ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН В

На п р а ва х р уко п и с и
УДК 622.276.5.1/4
Г А Й Д У К О В ЛЕ О Н И Д А Н Д Р Е Е В И Ч
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ Г ОРИЗОНТАЛЬНЫХ
СКВАЖИН В ТЕХНОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ
НЕОДНОРОДНЫХ ПЛАСТАХ
С п е ц и а л ьн о с ть : 2 5 . 0 0 . 1 7 – р а з р а б о тка и э кс п л уа та ц и я
н е ф тя н ы х и г а з о вы х м е с то р о ж д е н и й
А В Т О Р Е ФЕ Р А Т
д и с с е р та ц и и н а с о и с ка н и е уче н о й с те п е н и
ка н д и д а та те хн и че с ки х н а ук
М ос ква – 2 0 1 0
Р а б ота выпол не на в У ч ре ж де нии Р ос с ийс кой а ка де м ии на у к
И нс титу т проб л е м не ф ти и га за Р А Н
Н а у ч ный ру ководите л ь:
д . т. н . , п р о ф . Н. Н. М и ха й л о в
О ф ициа л ьные оппоне нты:
д . т. н . , п р о ф . В. В. С тр е л ьче н ко (РГ У
н е ф ти и г а з а и м . И. М . Г уб ки н а ),
д . т. н . В. А. Ч е р н ы х (ИПНГ РАН)
В е ду ща я орга низа ция:
О АО "ВНИИн е ф ть "
и м . а ка д е м и ка А. П. К р ы л о ва
З а щ и та с о с то и тс я «2 » и юн я 2 0 1 0 г . в 1 5 :0 0 ча с о в
н а з а с е д а н и и д и с с е р та ц и о н н о г о с о ве та Д . 0 0 2 . 0 7 6 . 0 1 У чр е ж д е н и я
Ро с с и й с ко й а ка д е м и и н а ук Ин с ти тут п р о б л е м н е ф ти и г а з а РАН,
1 1 9 3 3 3 , г . М о с ква , ул . Г уб ки н а , д . 3 .
С д и с с е р та ц и е й м о ж н о о з н а ко м и тьс я у уче н о г о с е кр е та р я
Д и с с е р та ц и о н н о г о С о ве та У чр е ж д е н и я Ро с с и й с ко й а ка д е м и и н а ук
Ин с ти тут п р о б л е м н е ф ти и г а з а РАН.
Авто р е ф е р а т р а з о с л а н «2 8 » а п р е л я 2 0 1 0 г .
У че н ы й с е кр е та р ь
Д и с с е р та ц и о н н о г о С о ве та ,
к. т. н .
М . Н. Ба г а н о ва
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Современный этап развития нефтедобывающей промышленности России характеризуется
усложнением условий добычи нефти и газа. Большинство нефтяных месторождений страны
вступили в завершающую стадию разработки; ухудшается структура запасов нефти в балансе
нефтегазодобывающих предприятий; происходит падение добычи и рост обводненности
добываемой продукции. Новые месторождения, как правило, характеризуются сложным
геологическим строением и высокой неоднородностью. Их разработка стандартными методами
воздействия с использованием вертикальных скважин (ВС) является, зачастую, нерентабельной и
технологически неоправданной.
Одним
из
перспективных
направлений
является
внедрение
технологий
бурения
горизонтальных скважин (ГС), которые обеспечивают рост дебитов и повышение эффективности
разработки по сравнению с ВС. Однако, несмотря на неоспоримые преимущества, эксплуатация
ГС вызывает ряд проблем. Во-первых, зачастую фактическая производительность ГС оказывается
существенно ниже прогнозной, определенной по известным аналитическим зависимостям или в
результате гидродинамического моделирования, что приводит к нарушению проектных уровней
добычи и к незапланированным экономическим затратам. Во-вторых, данные профилеметрии в
неоднородном пласте показывают, что вдоль ствола ГС формируется неравномерный профиль
притока флюида с чередованием зон высокой и низкой приточности. Нередки случаи, когда
большая часть горизонтального ствола скважины вообще не работает. Неравномерность профиля
притока является негативным фактором при разработке залежей с водо - и газонефтяными зонами,
приводящим к локальным прорывам нецелевого флюида в высокопродуктивные интервалы ГС,
неполной выработке запасов и, как следствие, к снижению нефтеотдачи пласта.
