CC BY
74
УДК [622.031:553.98]:[622.143.1:550.8.01]
А.Е. Рыжов, З.П. Склярова
Совершенствование системного подхода к исследованиям керна и пластовых флюидов нефтегазовых месторождений в ПАО «Газпром» (создание Корпоративной системы исследований керна и флюидов)
Стратегия развития геологической отрасли Российской Федерации до 2030 г. предусматривает необходимость совершенствования системы сбора, обработки, анализа, хранения и предоставления в пользование геологической информации. Текущая ситуация в сфере изучения недр отражает существенное усложнение условий проведения геологоразведочных работ, ухудшение структуры сырьевой базы углеводородов, что обусловливает повышение требований к полноте и достоверности исходной геологической информации, являющейся основой для оценки запасов и составления проектной документации на разработку месторождений.
Освоение углеводородных ресурсов на современном этапе связано с вовлечением в разведку и разработку залежей сложного состава и строения, залегающих на больших глубинах при аномально высоких пластовых давлениях и температурах, с ухудшенными фильтрационно-емкостными свойствами. В традиционных районах газодобычи на месторождениях в поздней стадии добычи на данном этапе актуальны задачи выработки запасов низконапорного газа, остающегося в недрах после истечения экономически целесообразного срока разработки, ввода в промышленную разработку ачимовских залежей, доразведки и освоения углеводородного потенциала над-сеноманских и юрских залежей. Насущность работы с первичными геологическими материалами подтверждают изменения в федеральном законодательстве - принятие Федерального закона от 29.06.2015 № 205-ФЗ [1].
В соответствии со Стратегией развития геологической отрасли Российской Федерации [2] разрабатываются стратегические программы развития ПАО «Газпром». Комплексными программами повышения эффективности разработки месторождений ПАО «Газпром» на перспективу 2008-2010 и 2011-2015 гг. были предусмотрены мероприятия по формированию в Обществе вертикально интегрированной корпоративной системы работы с первичными источниками геологической информации - керно-вым материалом и пробами пластовых флюидов.
В ПАО «Газпром» в 2011 г. утверждено Положение об организации системной работы с керновым материалом и пробами пластовых флюидов в ОАО «Газпром», (план мероприятий по реализации Положения утвержден в 2012 г.), которое определяет основные принципы организации работы и устанавливает порядок работ с кер-новым материалом и пробами пластовых флюидов.
Корпоративная система работ с керновым материалом и пластовыми флюидами в ПАО «Газпром» предусматривает координированное взаимодействие всех подразделений обществ ПАО «Газпром», занимающихся отбором, транспортировкой, исследованиями и хранением кернового материала и проб пластовых флюидов. Орган управления корпоративной системой - Администрация ПАО «Газпром»; участники корпоративной системы: Корпоративный центр исследования пластовых систем (керн и флюиды), созданный в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», региональные научно-исследовательские центры (НИЦ), недропользователи (операторы по проведению геологоразведочных работ и добыче). За выработку и закрепление научно-методических и организационных решений в рамках организаций - участников Корпоративной системы отвечает Научно-технический
Ключевые слова:
стратегическое
развитие,
геологическая
информация,
корпоративная
система,
ПАО «Газпром»,
исследование
керна и пластовых
флюидов.
Keywords:
strategic development, geological data, corporate system, Gazprom PJSC, investigation of core and reservoir fluids.
совет Корпоративного центра, в который вошли представители заинтересованных департаментов ПАО «Газпром», Корпоративного центра, региональных научно-исследовательских центров, недропользователей.
Основной принцип функционирования Корпоративной системы работ с керно-вым материалом и пластовыми флюидами -это унификация нормативно-методической базы, политики технического обеспечения экспериментально-аналитических работ, информационного поля результатов исследований пластовых систем.
Корпоративный центр наделен функциями:
• организации и выполнения лабораторно-аналитических и промысловых исследований керна и пластовых флюидов;
• создания эталонных и представительных коллекций керна, представительных коллекций флюидов;
• формирования единого информационного ресурса и единой нормативно-методической базы в области исследований керна и флюидов;
• подготовки кадров.
В свою очередь функции региональных НИЦ подразумевают:
• отбор образцов керна для эталонных и представительных коллекций;
• выполнение промысловых и лаборатор-но-аналитических исследований керна и пластовых флюидов для решения технологических задач;
• хранение керна;
• наполнение единого информационного ресурса.
