Статья опубликована в журнале Applied Sciences. Работа выполнена при поддержке государственного задания «Экспериментальные и теоретические исследования межфазных явлений, термодинамических, физико-химических и геомеханических свойств нефтегазовых пластовых систем с целью повышения эффективности разработки трудноизвлекаемых запасов углеводородов».
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.