Моделирование фрактальной структуры и геофлюидодинамики нефтегазовых залежей

Заметный прогресс в области моделирования нефтегазовых месторождений, определяющего эффективные способы воздействия на продуктивные пласты, связан с ухудшением состояния мировых запасов нефти и газа, включая российские запасы углеводородного сырья. Основными причинами этого объективного процесса являются вступление многих известных месторождений в позднюю стадию разработки, когда уровень нефтегазодобычи снижается, и необходимость переоценки промыш-ленно извлекаемых запасов нефти и газа с учетом появления новых высокоэффективных технологий добычи и геофизического мониторинга, базирующихся на более адекватных реальности методах моделирования нефтегазовых залежей [1−12].

В настоящее время 80% добычи нефти России обеспечивается за счет 155 крупных и средних месторождений нефти с текущими извлекаемыми запасами более 50 млн. т каждое. Большая часть из них (60%) находится в состоянии падающей добычи, что обусловлено значительной выработанностью начальных высокопродуктивных запасов. Извлекаемые запасы нефти по текущим деби-там скважин разделяются следующим образом: меньше 10т/сут. = 55%- 10 — 25 т/сут. = 15%- 25−50т/сут. = 10%- 50- 100т/сут. — 7%- свыше 100 т/сут. = 3% .

Следует отметить, что в Ханты-Мансийском автономном округе выявлено всего 2000 залежей, из них крупных и уникальных (более 30 млн. т) только 88, но в них сконцентрировано 70% текущих извлекаемых запасов. Остальные 1912 залежей содержат 30% запасов, и каждое из них имеет менее 10 млн.т.

Среднесуточный дебит нефти одной скважины по России составляет сейчас 7,4 т/сут., а рентабельным считается дебит не менее 7,5 т/сут. Даже в богатейшем регионе Западной Сибири, Ханты-Мансийском автономном округе, в 1996 году средний дебит составил 11,8 т/сут., а в 1998 г. менее 10 т/сут. Обводненность превышает 80%, а это значит, что с каждой тонной нефти добывается 4 тонны воды.

Ввод в разработку новых объектов не компенсирует падение добычи нефти на основных месторождениях. Парадокс заключается в том, что по валовому объему извлекаемых разведанных запасов нефти Российская Федерация по разным оценкам занимает от второго до седьмого места в мире, бесспорно уступая лишь Саудовской.

Аравии. Но качество запасов во многих российских регионах оказалось низкое, как по природным, так и по технологическим причинам. Появилось понятие «трудноиз-влекаемые запасы» (ТИЗ) нефти и, даже газа, которые характеризуются малоэффективными промысловыми параметрами, в том числе низкой продуктивностью скважин и малыми темпами отбора. На долю ТИЗ в балансе страны сейчас приходится более половины промышленных запасов нефти, хотя более 20 лет назад они составляли единицы процентов [10,13−16].

В годы бурного расцвета нефтяной промышленности и крупных открытий недостаточно уделялось внимания геолого-промысловому изучению нефтегазонасы-щенных объектов. Среди специалистов длительное время природные резервуары ассоциировались с моделью порового однородного пласта-коллектора. Это считалось аксиомой при подсчете запасов и проектировании разработки. Однако в большинстве случаев запасы определялись первоначально с большой ошибкой и неоднократно уточнялисьфактические показатели разработки зачастую не соответствовали проектным. Отдельные исследователи на основе обширного геолого-промыслового материала приходят к выводу, что модель пласта-коллектора имеет более сложный характер, кроме пор в их строении принимают участие трещины и каверны. Поэтому геолого-геофизические данные поисково-разведочного этапа часто не согласуются с результатами испытаний и динамикой разработки.

Поведение нефтегазоносных коллекторов, представленных пористыми средами, в существенной мере определяется стохастическими факторами, включая хаотическое распределение зерен породы коллекторов по форме и размерам. При изучении неупорядоченных систем все более эффективно используется фрактально-геометрическое описание стохастических элементов их поведения (см., например, [17−22] и цитированную там обширную литературу). Основным для аппарата фрактальной математики является понятие дробной размерности, впервые введенное Хаусдорфом [17]. На языке фрактальной математики были сформулированы основные положения теории протекания [23−26]. В частности, установлена фрактальная природа так называемых вязких пальцев в пористых средах, где сильно вязкая жидкость (нефть) вытесняется слабо вязкой жидкостью (водой) [27−29].

