Директор ИВТ СО РАН д.ф.-м.н. Сергей Григорьевич Черный.

Для чего нужен гидроразрыв пласта (ГРП), почему его необходимо моделировать, что такое продвинутая модель и кому она интересна – на эти и другие вопросы отвечает директор Института вычислительных технологий СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Григорьевич Черный.

1. Для чего нужен ГРП

Гидроразрыв изобретен для разработки месторождений полезных ископаемых и строительства подземных сооружений в сложных геолого-физических условиях – когда необходимы методы управляемого разрушения и разгрузки массивов горных пород, создания в них дренажных систем, изолирующих экранов и так далее. Особое место ГРП занимает среди методов интенсификации работы нефтяных и газовых добывающих скважин и увеличения приемистости нагнетательных скважин. В 2015-2017 году в России проводилось по 14-15 тысяч операций ГРП в год, в США – около 50 тысяч.

Метод ГРП заключается в создании высокопроводимой трещины в нетронутом массиве породы для обеспечения притока к забою скважины газа, нефти, их смеси, конденсата и др. Технология проведения ГРП включает в себя закачку в скважину с помощью мощных насосов жидкости гидроразрыва: геля, воды, либо разбавленной кислоты. Давление закачки выше давления разрыва пласта, поэтому образуется трещина. Для ее закрепления в открытом состоянии используется либо проппант, расклинивающий разлом, либо кислота, разъедающая стенки созданной трещины. Название проппант пришло из англоязычного сокращения «propping agent» – расклинивающий наполнитель. В этом качестве используется, например, кварцевый песок или специальные керамические шарики, более прочные и крупные, а, значит, более проницаемые.

2. Для чего нужно моделирование ГРП

Создание технологии ГРП требует моделирования его процесса. Это позволяет прогнозировать геометрию трещины и оптимизировать всю технологию ГРП. В частности, очень важно обеспечить правильную форму трещины на начальном участке ее распространения в окрестности скважины. Надо, чтобы у нее отсутствовали резкие перегибы, которые могут привести к возникновению пробок, закупоривающих канал откачки добываемых нефти или газа. Возникает естественный вопрос: откуда брать необходимые для работы модели геофизические данные о пласте, такие как проницаемость, пористость, сжимаемость, напряженное состояние и другие?

Такой вопрос возник задолго до разработки технологии ГРП и наука предложила множество методов определения различных параметров задачи. Это и анализ кернов (образцов породы, получаемых во время бурения), и множественные датчики давления и деформаций, установленные в различных частях скважины, и методы сейсморазведки, в которых по времени прохождения упругих волн, индуцируемых с поверхности, определяют границы различных материалов в породе и их параметры, и даже замеры естественной радиоактивности, которая может показать, например, местоположение глиняных пропластков.

Для определения главных напряжений залегания в нетронутом массиве у геофизиков имеются проверенные технологии, в том числе базирующиеся на натурном бурении и геофизических измерениях. Также используется технология мини-ГРП, в которой по параметрам, получаемым в процессе создания маленькой трещины, калибруются модели, по которым будет предсказываться поведение трещины большего размера. Разумеется, полную картину не может дать ни один из подходов, поэтому методы получения информации о пласте постоянно совершенствуются, в том числе и в нашем институте. Например, нами показано, что параметры трещиноватости породы, окружающей скважину, можно определить, решая обратные задачи на основе моделей фильтрации бурового раствора и замеряемых зависимостей давления в скважине. Также мы определяем структуру и параметры прискважинной области по результатам каротажного зондирования, решая обратную задачу на основе уравнений Максвелла.

3. Давно ли ведется моделирование ГРП

Сравнительно давно, с 50-х годов XX века, практически сразу после того, как ГРП как метод увеличения продуктивности скважины начал использоваться. Тогда же, в 1955 г. была предложена одна из первых моделей ГРП – модель Христиановича-Желтова, получившая дальнейшее развитие в работе Гиртсма и де Клерка и известная во всем мире как модель Христиановича-Гиртсма-де Клерка (KGD). Немного позднее были созданы еще две известные, широко используемые и в настоящее время модели: Перкинса-Керна-Нордгрена (PKN) и модель плоскорадиальной трещины. Эти три модели представляют соответственно три основные геометрические концепции во множестве плоских одномерных моделей:

• прямолинейное распространение трещины из линейного источника бесконечной высоты;
• прямолинейное распространение трещины из линейного источника конечной высоты;
• радиальное симметричное распространение трещины из точечного источника.

