Статья опубликована в журнале «Записки Горного института», т. 271, № 16217, 2025.

Геологическое и гидродинамическое моделирование – ключевой инструмент в разработке нефтяных месторождений. Оно позволяет определять оптимальные места бурения, прогнозировать динамику технологических показателей работы скважины во времени с учетом изменения давления, процессов закачки воды и других факторов. Точные модели помогают избежать ошибок в планировании и увеличить коэффициент извлечения нефти.

Для адекватного моделирования важно учитывать реальные физические процессы, протекающие в пласте. В трещинных карбонатных коллекторах (известняках, доломитах и др.) трещины играют ключевую роль в процессе фильтрации. Они значительно увеличивают проницаемость породы, но их состояние нестабильно: при изменении напряжений в пласте трещины могут смыкаться, что отрицательно влияет на добычу. Этот эффект характерен для крупных нефтеносных регионов, таких как Иран, Ирак, Саудовская Аравия, Мексика, Вьетнам, а также для ряда месторождений в России (Прикаспийская впадина, Восточная и Западная Сибирь, Урало-Поволжье, Северный Кавказ).

Стандартные модели не способны полноценно учитывать влияние пластового давления на проницаемость трещин. Это может привести к неточным прогнозам и ошибкам в проектировании разработки месторождений.

Методика, разработанная учеными Пермского Политеха, учитывает эффект смыкания трещин, что делает прогнозы более надежными и приближенными к реальной ситуации. Исследование предлагает новый способ оценки проницаемости трещиноватых коллекторов, который трудно было реализовать старыми методами. Ученые использовали методы машинного обучения для анализа трехмерных сейсмических данных. Этот подход позволяет получить более точную картину того, как пласт будет вести себя в будущем.

Процесс построения модели по новой методике включает несколько этапов. На первом происходит анализ данных по изменению добычи нефти и давления в пласте, что позволяет выявить зоны с наибольшей изменчивостью проницаемости. Второй этап – создание компьютерной геомеханической модели, которая визуально показывает структуру пласта, распределение пород и зоны разломов. С ее помощью рассчитываются напряжения и их влияние на состояние трещин. На третьем определяется проницаемость – для этого используются методы машинного обучения, 3D сейсмика и результаты геомеханического моделирования, что позволяет учитывать вклад в общую проницаемость разнонаправленных систем трещин. Наконец, четвертый этап включает создание гидродинамической модели, которая учитывает динамические изменения свойств пласта.

– Интегрированное моделирование с учетом геомеханики и методов машинного обучения позволяет получить более точные прогнозы и лучше понять поведение пласта, – отмечает Денис Шустов, ведущий научный сотрудник кафедры «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Новая модель была реализована в специализированном гидродинамическом симуляторе tNavigator на данных одного из крупных карбонатных месторождений. Традиционные модели предсказывали восстановление давления в ряде скважин, но в реальности этого не происходило. Например, на одной из скважин за 4 года добыча жидкости упала с 80 до 20 м³/сут. Согласно классическим представлениям, давление должно было возрасти. Но в действительности в окрестностях данной скважины трещины сомкнулись, что привело к снижению добычи при неизменном пониженном пластовом давлении. Разработанная модель корректно учла этот эффект.

– Наш подход позволил значительно точнее предсказывать изменение пластового давления и добычи. Это дает возможность более эффективно управлять разработкой месторождений и снижать эксплуатационные риски, – поясняет Сергей Якимов, ведущий научный сотрудник кафедры «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Модель, созданная учеными Пермского Политеха, обеспечивает более точное соответствие прогнозных расчетов с реальными данными. Это позволяет оптимизировать разработку месторождений, грамотно планировать мероприятия по поддержанию пластового давления и учитывать динамику изменения трещинных коллекторов, что в итоге снижает риск того, что количество извлеченной нефти из пласта окажется ниже запланированного, и повышает надежность проектных решений нефтедобычи.

Как понять, сколько в нефтяных залежах осталось полезных ископаемых? Как они распределены в горной породе и как повысить эффективность их добычи? Для ответов на все эти вопросы нефтяники на основе данных о пористости и проницаемости пласта создают 3D-модель месторождения. Она позволяет спрогнозировать будущее поведение нефти и газа и спланировать их наиболее продуктивную добычу. От ее точности во многом зависит правильность всех принятых решений по извлечению ресурсов. Но на сегодняшний день остаются проблемы с компьютерным воспроизведением сложных коллекторов, которые отличаются большим количеством пустот и трещин в структуре. Ученые Пермского Политеха разработали подход, на 10% повышающий достоверность моделирования таких нефтяных залежей. Он дает возможность качественно оценить реальные фильтрационные потоки, по которым жидкость продвигается к скважине.

Статья с результатами опубликована в журнале «Инженер-нефтяник», 2024 год. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В своем строении горные породы имеют маленькие пустоты и трещины, по которым протекает нефть или газ и, как через фильтр, попадает в скважину для дальнейшего извлечения. Для продуктивной разработки месторождений важно понимать, сколько ресурсов залегает в пласте и какими именно путями они продвигаются внутри горной породы. Поэтому проводят различные геофизические и гидродинамические исследования скважин, с помощью которых собирают информацию о пористости, проницаемости и структуре пласта, а также о давлении, температуре и движении жидкостей внутри него. На основе этого строят 3D-модель месторождения, отражающую всю ситуацию по нефтедобыче.

Модель должна полностью воспроизводить все реальные фильтрационные процессы пласта. Однако в случае с карбонатными коллекторами отобразить их достоверно получается далеко не всегда. Их строение осложнено большой сетью каналов, трещин и пустот, из-за чего свойства такого пласта неоднородны и тяжело точно предсказать, как будет вести себя жидкость при добыче.

