Оригинальная статья

Hamed Soroush, Международный отдел Разведки и Разработки компании «Shell»

    По определению, геомеханика это теоретическая и прикладная наука о механических свойствах горных пород и механических процессах, изучающая напряженно-деформационные поля, возникающие в определенной физической среде.

     На практике, так называемая «горная инженерия», базирующаяся на принципах инженерной механики, используется в проектировании и строительстве подземных и наземных сооружений любого типа, например, тоннелей, шахт, подземных выработок, карьеров , дорог, плотин, небоскребов, хранилищ отходов, нефтяных и газовых скважин.

    Хотя,изначально, наука активно применялась только в горно-гражданском строительстве, в 80-х годах геомеханика начала приобретать популярность и в нефтегазовой промышленности – основными задачами было увеличение эффективности ГРП и бурения.

    В современной нефтяной промышленности, геомеханика является дисциплиной, объединяющей механику горных пород, геофизику, петрофизику и геологию с целью расчета реакции Земли на любые изменения горного напряжения, порового давления и температуры образования.

Роль геомеханики в нефтегазовой сфере

    Хотя геомеханика стала применяться в нефтегазовой области относительно недавно, эта наука уже получила широкое признание среди многих компаний в отрасли и продолжает стремительно развиваться.

    При проведении различных операций по добыче углеводородов происходит перераспределение горных напряжений в пласте, влияющее на бурение, заканчивание и производительность скважин. Эти изменения, в свою очередь, могут привести к серьезным и непредвиденным затратам времени и денег. Додсон и др. (Offshore, Vol. 64, No. 1, 2004) проводил сервисные работы на скважинах в Мексиканском заливе и сделал вывод, что проблемы, связанные с устойчивостью стенок  скважин, стали причиной  почти 40% простоев, связанных с бурением, в результате чего годовые затраты по причине простоев составили около 8 млрд. долларов США.

    В результате успешного применения геомеханики в сферах бурения и добычи, эта наука стала важной и неотъемлемой частью планов разработки месторождений – от ранних стадий разведки до более поздних стадий ликвидации. В связи с возрастающим интересом к нетрадиционным ресурсам нефти и газа, месторождения которых отличаются повышенной сложностью, использование принципов геомеханики стало еще более актуально. Геомеханика играет решающую роль при добыче сланцевого газа, помогая оптимизировать параметры ГРП.

    Геомеханика позволяет предсказывать поровое давление, помогает установить целостность породы-покрышки, диагностировать проблемы разработки месторождения, оценить свойства пласта-коллектора, определить горные напряжения «на месте», оптимизировать процесс бурения, оценить стабильность стенок скважины, просчитать оптимальную траекторию ствола скважины, предсказать и контролировать пескопроявление в скважине, проанализировать обоснованность бурения на депрессии, охарактеризовать трещиноватый коллектор, повысить эффективность разработки коллектора с естественной трещиноватостью и с трещинами ГРП, оценить эффект закачки в пласт жидкости и пара, оценить уплотнение коллектора, проанализировать оседание поверхности и оценить деформацию сдвига и смятие обсадных труб. Это длинный список!

    Ясное понимание того, КАК применить принципы геомеханики в нефтегазовой сфере может привести к увеличению эффективности разведки и разработки месторождений с традиционными и нетрадиционными ресурсами.

Геомеханическое моделирование

    Чтобы реализовать на практике вышеупомянутые возможности геомеханики, прежде всего необходимо создать так называемую Геомеханическую Модель Земли (GEM). Геомеханическая Модель Земли состоит из шести ключевых компонентов, которые могут быть как рассчитаны, так и оценены используя полевые данные:

• Вертикальный стресс, δv (часто называемое геостатическим давлением)
• Максимальный горизонтальный стресс, δHmax
• Минимальный горизонтальный стресс δHmin
• Ориентационный стресс, Azi δHmax
• Поровое давление, Pp
• Механические свойства горной породы

    Техники геомеханического моделирования включают в себя аналитические, эксперименальные и численные методы – у каждого есть свои достоинства и недостатки.