Получен ряд интересных результатов, относящихся к вычислению проводимости фрактальных решеток.

Как известно, пористые вещества ведут себя как системы с фрактальной структурой [21,22]. Фрактально-геометрическое описание случайных факторов поведения неупорядоченных систем в последнее время весьма активно применяется в геологии и геофизике [2−4,30−32]. Так для нужд поисковой нефтяной геологии были исследованы вариации фрактальных характеристик соляно-купольных структур [33]. Дан анализ связи фрактально-геометрических показателей с нефтегазонос-ностью и проводимостью поровых коллекторов. Сформулирован фрактальный подход к изучению электропроводности горных пород [34]. Электрическая проводимость пористых нефтегазосодержащих пластов, исследуемая при их электромагнитном каротаже, также имеет фрактальную структуру, характерную для перколяцион-ного кластера [3,35].

Выдвигается вопрос о необходимости создания фрактальных флюидодинами-ческих моделей нефтяных и газовых залежей и их учета на стадии разведки и подготовки месторождений к разработке. Такое направление определяется новыми гео-флюидодинамическими концепциями в нефтяной геологии, теоретические основы которых в кратком изложении отражены в данной работе. Особое внимание уделяется современным геодинамическим процессам [4, 36−50].

Предлагаются новые подходы к нефтегеологическому районированию и выделяют флюидодинамическую систему, которая охватывает не только осадочные бассейны, но и весь разрез литосферы. Рассматривается классификация (типизация) бассейнов по флюидодинамическим критериям (поли-, гомо-, криптогенные бассейны). Предполагается, что интенсивность и специфика флюидодинамических процессов определяет не только масштабы генерации, но и масштабы нефтегазона-копления. Получила распространение концепция, что флюидодинамическая модель является основой разработки общей теории нефтеобразования.

Геофлюидодинамика охватывает широкий спектр объектов и процессов. В данной диссертационной работе отдается предпочтение локальным флюидодинамическим системам, каковыми являются залежи нефти и газа, т. е. природно-техногенным объектам в период их изучения и освоения. Такие объекты в отличие от нефтегазоносных бассейнов и крупных геосистем могут быть подвергнуты точным измерениям, систематическим наблюдениям и управлению отдельными процессами.

Представляется, что создание флюидодинамических моделей залежей является эффективным инструментом для решения многих задач: выделение различных типов коллекторов, повышения эффективности поисково-разведочных работ, уточнения подсчета запасов и их дифференциации, геолого-промыслового обоснования эффективных технологических показателей. В конечном счете это позволяет оптимизировать процесс выработки трудноизвлекаемых запасов и повысить текущие и конечные коэффициенты нефтеи газоотдачи, что особенно важно для таких крупных нефтегазоносных провинций, как Западная Сибирь.

Необходимо учитывать тенденции развития, а, следовательно, и действовать в соответствии с реально сложившейся ситуацией. В ближайшие два-три десятилетия придется работать с трудноизвлекаемыми запасами и малодебитными месторождениями, но работать эффективно и профессионально.

Актуальность. Анализ современных технических средств сейсморазведки полезных ископаемых позволяет констатировать, что реализация уникальных возможностей сейсмоакустических источников волновых полей сдерживаются вследствие применения чрезмерно упрощенных моделей рассеяния сейсмических и акустических волн, отсутствия должного математического обеспечения процессов обработки результатов измерений [6, 44, 51−55]. Подобная ситуация характерна для электроразведки [12] и в целом для геологии нефти и газа, нефтегазодобывающей промышленности [13, 56, 57]. Вероятно по этой причине остается низким коэффициент успешности в поисково-разведочных работах, все еще мал процент извлечения нефти из пластов. В силу этого необходимы новые подходы к изучению геодинамики и напряженного состояния нефтегазонасыщенных объектов.