Функции недропользователей связаны с обеспечением отбора и оперативного хранения кернового материала и проб пластовых флюидов.
Комплекс исследований нефтегазовых пластовых систем, выполняемый участниками корпоративной системы, охватывает:
• оперативные (полевые) исследования керна;
• промысловые гидродинамические, газо-конденсатные, геофизические исследования скважин, отбор проб пластовых флюидов;
• комплексные лабораторно-аналитичес-кие и экспериментальные исследования керна;
• комплексные лабораторные исследования физико-химических свойств и технологических характеристик пластовых флюидов;
• термодинамические (PVT1) исследования углеводородных систем, фазового поведения пластовых газоконденсатных систем;
• физическое и математическое моделирование фильтрационных процессов в пласте, разработку методов и технологий воздействия на пласт с целью повышения углеводородо-отдачи;
• разработку нормативно-методической документации в области исследований керна и пластовых флюидов.
Полевые (оперативные) исследования керна на скважинах направлены на оперативное выделение перспективных для испытания интервалов глубин и состоят в описании условий залегания пластов; оценке выноса и целостности керна; послойном литологическом макроописании породы, а именно: аттестации текстурных особенностей, вторичных преобразований, следов тектонической деятельности (трещин, зеркал скольжения), окаменелостей, включений углей, растительного детрита, определении присутствия признаков насыщения породы углеводородами, выявлении других макрохарактеристик породы. Для сохранения на исходном уровне параметров породы, проведения расширенного комплекса аналитических исследований, обеспечения транспортировки керна используются следующие методы и средства консервации: парафинирование, криоконсервация (замораживание) керна, нагнетание эпоксидной смолы в пространство между керном и стенками кер-ноприемника для обеспечения транспортировки и подготовки образцов рыхлых и рассыпчатых пород, механическая стабилизация плотных пород с помощью прокладок для предотвращения их разлома во время транспортировки, специальные контейнеры для транспортировки керна.
В настоящее время при исследовании скважин используют современные электронные прецизионные средства измерений термобарических условий, позволяющие определять параметры не только на уровне поверхностного оборудования скважины, но и на забое, а также передавать данные на большие расстояния. Актуальные технические решения дают возможность отказаться от громоздкого сепарационного оборудования. Например, многофазные расходомеры обеспечивают замеры добываемой продукции без
1 PVT - акроним, образованный от англ. pressure (давление), англ. volume (объем), англ. temperature (температура).
предварительного ее разделения в широком диапазоне давлений и температур, а разработанные одним из участников корпоративной системы (ООО «ТюменьНИИгипрогаз») способ и устройство (получен патент) позволяют проводить газоконденсатные исследования скважин методом отбора части потока.
Существуют два основных метода отбора проб пластовых флюидов: глубинный отбор и отбор с устья скважин или сепарационного оборудования. В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» активно ведутся работы по усовершенствованию пробоотборного оборудования. В том числе специалисты Корпоративного центра разработали и налаживают производство глубинных пробоотборников проточно-поршневого типа для отбора проб пластовых нефтей, поршневых и проточных пробоотборников для отбора устьевых и сепараторных PVT-проб. В настоящее время проектируются глубинные пробоотборники, позволяющие сохранять одно-фазность отобранной пробы на всех этапах ее транспортировки до лаборатории.
Зарубежные компании, специализирующиеся на исследовании проб пластовых флюидов, создают современные инструменты отбора и анализа проб, способные исследовать некоторые параметры флюида непосредственно в скважине. К методам глубинного анализа флюидов (англ. downhole fluid analysis, DFA) относят оптическую абсорбционную спектроскопию, измерения отражающей способности и флуоресценции, а также и некоторые неоптические методы анализа (определения плотности, вязкости, рН). Подобные разработки внедряются и в рамках корпоративной системы ПАО «Газпром».