    В целом, численные модели точнее аналитических, но они требуют ввода дополнительных данных и больше времени. Аналитические техники, напротив, быстрее и проще. Экспериментальные модели базируются на данных физических и механических лабораторных тестов, проводимых на образцах горных пород. С помощью таких тестов можно получить ценную информацию о свойствах горной породы, но они достаточно дороги и продолжительны по времени.

Создание геомеханической модели

    В качестве базового рабочего потока, составляющего одномерную геомеханическую модель, выступает поток с оценкой свойств горной породы. Для оценки свойств используются данные каротажей в связке с лабораторными данными по керну. Для построения профиля напряжений существуют различные эмпирические модели, в соответствии с которыми необходимо откалибровать лабораторные данные.

    Затем, с помощью плотностного каротажа, строится непрерывный профиль давления вышележащих пород.

    Следующим шагом является прогнозирование порового давления с помощью каротажей и доступных данных ГДИС (или данных сейсморазведки, если они доступны). Минимальный горизонтальный стресс может быть рассчитан как посредством эмпирических уравнений, так и с помощью данных исследования по определению давления разрыва пласта (leak-off test). В идеальном случае, расчет лучше провести комбинацией обоих методов. Некоторые явления, возникающие в процессе бурения (вздутие пласта, поглощение бурового раствора) могут помочь зафиксировать минимальный горизонтальный стресс и градиент давления разрыва пласта.

    Заключительные стадии построения геомодели это определение азимута и величины максимального горизонтального стресса. Это считается самой сложной частью в построении геомеханической модели, потому что не существует прямого метода измерения δHmax.

    Анализ разрушения стенок скважины (кавернообразование и трещины, вызванные бурением и отражающиеся на каротажах) является одной из техник определения наиболее вероятного диапазона значений горизонтального стресса (δHmax) и его ориентации. Существуют и альтернативные методики, включающие в себя анализ кавернометрии, акустических каротажей и лабораторных измерений восстановления упругой деформации.

Примеры применения геомеханики для оптимизации разработки месторождений

    Накопившийся полевой опыт показывает, что с помощью эффективного геомеханического анализа возможно проводить бурение в таких суровых и рискованных средах, которые ранее казались неприступными. Например, в условиях Южной Азии, где бурение вертикальных скважин было затруднительно из-за невозможности точно определить рабочий диапазон плотности бурового раствора, скважина была пробурена (по геомеханическим расчетам) с изменением траектории ствола в пласты с более широким рабочим диапазоном плотности бурового раствора.

    С помощью геомеханики можно также усовершенствовать дизайн обсадных колонн и предоставить буровикам более широкий рабочий диапазон плотности бурового раствора. Например, на одном из месторождений Северо-западной части Австралийского шельфа было уменьшено количество обсадных колонн (следуя результатам геомеханического моделирования) в скважинах, значительно снизив расходы компании-оператора.

    В случае добычи углеводородов из коллекторов с естественной трещиноватостью, геомеханика способна увеличить производительность скважин путем выявления  продуктивных трещин, инициирующих значительные горные напряжения.

    Зная ориентацию этих трещин в пространстве можно оптимизировать бурение так, чтобы максимальное количество скважин пересекло продуктивную трещину.

    Примеры полевых работ Ближнего Востока и Южной Азии показывают значительное увеличение производительности скважин благодаря применению геомеханики.

Карьера в области геомеханики

    Благодаря значительному вкладу в решение огромного количества проблем, связанных с разведкой месторождений, бурением и заканчиванием скважин, добычей и операциями с нагнетательными скважинами, геомеханика заняла прочное место в нефтегазовом мире, а геомеханики могут быть совершенно обоснованно названы специалистами по устранению неисправностей в нефтегазовом деле.