Причинами низкой фактической производительности ГС и неравномерности профиля
притока флюида является природная фильтрационная неоднородность пласта, а также
техногенные факторы, проявляющиеся в процессе бурения, освоения и эксплуатации скважины и
приводящие к формированию вокруг ГС сложнопостроенной околоскважинной зоны (ОЗ),
свойства которой существенно отличаются от остальной части пласта. Исследования различных
авторов показали, что техногенные изменения в ОЗ пласта вдоль ствола ГС имеют ряд
особенностей, которые не учитываются в существующих моделях ОЗ, построенных для ВС.
Поэтому разработка способов определения производительности ГС и прогнозирования
профиля притока в техногенно-изменненых неоднородных пластах является актуальной задачей.
3
Цель работы.
Построение физически обоснованных моделей околоскважинных зон (ОЗ) неоднородного
пласта, учитывающих специфику техногенного воздействия при бурении, освоении и
эксплуатации ГС. Разработка способа определения параметров ОЗ пласта вдоль ствола ГС.
Разработка методики определения производительности ГС и прогнозирования профиля притока
флюида в техногенно-измененных неоднородных пластах на этапе освоения и эксплуатации
скважины. Разработка технико-экономической схемы оптимизации эксплуатации ГС и повышения
эффективности геолого-технических мероприятий (ГТМ).
Объект исследования.
Неоднородный техногенно-измененный пласт, полностью вскрытый добывающей ГС.
Основные задачи исследования.
● Анализ и обобщение существующих методов определения производительности ГС.
● Сравнительный анализ техногенного воздействия на пласт при проводке ВС и ГС.
● Создание обобщенных гидродинамических моделей влияния комплексных изменений
фильтрационных свойств пласта в ОЗ на производительность ГС.
● Исследование производительности ГС в техногенно-измененных и неоднородных пластах.
● Разработка технико-экономической схемы оптимизации эксплуатации ГС и повышения
эффективности ГТМ.
Методы решения поставленных задач.
Для решения поставленных задач использовались: методы нефтегазовой подземной
гидродинамики; аналитические и
численные решения задач стационарной однофазной
фильтрации флюида в пласте и в ОЗ; результаты промысловых гидродинамических и
геофизических исследований в стволе ГС; результаты теоретических, лабораторных и
промысловых исследований по изучению изменений фильтрационных свойств пласта в ОЗ.
Численные расчеты производились с помощью разработанных автором оригинальных программ в
C++, Matlab 7.0, а также с использованием сертифицированных программных пакетов Eclipse 100,
Eclipse 300.
Научная новизна.
1. Впервые предложена методика определения профилей изменения проницаемости в ОЗ
интервалов ГС.
4
2. На основе результатов теоретических, лабораторных и промысловых исследований по
изучению изменений фильтрационных свойств пласта построены физически обоснованные
модели околоскважинных зон (ОЗ) неоднородного пласта, учитывающие специфику техногенного
воздействия при бурении и освоении ГС.
3. Впервые получено выражение для «скин-фактора» интервала ГС с учетом специфики
распределения проницаемости в ОЗ.
4. Предложен способ прогнозирования профиля притока жидкости к горизонтальному участку
ствола ГС в техногенно-измененном неоднородном пласте.
5. Разработана технико-экономическая схема оптимизации эксплуатации ГС и повышения
эффективности ГТМ.
Практическая значимость.
1. Внедрение разработанных методик на месторождениях позволит оперативно определять
параметры околоскважинных зон (ОЗ) неоднородного пласта на этапе его вскрытия ГС с
последующим предсказанием профиля притока жидкости на этапе освоения и эксплуатации
скважины.
2. Предложенная в работе технико-экономическая схема оптимизации эксплуатации ГС
позволяет уже на этапе освоения скважины определить технологические параметры необходимого
комплекса мер по воздействию на ОЗ пласта и оценить их эффективность.
Степень достоверности выводов и рекомендаций.
Достоверность научных положений и вводов следует из того, что они основаны на общих
принципах и уравнениях механики сплошных сред и результатах теоретических, лабораторных и
промысловых исследований по изучению изменений фильтрационных свойств пласта в ОЗ.