Поэтому весьма актуальной является проблема моделирования и создания новых методов фрактального анализа нефтегазонасыщенных объектов как открытых динамических систем с быстро меняющимся состоянием, то резко напряженным, то близким к стабильному, что особенно характерно в период наложенных техногенных процессов (геологоразведка, разработка месторождений нефти и газа). Фрактальное моделирование как инструмент для изучения скрытого порядка в динамике неупорядоченных систем, каковыми являются нефтегазовые месторождения, стало технологической потребностью. Фрактальные модели упрощают анализ турбулентного движения жидкости или газа, а также процесса протекания, что важно для индустриальных технологий технологии разработки месторождений нефти и газа [2, 3, 13]. В частности, напряженные крупномасштабные фрактальные структуры возникают при закачке в пласт воды, газа и других агентов, поддерживающих пластовое давление. Наличие фрактальных структур может быть также связано с загрязнением прискважинных зон пласта [13].

Целью настоящей диссертационной работы является математическое моделирование фрактальной структуры и геофлюидодинамики нефтегазовых залежей. Научно обоснованное решение этой комплексной задачи содержит следующие этапы, связанные между собой объектами и методами исследований:

— разработка фрактальной модели нефтегазовых месторождений, акустических и сейсмических процессов в нефтегазонасыщенных средах;

— фрактальное моделирование электропроводности нефтегазоносных пластов;

— разработка методов флюидодинамического моделирования нефтегазогеоло-гических систем, включая определение фрактальных характеристик продуктивности пласта-коллектора.

Научная новизна работы определяется ее основными положениями, выносимыми на защиту.

1) Разработана методология фрактального анализа месторождений нефти и газа при наложенных техногенных процессах, связанных с геологоразведкой и применением индустриальных технологий нефтегазодобычи.

2) Предложены методы существенного повышения информативности средств сейсмоакустической локации, применяемых для геологоразведки и мониторинга геофизической обстановки залежей нефти и газа, на основе фрактального моделирования рассеяния сейсмических и акустических полей. Исследована взаимосвязь фрактальной структуры нефтегазонасыщенной упругой среды и фрактонных особенностей сейсмических и акустических волн, распространяющихся и рассеиваемых в ней. Установлена возможность определения степени насыщенности упругой среды нефтью и (или) газом по пространственным изменениям фрактонных характеристик спектра сейсмоакустических сигналов, включая трансформацию фрак-тонов в фононный спектр на границе нефтегазового месторождения.

3) Разработаны принципы фрактального моделирования электрической проводимости нефтегазосодержащих пористых сред, образуемых терригенными коллекторами в виде песчаных пластов. Дан детальный численный анализ фрактальной структуры континуального кластера электропроводности нефтегазоносного коллектора, результаты которого могут быть использованы для повышения эффективности методов электроразведки месторождений нефти и газа.

4) Установлены варианты оптимизации выбора каротажного стандарта для промыслово-геофизического мониторинга.

5) Представлена математическая модель флюидодинамики нефтегазогеологи-ческих систем. Указаны алгоритмические и программные средства построения гео-флюидодинамической модели нефтегазовой залежи с учетом техногенных процессов. Определены фрактальные характеристики промысловой продуктивности нефтеносного пласта-коллектора на основе анализа его геофлюидодинамики.

Практическая ценность работы. В прикладном аспекте полученные результаты представляют интерес, прежде всего, с позиций перспектив появления и широкого распространения нового поколения методов комплексного анализа динамики нефтегазовых месторождений, необходимости существенного повышения информативности средств сейсмоакустической локации и электроразведки для детальной диагностики нефтегазоносных коллекторов, совершенствования критериев оценки их промысловой продуктивности, используемых при геологоразведке, геофизическом мониторинге и нефтегазодобыче. Определенная часть представленных в данной работе исследований использована при разработке модели геофлюидодинамики и технологической схемы Верх-Тарского месторождения нефти.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 1999) — XV Губкинских чтениях «Перспективные направления, методы и технологии комплексного изучения нефтегазоносности недр» (Москва, 1999);

Научно-практической конференции «Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин» (Новосибирск, 1999) — научных семинарах Международного института нелинейных исследований РАН и Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина. «.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в опубликованных работах [35,45,46−48, 58, 59].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы по теме диссертации. Общий объем работы составляет 115 страниц, в том числе 28 иллюстраций, 11 таблицсписок литературы содержит 62 наименования.