    Компании-операторы оценили по достоинству возможности применения геомеханики в разработке месторождений, особо широкое признание и популярность наука получила в последние 10 лет. Ввиду большой экономии времени и денег (благодаря использованию геомеханики), большие компании-операторы основывают геомеханические подразделения внутри компании либо приглашают экспертов из других организаций.

    Возрастающий спрос на специалистов-геомехаников на рынке труда предоставляет много возможностей молодым специалистам, желающим построить карьеру в области геомеханики.

    Однако, в настоящее время, нефтегазовая отрасль страдает от нехватки достаточно квалифицированных специалистов в данной отрасли – это вызвано тем, что университеты предоставляют весьма ограниченное количество курсов в области нефтяной геомеханики. Хотя, некоторые университеты предлагают пройти специализированные курсы на базе уже имеющегося образования, но это в основном касается сферы гражданского строительства. И, следовательно, возникает нехватка специалистов-геомехаников с профессиональным высшим образованием по направлению «Нефтегазовое дело».

   Надо заметить, что механика горных пород требует отличного понимания математики, физики и механики, что, соответственно, предполагает техническое инженерное образование. Именно на базе такого образования можно достичь высот в области геомеханики.

    Человеку, не разбирающемуся в основах механического поведения и сопротивления материалов будет очень трудно стать хорошим специалистом в данной сфере. Это все равно что использовать какую-то программу, но не понимать при этом теорий и концепций, заложенных в нее программистами. Известно много случаев, когда компании разочаровывались в геомеханике «благодаря» так называемым «специалистам-геомеханикам», которым не хватало соответсвующего образования, аккредитации и опыта.

    Таким образом, в качестве рекомендаций студентам, заинтересованным в геомеханике, можно предложить пройти все возможные связанные с геомеханикой курсы и предметы в течение учебы на инженерной специальности, либо, закончив неинженерную специальность, хорошо разобраться в математике и механике. Комбинирование соответсвующих академических специальностей может привести к исключительной карьере и возможности выбирать место, где Вы хотите работать – в секторах добычи или консалтинга.

    Обычно, карьера в области геомеханики ассоциируется с путешествиями по всему миру, что делает ее привлекательной и впечатляющей. Специалист-геомеханик постоянно развивается и учиться новому за счет решения сложных задач.

    Специалисты в области геомеханики тесно взаимодействуют с профессионалами из смежных дисциплин и работают в команде, что позволяет им разбираться не только в своей области, но и во многих других. Например, когда перед геомехаником стоит задача в прогнозировании и управлении выноса песка в скважине, он работает в команде с инженерами по заканчиванию скважин и технологами. Это позволяет интегрировать знания в области технологий заканчивания скважин, технологии добычи и различного оборудования, предназначенного для контроля пескопроявления.

    Хотя рынок труда в рассматриваемой области не отличается высокой конкуренцией ввиду нехватки высококвалифицированных специалистов, и люди, стремящиеся развить свои технические знания и познать современные технологии, станут профессионалами своего дела. От специалиста в области геомеханики ожидают, прежде всего, полного понимания проблем, касающихся нефтегазовой отрасли, и способности предложить инновационные решения этих проблем с помощью геомеханики.

    Хорошие знания математики и физики послужат Вам прочной подпорой в построении своих собственных аналитических и численных моделей, а также в планировании дальнейших шагов.

    Геомеханики открывает много возможностей для построения карьеры молодому специалисту  ввиду своей новизны относительно других нефтегазовых дисциплин. Следовательно, творчество и способность генерировать новые идеи являются ключевыми факторами для продвижения в данной сфере. К тому же, идея мультидисциплинарной командной работы позволяет специалисту-геомеханику расширять свои знания и дает возможность поработать в других сферах.

**Примечание: перевод любительский. Если будут комментарии и пожелания, пожалуйста, пишите. )