Использованные
в
расчетах
численные
модели
верифицированы
соответствующими
аналитическими решениями с высокой степенью точности.
Защищаемые положения.
1. Производительность ГС определяется: спецификой техногенных изменений природных
свойств пласта в околоскважинной зоне (ОЗ), которая обусловлена изменением степени
техногенного
воздействия
вдоль
горизонтального
ствола;
влиянием
фильтрационной
неоднородности пласта; изменением геометрии ОЗ вследствие анизотропии пласта и действия
гравитационных сил; близостью непроницаемых границ пласта.
2. Модели изменения природных фильтрационных свойств пласта в околоскважинной зоне
ГС, учитывающие специфику техногенного воздействия при бурении и освоении скважины.
5
3. Численные и аналитические способы прогнозирования профиля притока флюида к
горизонтальному
стволу
и
общей
производительности
ГС
в
техногенно-измененных
неоднородных пластах.
4. Практические рекомендации по повышению эффективности работы ГС и интенсификации
притока на этапе пуска скважины в эксплуатацию.
Внедрение результатов исследований.
Предложенная
методика
определения
фильтрационных
свойств
ОЗ
пласта
была
апробирована в рамках проекта “Пересчет запасов нефти и ТЭО КИН по ЗападноАнастасиевскому месторождению” и планируется к использованию в последующих проектах.
Апробация работы.
Основное содержание работы докладывалось на: I-м и II-м международных научных
симпозиумах «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов» (2007,
2009); VII международном технологическом симпозиуме «Новые технологии освоения и
разработки трудноизвлекаемых запасов нефти и газа и повышения нефтеотдачи» (Москва, 2008);
11th European Conference on the Mathematics of Oil Recovery (Bergen, Norway, 2008); II научнопрактической конференции «Математическое моделирование и компьютерные технологии в
разработке месторождений» (Уфа, 2009); VI международной научно-практической конференции
«Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, 2007); 49-50-й научных конференциях «Современные
проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, 2006-2007); 7-й всероссийской
конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности
России «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУ им.Губкина, 2007); Всероссийской
конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности»
(ИПНГ РАН, 2007); VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные
проблемы развития нефтегазового комплекса России» (РГУ им.Губкина, 2010); Научнопрактической конференции «Методы интенсификации добычи углеводородного сырья. Опыт и
перспективы» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 27-28 ноября 2008). Результаты работы
обсуждались на научных семинарах исследовательского центра компании Schlumberger (2009,
2010).
Публикации.
По теме диссертационной работы имеется 13 публикаций, 5 из которых в журналах,
включенных в перечень ВАК.
6
Объем работы.
Работа содержит введение, 5 глав, заключение и список используемой литературы. Общий
объем работы составляет 172 страницы текста, 122 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 131
наименования.
Благодарности.
Автор выражает глубокую признательность зав. кафедрой “Фундаментальные основы
нефтегазового дела” ФАЛТ МФТИ, зам. директора ИПНГ РАН по научной работе, д.т.н., проф.
Максимову В.М. за поддержку работы. Особую благодарность автор выражает своему научному
руководителю д.т.н., проф. Михайлову Н.Н., а так же заведующему лабораторией компьютерного
моделирования ФАЛТ МФТИ, к.ф-м.н. Вороничу И.В.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность тематики работы, ее цель, основные задачи и
методы их решения. Приводится научная новизна результатов исследований, а также практическая
значимость работы.
В главе 1 дается обзор и анализ существующих методов определения производительности
ГС.
К настоящему моменту выполнено значительное число исследований по определению
производительности ГС в однородном пласте, которые могут быть условно разделены на две
части: 1) построение точных и приближенных аналитических зависимостей производительности
ГС; 2) исследование производительности ГС с помощью численных методов. Одними из первых
работ были теоретические исследования Л.С. Лейбензона, И.А. Чарного, А.М. Пирвердяна,
посвященные задачам двумерного притока жидкости к ГС бесконечной длины в пластах конечной
толщины. В работах П.Я. Полубариновой-Кочиной и В.П. Меркулова получены зависимости для
дебита ГС конечной длины в пласте конечной мощности, имеющие определенные границы
применимости. Особо стоит отметить работы В.И. Щурова на электродинамических моделях,
ставшие экспериментальной основой для верификации аналитических приближенных решений.