Степень извлечения запасов углеводородов зависит не только от совершенства применяемых технологий, но и от полноты и достоверности данных о пласте и скважине. Газогидродинамические исследования скважин (ГГДИ) позволяют определять фильтрационно-емкостные свойства пласта непосредственно в процессе фильтрации флюидов - как в приза-бойной, так и в межскважинной зонах пласта, т.е. в условиях его разработки. Развитие моделирования и использование добывающими компаниями и проектно-исследовательскими институтами геолого-технологических моделей месторождений предопределили прогресс газогидродинамических методов исследования пластов и скважин. Появились отечественные электронные регистрационные комплексы,
имеющие довольно неплохие ценовые и технические характеристики относительно зарубежных аналогов, позволяющие вести длительную непрерывную регистрацию изменения параметров на забое скважины. Появление электронных средств регистрации забойных параметров способствовало в свою очередь созданию отечественных компьютерных программ интерпретации результатов ГГДИ. Также сегодня активно развиваются системы испытания пластов с беспроводной телеметрией, позволяющие получать данные с забоя скважины в режиме реального времени, производить разобщение пластов, выполнять отбор проб пластовых флюидов при однократной спуско-подъемной операции. Перечисленные факторы за последнее время значительно повысили информативность ГГДИ.
В лабораторных условиях участниками корпоративной системы выполняется широкий комплекс профильных, стандартных и специальных исследований кернового материала, а именно:
• оценка кондиционности и качества керна;
• выбуривание стандартных образцов;
• профильные исследования (спектральный гамма-каротаж по профилю керна, увязка глубин отбора керна с результатами геофизических исследований скважин);
• фотографирование в дневном и ультрафиолетовом свете;
• изучение литологических характеристик пород (гранулометрического, минералого-петрографического составов, содержания карбонатных минералов, глинистости);
• изучение фильтрационно-емкостных свойств пород (проницаемости по газу и абсолютной газопроницаемости, открытой пористости 1) при насыщении образцов керосином, пластовой водой (или моделью пластовой воды в случае отсутствия проб пластовой воды, приготовленной в соответствии с химическим составом пластовых вод изучаемого объекта) либо 2) газоволюметрическим методом по гелию, остаточной водонасыщенности);
• исследование физических свойств пород (удельного электрического сопротивления при 100%-ном насыщении моделью пластовой воды объемной и минералогической плотности).
Стандартный комплекс лабораторных исследований керна является обязательным, не зависит от объекта исследований (месторождения, пласта, подземного хранилища газа) и проводится
на всем объеме кернового материала. Детальные (специальные) петрофизические исследования керна выполняются для получения уникальной информации и решения определенных технологических задач. На керновых моделях в условиях, моделирующих пластовые, проводятся исследования фильтрационно-емкостных, физических свойств пород, коэффициентов вытеснения нефти, относительных фазовых проницаемостей, изучается влияние буровых растворов и растворов различных кислот на фильтрационно-емкостные свойства. Исследование керна сложнопостроен-ных, рыхлых, низкопроницаемых, засолонен-ных коллекторов (с растворяющимся цементом) требует применения новых методов и подходов, разработки более высокоточного и надежного экспериментального оборудования и средств измерений.
Знание состава и свойств пластовых флюидов играет ключевую роль в оценке и подсчете запасов углеводородов, проектировании технологических систем добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки углеводородного сырья, а также в эффективном управлении разработкой месторождений. Для исследований состава и свойств углеводородных флюидов используется широкий комплекс методов, позволяющих получить разнообразную информацию об основных физико-химических свойствах нефтей и конденсатов. К основным методам исследований можно отнести физико-химические, хроматографические и спектральные.
В течение последних 60 лет, с середины ХХ в., когда наметился курс на интенсивное развитие отечественной и мировой науки, произошел огромный скачок в совершенствовании методов анализа нефтей и нефтепродуктов. На смену ручным лабораторным установкам пришли современные автоматические приборы, основные преимущества которых - прецизионная точность определения, заложенная в программе прибора, высокая воспроизводимость результатов, значительное сокращение времени анализа, отсутствие субъективного влияния человеческого фактора. Проиллюстрировать очевидный прогресс в области физико-химического анализа можно физико-химическими методами измерений основных свойств конденсатов и нефтей, а также их фракционного и химического составов. Последние достижения электроники и современных микропроцессорных технологий позволили радикально изменить
аппаратное обеспечение традиционных для нефтепереработки дистилляционных анализов. Современные автоматизированные установки для фракционирования нефтей существенно упрощают выполнение упомянутых измерений и имеют ряд неоспоримых преимуществ. Процесс фракционирования проводится полностью в автоматизированном режиме без участия оператора, начиная со стадии дебутаниза-ции и заканчивая разгонкой при пониженном давлении и последующем охлаждении.