Основные результаты диссертационной работы и выводы, которые можно сделать на их основе, заключаются в следующем.

1. Разработана методология фрактального анализа месторождений нефти и газа при наложенных техногенных процессах, связанных с геологоразведкой и применением индустриальных технологий нефтегазодобычи.

2. Предложены методы существенного повышения информативности средств сейсмоакустической локации, применяемых для геологоразведки и мониторинга геофизической обстановки залежей нефти и газа, на основе фрактального моделирования рассеяния сейсмических и акустических полей. Установлены и исследованы эффекты взаимосвязи фрактальной структуры нефтегазонасыщенной упругой среды и фрактонных особенностей сейсмических и акустических волн, распространяющихся и рассеиваемых в ней. Предсказана трансформация во времени фрак-тонной части спектра сейсмоакустических сигналов в нефтегазонасыщенных системах под воздействием техногенных процессов. Указан новый метод диагностики нефтегазовых месторождений, позволяющий по пространственным изменениям фрактонных характеристик определять степень насыщенности упругой среды нефтью и (или) газом, включая возможность регистрации границы месторождения по переходу фрактонов в фононный спектр.

3. Разработаны принципы фрактального моделирования электрической проводимости нефтегазосодержащих пористых сред, образуемых терригенными коллекторами в виде песчаных пластов. Дан детальный численный анализ фрактальной структуры континуального кластера электропроводности нефтегазоносного коллектора, результаты которого могут быть использованы для повышения эффективности методов электроразведки месторождений нефти и газа.

4. Установлены возможные варианты оптимизации процесса выбора каротажного стандарта для промыслово-геофизического мониторинга.

5. Представлена математическая модель флюид о динамики нефтегазогеологи-ческих систем. Указаны алгоритмические и программные средства построения геофлюидодинамической модели нефтегазовой залежи с учетом техногенных |1роцессов. Определены фрактальные характеристики промысловой продуктивности нефтеносного пласта-коллектора на основе анализа его геофлюидодинамики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассматривая перспективу развития нефтегазовой индустрии необходимо иметь в виду следующие направления: 1) поиски крупных и высокодебитных нефтегазовых скоплений в новых районах и перспективных толщах, включая шельфы и большие глубины земной коры- 2) эффективное освоение выявленных и предполагаемых ресурсов в «старых» районах. Существенные приросты добычи могут быть получены за счет извлечения углеводородного сырья из ныне считающихся неперспективными зон с трудно извлекаемыми запасами.

Основными статьями прироста запасов нефти и газа являются: ревизии, улучшение технологий, доразведка существующих и открытие новых месторожденийпокупка готовых запасов. Под ревизией понимается переоценка запасов в процессе разработки месторождений на основе анализа параметров их динамики, а также пересмотр и переработка старых геолого-геофизических материалов.

Универсальная гео флюид о динамическая модель залежей нефти и газа должна учитываться на всех стадиях освоения месторождений. Мониторинговое моделирование геофлюидодинамики нефтегазовых залежей способствует одновременной выработке трещинной и поровой сред, уменьшению обводненности продуктивных отложений, снижению непроизводительных затрат и комплексной ревизии запасов.

Оперативное управление процессов разработки нефтяных и газовых месторождений должно осуществляться на основе постоянного геофлюидодинамического мониторинга, что обеспечит максимальные коэффициенты нефтеи газоотдачи за счет эффективного использования пластовой энергии и своевременной корректировки систем разработки. Значительный экономический эффект от использования геофлюидодинамического мониторинга может быть получен на каждом промъ! словом объекте или в целом на месторождении при учете их особенностей.