Большой вклад в создание теоретических основ разработки месторождений ГС внесли В.П.
Пилатовский и В.П. Табаков. Решению трехмерных задач фильтрации жидкости к ГС в точной
постановке посвящены работы Babu D.K., Odeh A.S, Д.В. Посвянского, А.Б. Старостина. Также
стоит отметить работу М.Н. Багановой, в которой приближенно решена нестационарная задача
притока флюида к стволу ГС в замкнутой области, посредством определения пространственного
потенциала.
Широкое применение получили приближенные методы определения производительности
ГС в однородном пласте, основанные на использовании следующего приема. Исходная
7
пространственная задача сводится к решению двух плоских задач: притоку жидкости в
вертикальной плоскости с непроницаемой кровлей и подошвой и течению жидкости в
горизонтальной плоскости к линейному стоку, представляющему собой тонкую пластину,
моделирующую вертикальную трещину. Суммарная производительность ГС в пространстве
рассчитывается как суперпозиция соответствующих решений плоских задач. Наиболее известные
приближенные решения, полученные на основе отмеченного подхода, были предложены Ю.П.
Борисовым, Giger F.M., Renard G.I., Dupuy J.M., Joshi S.D., Economides M.J.
Исследованию притока флюида к ГС в однородном пласте при нелинейных законах
фильтрации посвящены работы З.С. Алиева, В.В. Бондаренко, В.В. Шеремета, Economides M.J. и
др. авторов. Большой вклад в развитие математических моделей ГС при нелинейных законах
фильтрации внесли В.А. Черных и В.В. Черных, в работах которых получены приближенные
уравнения притока газа к ГС, вскрывшей весь полосообразный однородный пласт при
модифицированном степенном законе фильтрации, предложенным В.Н. Щелкачевым. Особо стоит
отметить работы А.П. Черняева и М.В. Коротеева, в которых получены точные аналитические
решения задачи притока флюида к ГС, вскрывшей полосообразный однородный пласт, в
плоскости, перпендикулярной стволу скважины при различных нелинейных законах фильтрации.
Сравнительный анализ производительности ГС и ВС с помощью приближенных
аналитических формул показывает, что в зависимости от мощности пласта, степени анизотропии
коллектора и длины горизонтального ствола производительность ГС потенциально в 3-10 раз
может превышать производительность ВС. Однако, как показывают промысловые данные,
фактическое соотношение производительностей между ГС и ВС оказывается гораздо меньше.
Различными авторами на передний план выдвигались следующие причины низкой
фактической производительности ГС:
- высокая неоднородность пластов по простиранию и напластованию;
- ухудшение фильтрационных свойств ОЗ во время бурения и освоения скважины;
- изменение напряженного состояния коллектора в ОЗ;
- наличие водной фазы в ОЗ;
- турбулентный характер потока в ОЗ.
Исследованию притока флюида к ГС в зонально-неоднородном пласте не подверженном
техногенным воздействиям посвящены работы Ding Y., Longeron D., Renard G., В.А. Иктисанова,
Д.Г. Ярахановой.
Распространенным методом учета ухудшения фильтрационных свойств ОЗ пласта, впервые
предложенным Hurst W. (1953г.), является введение безразмерного коэффициента - «скинфактора», как некоторой интегральной величины пропорциональной дополнительной депрессии
на пласт, необходимой для достижения потенциальной производительности скважины. Для связи
8
«скин-фактора» с фильтрационными параметрами ОЗ используются аналитические зависимости,
предложенные различными авторами. Наиболее распространенной формулой «скин-фактора»
является зависимость полученная Hawkins M.F. (1956г.) для радиального притока флюида в
однородном пласте к ВС, имеющей круговую ухудшенную зону постоянной проницаемости.
Обобщенная формула «скин-фактора» ВС для случая радиального распределения проницаемости
в ОЗ получена М.В. Зайцевым и Н.Н. Михайловым (2008 г.).