Три базовых концепта и их модификации достаточно хорошо описывают ГРП для типичных ориентаций скважин в традиционных месторождениях нефти и газа, предполагающих вертикальное или наклонное бурение и одну трещину гидроразрыва на одну скважину. Эти модели не потеряли своей актуальности и благодаря своей скорости используются в современных симуляторах ГРП, как для получения первичной информации о трещине, так и для оптимизации параметров ГРП.

Однако в настоящее время в связи с истощением традиционных, легкоизвлекаемых запасов все большее место в мире занимает разработка нетрадиционных месторождений, которые характеризуются более сложной структурой нефтеносных и газоносных пластов. Отличительными особенностями таких пластовых резервуаров являются низкая (плотный песок) и ультранизкая (сланцевые газ и нефть) или наоборот экстремально высокая (песчаник с тяжелой нефтью) проницаемость пласта, присутствие разветвленной системы трещин, которые могут содержать одно или более семейств, ориентированных в различных направлениях и пересекающих друг друга. Очень часто разработка таких нетрадиционных месторождений становится экономически невыгодной без такой интенсификации добычи, как ГРП. В то же время традиционные модели ГРП не позволяют адекватно описывать эти процессы, и требуются новые более изысканные (современные, продвинутые, усовершенствованные) модели.

4. Способен ли ИВТ СО РАН решить проблему моделирования ГРП для нетрадиционных месторождений

ГРП – сложная технология, и разработка модели всего процесса не под силу одному институту, поэтому во всем мире группы ученых концентрируются на различных частях этой технологии. ИВТ обладает большим опытом в моделировании начального этапа распространения трещины ГРП: от ее образования до достижения ей размеров нескольких метров. На этом этапе, в отличие от развитой трещины, размеры которой достигают уже сотен метров, сильно заметно и сильно влияет искривление, которое необходимо учитывать.

Поэтому мы развиваем направление усовершенствования моделей в плане учета в них трехмерности процесса распространения. Для реалистичного описания продвижения фронта трещины в произвольном трехмерном случае необходимо применять трехмерный же критерий нахождения приращения фронта трещины и выбора направления его распространения, учитывающий смешанное нагружение по всем трем модам напряжений. Среди существующих работ, посвященных трехмерным моделям распространения, отклонение фронта трещины определяется только по второй моде. В них используются двумерные плоские критерии. Нами построена и верифицирована новая полностью трехмерная численная модель распространения трещины от полости под воздействием давления закачиваемой жидкости сложной реологии с трехмерным критерием распространения. Она позволила описать эволюцию трещины от момента ее образования до выхода на главное направление, с учетом ее искривления.

Еще одной отличительной особенностью этой модели является одновременное рассмотрение в ней самой скважины и переменной нагрузки, вызванной течением жидкости, в распространяющейся от скважины трещине. Обычно в работах по трехмерному моделированию распространения трещины скважина не присутствует в модели. В лучшем случае рассматривается переменная нагрузка в трещине, вызванная закачиванием в нее ньютоновской жидкости из точечного источника.

Следует также отметить, что технологическая разработка нетрадиционных пластовых резервуаров сопровождается проектированием новых жидкостей гидроразрыва и различных добавок к ним (волокна, флока и др.), которые значительно изменяют реологическое поведение этих жидкостей. Например, возрастающий интерес к плотным и ультраплотным нетрадиционным пластовым резервуарам с высоким содержанием глины привел к разработке специальных составов с большими долями газа и малыми долями воды. Эти жидкости не ухудшают фильтрационные свойства породы и не вызывают ее физическое разрушение при их закачивании.

В нашей монографии, вышедшей в 2016 году, проведено обобщение разработанных ИВТ СО РАН моделей трещин. В ней собраны результаты, опубликованные в высокорейтинговых журналах, входящих в базы цитирования WoS и Scopus, таких как «Engineering Fracture Mechanics», «International Journal of Fracture» и другие.