Важнейшим методом аналитических исследований пластовых флюидов является хроматография, изобретенная еще в начале прошлого века как метод разделения сложных веществ. Методы хроматографического разделения углеводородных флюидов - это мощное, хорошо развитое и высокоинформативное направление аналитических исследований. Современные хроматографические системы широко применяются практически во всех лабораториях научно-исследовательского профиля и во многих производственных организациях.
В настоящее время в сфере исследования пластовых флюидов очень востребованы газовая и газожидкостная хроматография, а также хромато-масс-спектрометрия. С их помощью на молекулярном уровне проводится углубленное изучение состава газов, конденсатов и неф-тей с определением индивидуального и группового углеводородных составов, генетического типа флюида и его товарной характеристики. Полученная информация позволяет выявить качественный и количественный состав (углеводороды, сернистые соединения, азот, гелий и др.), тип изучаемого флюида (газовый конденсат, не-фтегазоконденсатная смесь, нефть). Кроме того, на основе параметров индивидуального состава осуществляется корреляция флюидов между собой и с исходным органическим веществом материнской породы, а также с использованием ряда биомаркерных коэффициентов на основе стеранов, гопанов, трициклических терпанов, метилфенантренов, метилдибензотиофенов, ме-таллопорфириновых комплексов оцениваются степень катагенетической преобразованности и литолого-фациальная обстановка формирования исходного органического вещества.
Также в последние годы широкое распространение получил метод имитированной дистилляции, позволяющий, используя хроматограф, произвести разгонку флюида, определить его фракционный состав и построить
кривую истинных температур кипения до С120. Основное преимущество метода заключается в том, что он позволяет проводить анализ флюидов не только быстрее, но и с минимальным количеством проб. Учитывая развитие приборно-аналитической базы, появилась возможность более детально изучить компонентный состав и свойства пластовых углеводородных систем.
Для исследования углеводородных систем также применяются оптические и спектральные методы: инфракрасная спектроскопия, эмиссионный спектральный анализ, люминесцентная спектроскопия, спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, фотоколориметрия. Сохраняется тенденция совершенствования газохромато-графического оборудования, сопряжения его с другими физическими приборами (масс-и ИК-спектрометрами).
Экспериментальные исследования пластовых углеводородных смесей проводят на установках фазовых равновесий (установках PVT). В отношении пластовой нефти разработан целый ряд специальных установок: АСМ-300, АСМ-600, УИПН-2, pVT-12, УПН-Башнипи, АКИПН-1, УИПФ-1,5. Среди отечественных установок для исследования газоконден-сатных систем можно назвать PVT-7, PVT-8, УГК-2 и используемые до настоящего времени УГК-3 и УФР-2.
Зарубежные установки фазовых равновесий - как правило, антикоррозионного исполнения - можно подразделить на две группы: ртутные и безртутные. К первому типу относятся mini-PVT™, Ruska-PVT, Magra-PVT, Àrnoulin-PVT; ко второму - установки PVT, выпускаемые такими компаниями, как Oilphase-DBR, Vinci Technologies, Chandler Engineering и др. Перечисленные устройства представляют собой сложные экспериментальные PVT-комплексы, позволяющие определять фазовые характеристики пластовых углеводородных систем, изучать изменение вязкости, плотности в широком диапазоне термобарических условий. Совместно используемые с ними дополнительные модули обеспечивают проведение специальных опытов по изучению влияния геолого-технологических факторов на компонентоотдачу, коэффициенты извлечения нефти, конденсата.
В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» разработана и успешно эксплуатируется собственная модель установки для исследования пластовых
нефтей, обладающая рядом преимуществ перед отечественными и некоторыми иностранными образцами. Для исследования пластовых углеводородных систем с высоким содержанием агрессивных компонентов (сероводорода, углекислого газа) в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проведена глубокая модернизация PVT-установки французской фирмы Arnoulin Sermip France с оснащением ее современными средствами регистрации основных параметров (давления, объема, температуры) и полным переводом на компьютерное управление. Учитывая, что большинство приборов и экспериментальных установок производится за рубежом, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в рамках развития Корпоративной системы исследования керна и пластовых флюидов проводит работы по импортозамещению. Корпоративным и региональными центрами разработана Комплексная программа частичного импорто-замещения приборной базы для исследования керна и пластовых флюидов, подразумевающая проектирование и изготовление собственных приборов и экспериментального оборудования.
