Развитие комплексных термогазохимических методов воздействия на сложнопостроенные нефтяные месторождения с применением новых инструментов математического моделирования, учитывающих трансформацию матрицы коллектора и изменения физико-химических свойств флюидов, для анализа, контроля и регулирования разработки

Топливно-энергетический комплекс является важной частью современной экономики России. Но в последние 20 – 30 лет в России существенно ухудшилась структура запасов нефти. Это связано с высокой обводненностью традиционных коллекторов на большинстве разрабатываемых месторождений, введением в разработку трудноизвлекаемых запасов нефти. Сюда можно отнести в том числе низкопроницаемые пласты, высоковязкие нефти, тонкие нефтяные оторочки, нетрадиционные коллектора (баженовская и доманиковая свиты и др.). Остаточные запасы нефти на обводненных месторождениях многие исследователи также обоснованно относят к трудноизвлекаемым. Такое ухудшение структуры запасов нефти не удовлетворяет Стратегии развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 декабря 2018 г. № 2914-р (далее - Стратегия развития минерально-сырьевой базы). Возможность начала разработки новых залежей высоковязкой нефти из низкопроницаемых коллекторов сопряжена с необходимостью создания новых технологий, так как традиционные подходы далеко не всегда обеспечивают выход на рентабельные показатели эксплуатации. При этом для обеспечения рационального использования существующей минерально-сырьевой базы (согласно приоритетам Стратегии развития минерально-сырьевой базы) необходимо вовлечение в эксплуатацию трудноизвлекаемых запасов нефти, что требует перехода к новым технологическим решениям для их эффективной разработки. Сложившаяся ситуация требует принятия срочных мер по проведению научно-исследовательских работ в направлении поиска методов поддержания нефтедобычи на приемлемом уровне и достижения повышенных коэффициентов нефтеизвлечения с учетом минимального ущерба окружающей среде. В этом плане мировой подход к проблеме сокращения количества выбросов углекислого газа в атмосферу (декарбонизации) и позиция России [Стратегия социально-экономического развития до 2050 года с низким уровнем выбросов парниковых газов, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 29 октября 2021 г. № 3052-р] дают основание к созданию проектов, комплексно решающих проблему утилизации углекислого газа путем его использования для повышения нефтеизвлечения не только для месторождений, находящихся на поздней стадии разработки, но и для вновь вводимых в разработку трудноизвлекаемых и нетрадиционных запасов. Как правило, поиск новых технологических решений для разработки трудноизвлекаемых запасов базируется на основе применения тепловых, химических и газовых методов, комплексное сочетание которых может повысить подвижность пластовых флюидов, увеличить коэффициент охвата, стимулировать генерацию жидких и газообразных углеводородов и тем самым повысить степень их извлечения. Контроль, анализ, регулирование и прогнозирование разработки таких месторождений требует разработки специальных математических моделей, в которых должны быть учтены особенности многофазности и многокомпонентности процессов, физического и химического взаимодействия флюидов с пористой матрицей, фазовые переходы и критические явления, капиллярные силы и электроосмотические явления. Для контроля, анализа, регулирования и прогнозирования разработки нефтяных месторождений используется большое количество различных подходов - от простых аналитических (как правило, одномерных и одно- или двухфазных) моделей до сложных трехмерных многофазных моделей, требующих использования численных методов решения систем дифференциальных уравнений в частных производных. Во многих случаях использование трехмерных многофазных моделей является неприемлемым в виду больших трудозатрат и отсутствия необходимой исходной информации. Для решения многих оперативных задач разработки нефтяных месторождений и управления выработкой запасов достаточно применения более простых моделей. Для контроля, анализа, регулирования и прогнозирования разработки нефтяных месторождений с помощью заводнения применяются в основном метод материального баланса, характеристики вытеснения и ячейки заводнения. Новым методом, применяемым для этих целей, является CRM-моделирование. Однако CRM-модели не учитывают главную особенность