5. Зачем нужна модифицированная модель

Как будет располагаться развитая трещина – более или менее известно. Есть термин preferred fracture plane – плоскость предпочтительного распространения трещины. Если известны напряжения (силы) сжимающие породу и их направления (определить их тоже проблема, ей занимаются геофизики), то эту плоскость определить не составляет труда. В современных моделях и симуляторах основное внимание уделяется конфигурации трещины в этой плоскости. Когда же трещина только зарождается от скважины, на положение и направление влияют не только напряжения в породе, но и скважина, и обсадная колонна, и перфорации (дырки в породе), их форма, размеры. И направление трещины в начале процесса не всегда совпадает с плоскостью, в которой будет лежать развитая трещина. Неизбежно возникает искривление трещины, в котором возникает пережатие трещины. Такое пережатие не только может привести к застреванию проппанта, но и вызывает сильное падение давления у скважины. Сейчас в симуляторах это падение давления учитывают с помощью эмпирического коэффициента – скин-фактора, и не очень успешно. Наша модель позволяет более точно предсказывать и описывать этот эффект.

6. Может ли модифицированная модель ГРП применяться непосредственно на промыслах

Изначально ИВТ не был ориентирован на реализацию известных моделей и разработку технологий, а концентрировался на создании их научных основ. Однако таковые основы имеют и непосредственное практическое применение. Например, в начале процесса ГРП для инициирования трещины требуется большее давление, чем для ее поддержания. И определить это давление не всегда просто, а от него зависит количество и тип необходимого оборудования. В мировой литературе представлены приближенные аналитические оценки, были попытки расчетов, но окончательного решения проблемы не найдено. Нами разработана модель инициирования трещины, которая (модель) по конфигурации и напряжениям в породе предсказывает и давление разрушения, и тип образовавшейся трещины, и ее ориентацию.

Эту модель нельзя непосредственно применять в поле. Расчет и настройка занимает некоторое время. Кроме того, требуется точное знание направлений напряжений, их значений, направлений перфораций. Обычно этой информации нет, так как точность измерений не всегда достаточна, из-за высокой стоимости не все напряжения в породе измеряются, направления перфораций нельзя точно установить, так как от места, где фиксируется обсадная колонна, до перфораций несколько километров.

Но модель может сказать, какие ориентации скважины наиболее опасны с точки зрения неудачного ГРП, с точки зрения образования продольной трещины (которая нежелательна при многостадийном ГРП), интервалы давления, необходимого для начала ГРП. Такое исследование, например, мы проводили по заказу компании «Шлюмберже» для месторождения в Омане, которое расположено на глубине более четырех километров и сильно сжато не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, из-за чего успешных попыток ГРП на нем было меньше половины.

7. Каким видится будущее ГРП в контексте «новой нефти»

Современное состояние традиционных нефтегазовых запасов можно охарактеризовать словом «истощение». Все большее количество добывается из нетрадиционных, трудноизвлекаемых коллекторов. Примерами являются носители так называемой «сланцевой нефти» или, если использовать корректный термин – «нефти низкопроницаемых коллекторов» в США и Канаде, или баженовская свита в России. Последняя, хотя и обладает огромными запасами, но значительно более сложна для освоения. Порода имеет множество особенностей не только по сравнению с традиционными коллекторами, но и с популярными на американском континенте «сланцами». Во-первых, это слабые в сотни и десятки раз, соответственно, проницаемость и пористость. То есть нефти в ней содержится меньше, и перемещается к скважине она хуже. Нефть из таких пород невозможно добывать без использования ГРП.

Во-вторых, породы такого типа характеризуется сильной слоистостью и пластичностью или, скорее, текучестью, высоким поровым давлением, что осложняет и проведение гидроразрыва, и его моделирование. С точки зрения последнего необходимо дополнительно учитывать анизотропность напряжений, материала, пластические эффекты при описании распространения трещины, нелинейность деформаций при оседании трещины на проппант. Замечу, что кроме непосредственно гидроразрыва, освоение этой формации требует решения множества научных и технологических задач, над чем работают ученые в Сколково и в МГУ, в Санкт-Петербурге и в Новосибирске.