В таких условиях улучшить качество моделирования можно с помощью проведения дополнительных специальных исследований. Ученые Пермского Политеха предлагают использовать метод трассирования горных каналов. Он заключается в добавлении в жидкость (воду, нефть или газ) специального индикатора. Это может быть химическое соединение, краситель или радиоактивный изотоп, который легко обнаружить. Меченую жидкость закачивают в скважину или пласт и с помощью датчиков следят за тем, где и как быстро вещество появляется в других скважинах.

– Такой метод уже давно широко используется для изучения строения пласта и движения подземных вод. Но при этом, несмотря на имеющийся опыт, результаты его проведения не учитываются при создании гидродинамической модели. Мы разработали подход, который с помощью трассерных исследований позволяет скорректировать 3D-модель нефтяных залежей и повысить ее прогностические способности за счет учета направления реальных фильтрационных потоков, – рассказывает Инна Пономарева, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

В качестве основного объекта политехники выбрали сложнопостроенную залежь нефти, которая отличается неоднородностью пустотного пространства и высокой вязкостью. Сначала построили ее гидродинамическую модель без учета трассерных исследований. Затем в пять нагнетательных скважин закачали индикатор и отследили его появление в 17 добывающих скважинах. Результаты подтвердили сложное строение коллектора, выраженное в разветвленной структуре реальных фильтрационных потоков.

– На основе новых данных мы донастроили существующую модель и провели имитационные расчеты добычи нефти. Ее дополнительная адаптация с помощью трассерного метода позволила не менее чем на 10% улучшить сходимость расчетных и фактических показателей добычи. Что, в свою очередь, влияет на планирование новых более продуктивных способов разработки месторождения. Это говорит о целесообразности дальнейшего тиражирования предложенного подхода в нефтепромысле, – объясняет Инна Пономарева.

Результаты, полученные учеными Пермского Политеха, доказывают перспективность применения трассерного метода при моделировании сложных нефтяных месторождений. Такой подход повышает точность 3D-модели, открывая информацию о реальном расположении каналов в структуре горных пород. Это позволяет улучшить качество прогноза поведения полезных ископаемых и оптимизировать процессы их добычи.

Геомеханическое моделирование – это инструмент, часто используемый при разработке нефтяных месторождений, бурении, строительстве и заканчивании скважин. Его активно используют для оценки эффективности различных технологий вторичного вскрытия продуктивных пластов – процесса создания перфорационных отверстий в металлических обсадных трубах, цементном камне и горной породе. Кумулятивная перфорация – один из самых распространенных способов «вскрытия» пласта, то есть получения гидродинамической связи между скважиной и пластом и, соответственно, притока флюида. Однако этот метод приводит к трансформации напряженного состояния пород-коллекторов – именно поэтому перфорацию и необходимо предварительно смоделировать, чтобы подобрать наиболее эффективные способы вторичного вскрытия и подходящие материалы для цементирования обсадных колонн.

Существующие модели оценки состояния прискважинной зоны пласта упрощены и не учитывают геометрию каналов перфорации. Это делает моделирование неточным, что может привести к ошибкам при проектировании и дальнейшей эксплуатации скважин.

Ученые Пермского Политеха разработали численную конечно-элементную модель, которая включает в себя обсадную колонну, цементный камень, нефтенасыщенные породы, а также учитывает геометрию перфорационных каналов. Ее особенностью является использование контактных элементов для оценки взаимодействия между обсадной колонной, цементным камнем и породой, что делает модель более реалистичной. Аналогов этой модели на практике нет. Она представляет собой совокупность уравнений, куда можно подставить необходимые данные и рассчитать распределение напряжений, оценить запас прочности и устойчивость крепи скважины и горных пород. Кроме того, с ее помощью возможно оценить влияние деформационных эффектов на проницаемость пласта.

– Сначала мы проверили работоспособность модели в программе ANSYS 19 на примере простой ситуации – открытой вертикальной скважины без учета перфораций, цемента и колонны. Это нужно было для того, чтобы удостовериться, что модель правильно описывает базовые физические процессы. Полученную производительность скважины сравнили с аналогичным расчетом по классической формуле, чтобы убедиться, что наша модель является статистически значимой и ее можно применять на практике. Расхождение оказалось незначительным – всего 3,8%, что считается хорошим результатом. Разница объясняется тем, что наша модель включает в себя дополнительные элементы – породу-коллектор, цементный камень, обсадную колонну и перфорационные каналы – чего не учитывают другие аналитические формулы. В будущем планируется сравнить модель с реальными данными, полученными на скважинах, – рассказывает Сергей Попов, заведующий лабораторией института проблем нефти и газа РАН, доктор технических наук.

– Модель позволяет вычислить то, насколько околоскважинная зона и элементы крепи способны выдерживать оказываемую на них нагрузку. Так, наши расчеты показали, что запас прочности цементного камня составляет 2-3 единицы, а коэффициент запаса прочности обсадной колонны – 3-4 единицы, что говорит о высокой степени устойчивости. Наиболее слабой зоной является область рядом с перфорационными каналами, поскольку именно здесь возникают области разрушения как от растягивающих, так и от сжимающих нагрузок, – рассказывает Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

Разработанная учеными Пермского Политеха математическая модель позволяет значительно улучшить точность расчетов напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны с учетом элементов крепи скважины. Более точное моделирование может предупредить проблемы, связанные со снижением продуктивности скважины, и обеспечить ее эффективную работу.