Для ГС, вскрывшей неоднородный пласт, в литературе не приводится четкого определения
понятия «скин-фактора», так как в отличие от ВС поток флюида к ГС является в общем случае
нерадиальным, а ухудшенная зона немонотонно распределена вдоль ствола скважины и не имеет
строго определенной простой геометрии. В работах Renard G.I., Economides M.J., Furui K. для
определения «скин-фактора» ГС используются грубые геометрические методы, основанные на
модификации формулы Hawkins M.F. и упрощенных представлениях о структуре ОЗ.
Также следует отметить, что интегральное (усредненное по всей длине горизонтального
участка скважины) значение «скин-фактора» является малоинформативным критерием с точки
зрения оптимизации работы ГС и повышения эффективности ГТМ в неоднородном пласте. При
наличии достаточного количества исследований в стволе скважины целесообразнее определять
поинтервальные характеристики притока.
Общие аналитические решения задачи определения поинтервальной производительности
ГС, вскрывшей полосообразный анизотропный пласт и имеющей сложнопостроенную ОЗ не
известны, что приводит к необходимости использования аппарата численных методов. В работах
Ding Y., Longeron D., Audibert А., Byrne M. авторами построены специальные мелкомасштабные
численные модели фильтрационного потока в ОЗ, которые, однако, не учитывают особенностей
формирования ОЗ в ГС, что делает их ограниченно применимыми при прогнозировании
производительности ГС.
Таким образом, на сегодня задача построения физически обоснованных фильтрационных
моделей ОЗ неоднородного пласта, учитывающих специфику техногенного воздействия при
бурении
и
освоении
ГС
и
позволяющих
корректно
прогнозировать
поинтервальную
производительность ГС, является актуальной.
В главе 2 представлен сравнительный анализ техногенного воздействия на пласт при
проводке ВС и ГС. Выявлены основные механизмы и факторы, определяющие структуру ОЗ
вокруг ГС. Приведен обзор и анализ существующих методов определения параметров ОЗ пласта.
Предложена новая методика определения профилей проницаемости в ОЗ интервалов ГС.
В настоящее время для прогнозирования разработки месторождений, как правило,
используются крупномасштабные гидродинамические модели пласта, построенные на основе
геофизических данных по отдельным ВС с помощью методов геостатистики и эмпирических
9
корреляций (например, пористость - проницаемость), имеющих значительную дисперсию.
Поэтому расчетная схема реального фильтрационного процесса в этих условиях всегда носит
некоторый, как правило, значительный элемент неопределенности, обусловленный неполнотой
информации о межскважинном пространстве.
Многочисленные специальные исследования в стволе ГС ряда месторождений показывают,
что значительная протяженность ГС может приводить к существенным немонотонным
изменениям природных геолого-физических параметров пласта вдоль ствола скважины, которые
не могут быть определены методами геостатистики. На рис.1 в качестве примера представлены
распределение природной проницаемости пласта и профиль притока флюида вдоль ГС №316
Ванкорского месторождения (А.А. Семенов).
Видно, что продуктивный пласт, охарактеризованный в соседних ВС как статистически
однородный, вдоль горизонтального ствола демонстрирует сильную неоднородность по
проницаемости с кратностью 1-2 порядка, которая приводит к формированию немонотонного
профиля притока флюида. Из рис.1 также следует, что высокопроницаемые интервалы на
начальном участке ствола ГС не соответствуют интервалам максимальных притоков. Указанное
несоответствие объясняется техногенными изменениями ОЗ пласта, интенсивность которых
80
800
70
700
60
600
50
500
40
400
30
300
20
200
10
100
0
1953
Проницаемость мД
Дебит м3/сут
неравномерно распределена вдоль ствола ГС.
0
2053
2153
2253
2353
2453
2553
2653
2753
-10
2853
-100
Измеренная глубина м
Дебит (18 мм штуцер)
Дебит (10 мм штуцер)
Проницаемость
Эластомеры
Рис.1 Распределение проницаемости и профиль притока вдоль ствола ГС №316
Ванкорского месторождения.
Локализация фильтрационного сопротивления в ОЗ повышает информационный вес ее
параметров, и знание или незнание параметров ОЗ существенно отражается на достоверности
прогноза производительности ГС. Для увеличения точности прогноза производительности ГС
необходимо производить дополнительные геофизические и гидродинамические исследования для
определения параметров ОЗ пласта, результаты которых после их внесения в гидродинамическую
модель существенно сократят доверительный интервал.
