Геомеханика месторождений

Неаккуратная добыча углеводородов на шельфе может привести к серьезным авариям, губительным для окружающей среды. Снизить этот риск помогает моделирование процессов в нефтематеринских породах. О геомеханике разведки рассказывает физик Артем Мясников, профессор магистерской программы Сколтеха «Нефтегазовое дело». ПостНаука и Сколковский институт науки и технологий представляют курс «Наука нефти», посвященный современным технологиям добычи углеводородов.

Резервуар, пласт, месторождение, залежь — этими терминами обозначают места, которые образовались в результате осадконакопления и миграции. В итоге на какой-то глубине (например, в баженовской свите на глубине 3 километра расположена прослойка с толщиной 30 метров) лежат углеводороды и ждут, чтобы их оттуда добыли. Иногда это получается легко, как в случае с баженовской свитой: просто случайно пробурили, попали в зону, и оттуда пошел мощный поток. Потом оказалось, что, хотя этот поток сильный, залежи не везде расположены равномерно. Поэтому получается, что их еще надо найти. Часть из этих залежей находится не в состоянии уже готового к добыче жидкого флюида, а в состоянии так называемых нефтематеринских пород, которые когда-нибудь, спустя миллионы лет, произведут углеводороды при естественных условиях. Можно ускорить образование углеводородов, воздействуя на них термальными или какими-то другими методами. Все это достаточно непросто. Разработка месторождений требует большой подготовительной работы с точки зрения геомеханических моделей. Потом, когда эти модели построены, инициализированы на лабораторных экспериментах, можно составлять план разработки.

Резервуарная геомеханика имеет несколько достаточно сильно различающихся определений, и все эти определения справедливы. С точки зрения физики резервуарная геомеханика представляет собой дисциплину, которая изучает многофазные, многокомпонентные пластовые системы. В отличие от горной геомеханики, которая занимается выработками, карьерами, в резервуарной геомеханике скелет породы не является чем-то обособленным, а является одной из нескольких фаз, чье агрегатное состояние даже не всегда обязано быть твердым. Например, во многих случаях есть примеры, когда скелет из твердого агрегатного состояния переходит в жидкое. Это касается баженовской свиты, которую мы изучали последние несколько лет. С другой стороны, наполняющие фазы тоже могут быть представлены несколькими фазами, как жидкими, так и твердыми. В этом плане с физической точки зрения резервуарная геомеханика достаточно сложная наука, представляющая собой раздел механики сплошной среды.

Все фазы пласта изначально находятся в состоянии термического и механического равновесия. Но как только начинает пробуриваться первая разведочная скважина, равновесие нарушается. Восстановление равновесия — это неравновесный процесс, характеризующийся разными пространственными масштабами, каждый из которых порождает свой временной масштаб релаксации. Все эти масштабы релаксации формируют в конечном счете локальное механическое, термодинамическое и локальное равновесие. Чтобы описать эти процессы, необходимо написать адекватную систему уравнений, что является нетривиальной задачей, и провести ее грамотную инициализацию.

С другой стороны, с точки зрения резервуарного инжиниринга геомеханика представляет собой дисциплину, позволяющую избежать катастрофических событий, возникающих при ошибке реализации какого-то выбранного сценария. Замечательным примером является месторождение Ekofiskв Северном море, после которого всерьез заговорили о резервуарной геомеханике. Благодаря неправильно выбранной стратегии разработки произошло проседание сразу нескольких платформ на глубину более шести метров, и все платформы пришлось просто перестраивать. Это вылилось в колоссальные затраты.

Изначально резервуарная геомеханика развивалась на масштабе скважин. То есть решались прежде всего задачи об устойчивости ствола, о месте и траектории проводки скважины, о подборе буровых жидкостей, песковыделения и другие задачи. Однако теперь, особенно после случая с Ekofisk, инженерам стало ясно, что процессы на масштабе скважины и на масштабе резервуара связаны друг с другом очень сильно. В частности, в случае с Ekofisk проблемы со скважинами произошли из-за глобального проседания месторождения, вызванного падением в нем давления.

Перед инженером стоит очень простая, но практически важная задача: как учесть как можно в более полной мере все важные процессы, происходящие на разных масштабах, но при этом наиболее простым способом. Например, исследуя там, где надо, устойчивость ствола, учитывать все масштабы, происходящие в резервуаре. Как это заранее определить? Ответом на этот вопрос является методика создания так называемых оптимизационных workflow. Она означает, что изначально строится модель со всеми уравнениями, о которых я упомянул ранее, выписанными в наиболее подробном виде. Но при этом выводятся линейки параметров различной природы: физической, математической, вычислительной, геометрической. И по этим параметрам производится система упрощения вплоть до наиболее простой, на которой инженер может получить прикидочное решение с возможностью потом усложнять этот процесс до необходимой точности.

С точки зрения резервуарного менеджмента геомеханика представляет собой краеугольный камень создания системы интеллектуального месторождения. Она называется по-разному в мировой литературе. Или I-Field — intellectual field, E-Field — electronic field. Практически все современные крупные компании занимаются разработкой такого рода системы. Она включает в себя инкорпорацию различных workflow, в том числе оптимизационных, которые описывают процессы как в резервуаре, как в скважине, так и в поверхностных системах. Также в единую систему могут быть включены какие-то процессы на масштабе бассейна. И все они должны инициализироваться различными данными, которые отличаются друг от друга по масштабу и по происхождению.

Масштаб может варьироваться от поры, далее следует керн, потом скважина, затем резервуар и бассейн. Происхождение данных также может быть различным: одно дело — сейсмические данные, другое дело — данные, полученные в процессе бурения, промысловые данные. Это порождает великое количество неопределенности. Люди борются с этим разными способами. Но в любом случае создается краеугольный камень, вокруг которого далее накручивается система дополнительных усилий. В частности, очень популярно создание несколькими компаниями какого-нибудь одного консорциума на базе крупного университета. Например, известен Smart Fields Consortium на базе Стэнфорда. Или компания может развивать самостоятельно совместно с каким-то подрядчиком. Примером является совместный проект Schlumberger и Chevron Corporation по развитию INTERSECT. В этих примерах важно, что все разношерстные данные должны очень тщательно анализироваться на предмет их совместности, непротиворечивости и полноты.

Успешный проект развития геомеханической структуры обязан учитывать все три перечисленных приложения. И это возможно при условии, если система оптимизационных workflow, а также написание и решение уравнений и обеспечение бесшовного сценария в рамках E-Field удовлетворяют еще двум дополнительным условиям.

Первое — это создание вычислительной лаборатории state of the art, которая бы реализовала в рамках своей деятельности современные вычислительные методы, связанные с различной структурой кластеров, и могла бы распараллелить имплементацию тех уравнений, которые мы обсуждали в первом разделе. А второе важное условие заключается в том, что все уравнения и кластеры должны быть «живыми»: они должны быть инициализированы не на каких-то данных, найденных в разношерстной литературе, а на актуальных. По факту этот набор сложной экспериментальной работы делает построение моделей, реализацию технических задач и обслуживание клиента по-настоящему живыми.