Важное место в исследовании углеводородных систем занимают методы математического моделирования парожидкостного равновесия. В современной инженерной практике при математическом моделировании паро-жидкостного равновесия многокомпонентных углеводородных смесей применяются в основном единые для описания системы уравнения состояния. В настоящее время сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ» совместно со специалистами других научных организаций активно разрабатываются высокоточные многоконстантные уравнения состояния (Вагнера и др., Герасимова - Григорьева), которые имеют преимущества с точки зрения описания свойств углеводородных смесей.
В лаборатории комплексных исследований углеводородных систем Корпоративного центра изучили большое число залежей и месторождений, находящихся в различных термобарических условиях. Это позволило:
• создать ряд методик промысловых, лабораторных и экспериментальных исследований по изучению газоконденсатных характеристик залежей;
• обосновать научные принципы прогноза фазового состояния и поведения пластовых углеводородных систем в период разведки и в процессе разработки месторождений;
• получить основу для выявления закономерностей по параметрам подсчета геологических и извлекаемых запасов углеводородного сырья, проектированию разработки, учету добычи;
• выявить характер фазового поведения пластовых флюидов глубинных залежей с высоким содержанием конденсата;
• разработать методы определения типа залежи углеводородов, находящихся в различных термобарических, в том числе «околокритических», условиях;
• создать методы определения степени влияния неуглеводородных компонентов на основные газоконденсатные характеристики.
В настоящее время в Корпоративном центре выполняется большой объем исследований в сфере поиска методов управления пластовыми углеводородными системами при разработке месторождений с целью повышения степени извлечения углеводородов из последних. Особое место в данном случае занимают вопросы конденсатоотдачи в залежах, находящихся вблизи критической зоны так называемых «летучих» нефтей.
Как уже отмечалось, один из принципов функционирования корпоративной системы работ с керновым материалом и пластовыми флюидами в ПАО «Газпром» - это формирование единого информационного поля результатов исследований пластовых систем, поскольку длительное кондиционное хранение первичной геологической информации -одна из важнейших задач нефтегазодобывающих компаний. В этой связи обращает на себя внимание отношение к керновому материалу федеральных служб таких нефтедобывающих стран, как США, Канада, Норвегия, и крупных нефтяных компаний, где сохранение керна и информации, получаемой в процессе его изучения, считается общегосударственной задачей и подкреплено соответствующими законодательными актами. В центре исследования керна в Калгари (штат Альберта, Канада) хранится около 2 млн м керна, при этом сохранен уникальный керновый материал конца XIX в.
С учетом зарубежного опыта при непосредственном руководстве департаментов «Газпрома» в 2009 г. в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» введено в эксплуатацию корпоративное кернохранилище. Несколько позже создано кернохранилище и в ООО «Тюмен-НИИгипрогаз». Ведутся паспортизация и кондиционное хранение кернового материала
и проб пластовых флюидов, формируются эталонные и представительные коллекции керна и пластовых флюидов.
Корпоративным центром разработаны нормативные документы по систематизации исследований пластовых систем. Основой для разработки этих документов стали многолетние комплексные фундаментальные исследования физических свойств керна и пластовых флюидов, фазовых равновесий, многоконстантных уравнений состояния, физического и математического моделирования пластовых процессов. Кроме того, в целях совершенствования системы подготовки и переподготовки кадров в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» функционирует базовая кафедра РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина «Исследования нефтегазовых пластовых систем».
Таким образом, можно утверждать, что созданная и функционирующая в ПАО «Газпром» Корпоративная система работ с керновым материалом и пластовыми флюидами решает следующие задачи:
• повышает обоснованность расчета запасов углеводородов и вероятность принятия оптимальных управленческих решений в отношении их освоения, увеличивая тем самым капитализацию ПАО «Газпром»;
• формирует единый защищенный корпоративный ресурс первичной геологической информации;
• обеспечивает системное хранение эталонных и представительных коллекций кернового материала и проб пластовых флюидов по всем лицензионным участкам ПАО «Газпром»;
• сокращает капитальные вложения ПАО «Газпром» в обустройство месторождений и исследование керна и пластовых флюидов;
• способствует подготовке инженерно-технических и научных кадров в области исследования нефтегазовых пластовых систем для дочерних обществ ПАО «Газпром».
Список литературы
1. Федеральный закон от 29.06.2015 № 20-ФЗ «О внесении изменений в Закон Российской Федерации "О недрах" и отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Стратегия развития геологической отрасли
до 2030 года // Сайт Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации. -http://www.mnr.gov.ru/regulatory/detail. рИр?Ш=129117
