Продление срока службы на норвежском шельфе
Песок в потоке нефти с риском обрушения скважины — хорошо известная проблема, когда песчаниковые коллекторы приближаются к истощению. Передовые датчики и супермашина помогают исследователям определить порог, за которым прибыльная добыча прекращается. Это может увеличить срок службы месторождений.
На зрелых месторождениях норвежского шельфа, которые добывают уже некоторое время, пластовое давление снижается, что приводит к уменьшению сопротивления породы-коллектора воздействующим на неё силам. Эти силы вызывают отслоение песка и фрагментов породы от стенок скважины и их смешивание с потоками нефти или газа. Это явление называется «пескопроявлением» и является проблемой, особенно для старых месторождений.
«Для освоения ресурсов разрабатываемых месторождений выгодно добывать максимально эффективно из существующих скважин, и это требует знаний о том, как вести добычу при возрастающем риске пескопроявления. Именно это мы теперь можем предсказывать точнее», — говорит Андреас Бернтсен из SINTEF.
Укрощение огромных сил
Нефть и газ находятся в основном в слоях пористого песчаника, заполняя поры подобно тому, как жидкость заполняет губку. Некоторые из самых распространённых коллекторов состоят из песчинок, которые за геологическое время сцементировались в песчаники, залегающие на глубине в несколько километров.
Если из скважины поступает слишком много песка, это вызовет непропорционально высокий износ клапанов и труб. Это также может привести к закупорке скважины, блокировке оборудования и снижению продуктивности. Песок также необходимо отделять от потока продукции, очищать и утилизировать.
Скважины бурят в коллектор, чтобы обеспечить добычу нефти или газа. При открытии клапанов нефть и газ устремляются из пористых пород в скважину и на производственную платформу или в трубопроводы на морском дне.
«Коллекторы часто залегают на глубинах от двух до пяти километров, и вес вышележащих пород подвергает породу-коллектор значительной нагрузке. Область непосредственно вокруг скважины наиболее уязвима для повреждений, если порода находится на пределе своей прочности», — объясняет Эврипид Папамихос, старший научный сотрудник, руководящий проектом в SINTEF.
Старая область исследований
Таким образом, пескопроявление было важным предметом исследований в течение 25 лет, как для понимания механизмов явления, так и для прогнозирования, контроля, ограничения или предотвращения этого феномена.
Важным элементом исследовательской работы являются лабораторные испытания песчаника, полученного либо из карьеров, либо непосредственно с нефтяного месторождения. В образец песчаника бурят цилиндрическое отверстие, подобное скважине в миниатюре. Затем породу помещают в камеру давления, где она подвергается нагрузкам, имитирующим условия в коллекторе. Большие гидравлические домкраты прикладывают различное давление в разных направлениях, пока нефть просачивается через породу в «скважину». По мере увеличения напряжений можно наблюдать песок в потоке нефти, когда порода вокруг отверстия разрушается.
«В лаборатории мы можем контролировать давление и поток и воспроизводить условия напряжений и потока, существующие на различных месторождениях. Мы также можем измерять пескопроявление и наблюдать, как размываются стенки "скважины". На основе этого мы можем создавать модели того, когда начнётся пескопроявление и как оно будет развиваться со временем для разных пород. В полевых условиях это измерить гораздо сложнее, поэтому лабораторные испытания ценны», — говорит Бернтсен.
Силы воздействуют на коллектор со всех сторон
Вертикальное напряжение является наибольшим, в то время как горизонтальные напряжения часто несколько меньше. Предположение о равенстве напряжений в горизонтальной плоскости во всех направлениях упрощает расчёты и лабораторные испытания. Большинство лабораторий всё равно не могут изменять их независимо. Проблема в том, что это не отражает реальную картину в большинстве полевых ситуаций.
«Кроме того, длинные, наклонные или горизонтальные скважины стали более распространёнными, и это делает картину напряжений гораздо более сложной. Мы знаем, что прочность породы зависит от схемы напряжений, и это влияет на пескопроявление. Однако только True Triax позволяет нам фактически проверить влияние схемы напряжений», — поясняет Ларс Эрик Валле из SINTEF Industry. Он ссылается на последнее крупное приобретение отдела — Истинную трёхосную испытательную систему (True Triaxial Test System), которая может варьировать напряжения во всех трёх направлениях.
Специально разработанная машина-монстр
Машина True Triax — единственная в своём роде, которая может имитировать условия, преобладающие на глубине до десяти километров под поверхностью, при этом позволяя осуществлять поток жидкости при высокой температуре. Оборудование специально сконструировано для этой лаборатории, весит десять тонн и развивает усилие в 800 тонн-силы на образцах породы диаметром до полуметра.
В течение многих лет учёные SINTEF разрабатывали методы испытаний для изучения пескопроявления в лаборатории, но только теперь оборудование позволяет моделировать по-настоящему реалистичные условия напряжений. Работа над этим проектом ведётся с 2017 года, и теперь учёные SINTEF привлекли к работе докторанта NTNU, который будет специально изучать, как происходит пескопроявление на газовых месторождениях.
От физических измерений к компьютерным моделям
Физические измерения лабораторных испытаний в сочетании с моделями и симуляциями используются для разработки программного обеспечения для оценки пескопроявления.
«Мы создаём большую базу знаний, используя в испытаниях различные песчаники. Однако все породы разные, поэтому наши индустриальные партнёры присылают образцы породы-коллектора прямо с месторождения для тестирования, чтобы мы могли калибровать наши модели. Затем информация со скважин вносится в программное обеспечение, которое рассчитывает пескопроявление с различных участков скважины при заданных условиях. Таким образом операторы могут сравнивать различные методы добычи», — говорит Папамихос.
Основные цели этого исследовательского проекта:
- избежать пескопроявления или держать его под контролем и найти пределы прибыльной добычи на старых нефтяных и газовых месторождениях. В нефтяной терминологии это известно как «управление пескопроявлением» (sand management).
- увеличить коэффициент извлечения нефти (КИН) существующих месторождений и снизить потребность в открытии новых.
- снизить воздействие на окружающую среду за счёт продления срока службы месторождения и избежания обработки песка.
- разработать компьютерные инструменты, которые операторы смогут использовать для прогнозирования пескопроявления в различных условиях.