых деформаций, т.е. образование изгибов, складок и других элементов не моделировалось. Напряженное состояние создавалось путем задания перемещений в горизонтальной плоскости в соответствии с принятым в модели полем дополнительных горизонтальных напряжений, вертикальные напряжения моделировались весом вышележащей толщи. Пласт при геомеханическом моделировании считался непрерывным,
Номер зоны Описание зоны Число слоев Средняя толщина слоя, м Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона Плотность, г/см3
1 От поверхности до кровли рифейского объекта 5 450 41,2 0,29 2,53
2 Вспомогательный слой 10 18 66,8 0,28 2,66
3 От кровли рифейского объекта до ВНК 100 1,08 76,4 0,28 2,81
4 От ВНК до кровли мадринской толщи 50 6,8 78,9 0,28 2,81
5 От кровли мадринской толщи до глубины 5 км 5 510 88,4 0,27 2,87
Примечание. ВНК - водонефтяной контакт.
разрывы в модели специально не моделировались. В результате получен полный тензор напряжений. В последующем из него использовались пересчетом только нормальные и касательные напряжения на разломах.
В модели рассматривалась следующая схема напластования. В пределах каждой зоны слои имеют одинаковую толщину (см. таблицу). Зона 2 представляет собой вспомогательный слой для сгущения сетки вблизи продуктивных объектов путем параллельного переноса кровли рифейского объекта. Это обеспечивает более плавный переход от крупных ячеек к мелким без возникновения концентраторов напряжений вблизи продуктивных объектов при конечно-элементном расчете. Получившаяся конечно-элементная сетка участка месторождения имеет 5,2 млн. элементов.
Для определения упругих характеристик целевой ри-фейской толщи (скорости продольных V и поперечных V5 волн, а также объемной плотности р) в пределах исследуемого участка использовались материалы площадной сейсморазведки 3D, выполненной в 1997-2003 гг. на Юруб-ченской площади, в комплексе с результатами геофизических исследований скважин (ГИС). Обработка сейсмических материалов выполнена на кластерном сервере с использованием обрабатывающего комплекса Geoduster (версии 3100, 4100, 5000), разработанного компанией CGG. Размер бина составил 25 х 25 м. Фактическая кратность по площади изменяется в пределах 35-45.
Связь параметров напряженности горного массива с проницаемостью
Высокая расчлененность продуктивного рифейского объекта Юрубчено-Тохомского месторождения различными системами трещин и тектоническими нарушениями требует геомеханического анализа влияния трещи-новатости на проницаемость. Принято, что проницаемость той или иной системы трещин весьма существенно зависит от ее расположения относительно главных нормальных напряжений.
Гипотеза критически напряженного нарушения [6] предполагает, что увеличение нормальных к плоскости трещины напряжений снижает проницаемость данной трещины. В то же время повышенные касательные напряжения приводят к сдвигу и дилатансии, увеличивая проницаемость. Таким образом, в первом приближении задача сводится к нахождению нормальных и касательных напряжений, действующих в плоскости трещины. Отметим, что достаточно близкий методический подход, но чрезвычайно упрощенный,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.