месторождений «очень сложного строения» - изменчивость фильтрационно-емкостных свойств. Актуальным является разработка CRM-моделей с учетом неоднородности пласта по фильтрационно-емкостным свойствам. Поэтому в данной работе большое внимание уделяется разработке CRM-моделей для пластов с двойной пористостью и двойной проницаемостью. Разработка месторождений в низкопроницаемых и сверхнизкопроницаемых коллекторах, а также разработка месторождений с аномально высоким пластовым давлением характеризуется сильным падением пластового давления. Это приводит к проявлению так называемого режима доуплотнения пласта. Он сопровождается упругой (обратимой) деформацией твердого пористого тела (минерального скелета) пласта при падении пластового давления, что вызывает существенное сокращение пористости и сильное сокращение проницаемости породы, изменение других ее физических свойств. Такие процессы не учитываются при анализе ячеек заводнения. Актуальным является разработка моделей в рамках концепции ячеек заводнения с учетом падения пористости и проницаемости пласта при снижении пластового давления. Поэтому данная работа посвящена в том числе созданию в рамках концепции ячеек заводнения математических моделей разработки нефтяного месторождения при двухфазной фильтрации (нефть-вода и нефть-газ) с учетом снижения по произвольному закону пористости и проницаемости пласта. Еще одной важной и актуальной задачей, решаемой в рамках данной работы, является развитие гидродинамических исследований скважин. Такие исследования являются одним из важнейших источников информации о геологическом строении нефтяного месторождения и его фильтрационных свойствах, что очень важно для повышения эффективности математического моделирования и разработки месторождений. Известно, что наиболее информативные и достоверные результаты могут быть получены при проведении гидродинамических исследований на нестационарных режимах фильтрации методами восстановления давления и гидропрослушивания. Технологии исследований этими методами требуют достаточно длительных остановок скважин, что приводит к нежелательным потерям в добыче нефти. Поэтому в литературе все чаще появляются попытки найти альтернативные способы проведения гидродинамических исследований в условиях нестационарной фильтрации, при которых потери добычи нефти либо могут быть сокращены, либо ликвидированы полностью. Из подобных подходов, можно выделить: метод двух режимов (это скорее идеализированный случай, имеющий ряд серьезных ограничений), метод односкважинной или мультискважинной деконволюции (тесно связаны с наличием коротких остановок скважин), а также анализ падения добычи (наиболее эффективен в случае относительно гладких длительных кривых изменения дебита и давления). При исследованиях скважин, работающих нестабильно с переменным дебитом, применение вышеперечисленных подходов и методик крайне затруднительно. Поэтому в настоящем проекте предлагается рассмотреть принципиально иной подход, предполагающий любое изменение дебита и давления. Для его реализации у коллектива есть большое задел. Появление новых технологических возможностей исследования пористой структуры реальных кернов с использованием возможностей спектроскопии и компьютерной томографии дает возможность на нано-уровне отслеживать развитие физико-химических взаимодействий флюидов и матрицы с регистрацией изменения структуры коллектора. Для описания этих процессов на микроуровне необходимо привлечение элементов перколяционного анализа, основанного на математическом вероятностном подходе к изменению фильтрационно-емкостных характеристик. В настоящей работе планируется разработать математические модели, позволяющие учитывать как особенности процесса на микроуровне, так и интерпретировать результаты испытания новых методов термогидрогазохимического воздействия в макромасштабе для насыщенных полноразмерных образцов кернов реальных месторождений с учетом их структуры и состава пород, и затем проводить перенос результатов на масштабы дренирования реальных скважин и прогнозирование эффективности используемых методов в масштабе реального месторождения. Решение прямых и обратных задач математического моделирования для интерпретации гидродинамических исследований требует совершенствования программного обеспечения с учетом не только геометрии области фильтрации, но и с учетом проявления аномальных свойств флюидов.