Исследование механизмов и закономерностей взаимного влияния между участками горизонтальных скважин в комбинированной схеме горизонтальных и вертикальных скважин на шельфовых месторождениях

Почему это важно для шельфовой добычи

Шельфовые месторождения, эксплуатируемые десятки лет, сталкиваются с устойчивой проблемой: большая часть легкоизвлекаемой нефти уже извлечена, но значительные ее объемы остаются в породе в труднодоступных карманах. В Бохайском море в Китае инженеры используют сети вертикальных и длинных горизонтальных скважин, чтобы прогонять воду через пласт и вымывать больше нефти. Однако по мере старения месторождений и при доле воды в притоке, приближающейся к 100%, определять расположение оставшейся нефти становится рискованно и дорого. В этом исследовании с помощью масштабированных лабораторных моделей и компьютерного моделирования показано, как разные участки горизонтальной скважины влияют друг на друга, как это определяет расположение последних извлекаемых запасов и как проектировать схемы скважин, чтобы их достичь.

Как водонапорное заводнение формирует последние капли

Исследователи сосредоточились на реальном тяжёлом нефтяном пласте в Бохайском нефтегазовом месторождении, который уже находится на стадии «ультравысокой водонасыщенности», то есть более 90% добываемой жидкости — вода. В таких пластах вода, закачиваемая через одни скважины, толкает нефть к добывающим в сложном подземном лабиринте. Поскольку порода различается проницаемостью, вода предпочитает высокопроницаемые зоны и может уходить вперёд, оставляя нефть в более плотных участках. При сочетании горизонтальных и вертикальных (или отклонённых) скважин разные секции длинного горизонтального ствола вскрывают слои с разными характеристиками фильтрации, и эти секции фактически «перетягивают» давление и потоки друг у друга. Цель исследования — понять эти межсегментные интерференции и то, как они управляют распределением оставшейся нефти.

Построение миниатюрного шельфового резервуара

Чтобы зафиксировать это поведение, команда создала трёхмерную физическую модель, основанную на геометрии и свойствах пород блока QHD32‑6 в Бохайском районе. Они собрали пласт размером 60 см × 60 см × 10 см, заполненный керновыми образцами, представлявшими зоны с низкой, средней и высокой проницаемостью, и встроили в него как горизонтальные, так и вертикальные скважины. После тщательной насыщенности сначала водой, а затем тяжёлой нефтью, имитирующей реальную сырую нефть, провели эксперименты по заводнению при контролируемой температуре и расходе. Датчики электрического сопротивления по всей модели позволили отслеживать, как меняется соотношение нефти и воды в многочисленных точках, выявляя, как быстро каждый сегмент теряет нефть по мере прогонки воды.

Согласие лаборатории и численного моделирования

В экспериментах участки с высокой проницаемостью быстро отдавали нефть и достигали факторов извлечения, приближающихся к 50%, тогда как участки с низкой проницаемостью отставали значительно и редко превышали примерно 30% даже после больших объёмов воды. Когда выпуск из наиболее проницаемой секции намеренно перекрывали, большая часть закачанной воды вынужденно шла в зону средней проницаемости, которая показала резкий скачок по извлеченной нефти. Даже в этом случае самые плотные зоны оставались плохо промытыми. Численные симуляции, масштабировавшие эту физическую модель до полноразмерного месторождения, воспроизвели те же закономерности: ранний быстрый прирост с последующим замедлением, сильная зависимость от контраста проницаемостей и характерное накопление остаточной нефти в центральной части пласта между нагнетательными и добывающими скважинами. Это согласие вселило уверенность в то, что моделирование можно использовать для изучения множества сценариев, недоступных в лаборатории.

Где прячется оставшаяся нефть и почему

Меняя в моделях проницаемость пород, толщину слоёв, водонасыщенность и перепады давления между нагнетательными и добывающими скважинами, авторы выявили ясные пороги, при которых система ведёт себя невыгодно. Если контраст проницаемостей между наиболее и наименее проницаемыми зонами превышал примерно 3:1, вода в подавляющем большинстве случаев шла по самой проницаемой прослойке, коротко замыкая путь на добывающие скважины и лишая потока более плотные зоны. Аналогично, при перепаде давлений между сегментами примерно в два раза или большем, либо при слишком большой разнице в водонасыщенности интерференция усиливалась и общая добыча падала. Во множестве вариантов течения возникала устойчивая картина: средняя область горизонтального участка, лишённая собственного нагнетателя, склонна была накапливать остаточную нефть, поскольку она полностью зависела от воды, проталкиваемой с концов.

Новая шкала для проектирования скважин

Чтобы превратить эти выводы в практическое руководство, команда объединила физические и численные результаты в эмпирическую формулу, рассчитывающую «коэффициент интерференции» для разных сегментов горизонтальной скважины. Этот индекс связывает силу конкуренции между сегментами с измеримыми полевыми параметрами, такими как контраст проницаемостей, контраст водосодержания, перепад давления и толщина слоя. Фактически он предоставляет быстрый инструмент для инженеров, чтобы оценить, будет ли предлагаемая схема скважин прогонять воду равномерно по всем целевым зонам или оставит большие карманы нефти нетронутыми. Модель также подчёркивает, какие «регуляторы» — уменьшение контрастов проницаемости с помощью таргетированных обработок, сглаживание перепадов давления или корректировка того, какие сегменты остаются открытыми — наиболее эффективны для улучшения охвата пласта.

Что это значит для стареющих шельфовых месторождений

Для неспециалистов главный вывод таков: в зрелых шельфовых месторождениях задача меньше в том, чтобы пробурить новые скважины, и больше в том, чтобы аккуратно направлять воду по очень неровному подземному ландшафту. Это исследование показывает, что взаимодействие разных участков длинной горизонтальной скважины может как способствовать, так и мешать такому направлению. Выявив безопасные диапазоны контрастов в качестве пород, водонасыщенности и давления и предложив практическую формулу для диагностики интерференции, работа даёт операторам дорожную карту по добыче ранее обойденной нефти с меньшим числом новых скважин. В долгосрочной перспективе такое более разумное проектирование заводнения может продлить срок службы существующих шельфовых месторождений при одновременном сокращении объёмов обработки воды и экологического воздействия.

Цитирование: Kuiqian, M., Zhang, Z., Lilei, W. et al. Study on inter-segment interference mechanisms and patterns between horizontal well sections in a combined well pattern of horizontal and vertical wells in offshore oilfields. Sci Rep 16, 11583 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41737-3

Ключевые слова: шельфовое нефтяное месторождение, горизонтальные скважины, водонапорное заводнение, неоднородность коллектора, оставшаяся нефть