10
Ввиду важности информации о структуре ОЗ пласта необходимо детальное исследование
процессов и факторов, влияющих на ее формирование. Дифференцированная информация об
околоскважинных процессах, прогнозные и текущие оценки состояния ОЗ и обоснование
комплекса методов для получение требуемой информации необходимы при выборе и оценке
эффективности ГТМ.
Одним из определяющих процессов формирования ОЗ является кольматация порового
пространства коллектора твердыми частицами, проникающими в пласт вместе с буровым
раствором и техническими жидкостями. При этом происходит ухудшение фильтрационных
свойств пласта в зоне проникновения и, как следствие, плохое освоение значительных по
протяженности интервалов продуктивного горизонта, вскрытого ГС. Экспериментальные
исследования Ding Y., Longeron D., Suryananrayana P.V. показали, что в результате техногенного
воздействия в ОЗ формируются радиальные профили проницаемости, меняющиеся от
минимального значения проницаемости на стенке скважины до проницаемости природного пласта
k 0 на контуре ухудшенной зоны (рис.2).
Рис.2 Экспериментальные зависимости проницаемости и водонасыщенности от расстояния до
скважины
После вызова притока (освоения скважины) часть кольматирующих частиц выносится из
пласта под действием приложенной депрессии, при этом фильтрационные свойства коллектора
частично восстанавливаются, и формируется несколько отличный профиль проницаемости.
Однако нормированные профили проницаемости в прямом и обратном направлении прокачки
бурового раствора согласно исследованиям Н.Н. Михайлова идентичны и определяются общей
для данного образца зависимостью, что дает возможность идентифицировать профиль
проницаемости после освоения скважины.
Другим процессом, оказывающим влияние на фильтрационные свойства ОЗ, является
смыкание
пор
вследствие
техногенной
деформации
скелета
породы.
Многочисленные
эксперименты, описанные К.С. Басниевым, А.Т. Горбуновым, Н.Н. Михайловым, И.Т. Мищенко,
11
В.Н. Николаевским, В.А. Черных, свидетельствуют, что проницаемость коллектора может
существенно зависеть от внутрипорового давления. И.Н. Стрижов и Г.В. Исаков впервые
показали, что при снижении пластового давления могут происходить необратимые деформации
пород
пласта,
приводящие
к
частичным
или
полностью
необратимым
изменениям
фильтрационных свойств ОЗ. Процесс фильтрации в таких условиях А.П. Крылов и Г.И.
Баренблатт назвали упругопластическим режимом. В работах А.Т. Горбунова предложена теория
упругопластического
режима
фильтрации
жидкости
к
ВС.
Задача
обобщения
теории
упругопластического режима фильтрации на случай притока к ГС остается неосвещенной.
В случае ГС специфику техногенного воздействия на пласт определяют следующие
факторы:
- более продолжительное (по сравнению с ВС) время взаимодействия бурового раствора с
продуктивным пластом, приводящее к существенным изменениям свойств ОЗ пласта;
- существенная изменчивость природных фильтрационных свойств продуктивного пласта
вдоль ствола ГС, приводящая к дифференциации степени техногенного воздействия (Ding Y.,
Longeron D., Suryananrayana P.V., Крылов В.И.);
- сложные и интенсивные деформационные процессы на этапе бурения и освоения ГС,
влияющие на изменение проницаемости в ОЗ;
- влияние силы гравитации и анизотропии коллектора, обуславливающих формирование
несимметричной зоны проникновения бурового раствора в пласт (Frick T.P., Economides M.J.,
Barber T., Н.Н. Михайлов, В.В. Шелухин, И.Н. Ельцов);
- близость кровли или подошвы пласта.
Основываясь на проведенном в главе анализе экспериментальных, теоретических и
промысловых данных, можно сделать вывод, что вокруг ГС образуется ОЗ со сложной геометрией
и сложным распределением физических параметров, которые меняются по длине ствола.
В настоящее время существует ряд способов определения параметров ОЗ пласта, а именно:
гидродинамические
исследования
скважин
(ГДИС);
методики
интерпретации
термогидрадинамических исследований скважин (А.Ш. Рамазанов); специальные керновые
исследования; аналитические модели проникновения бурового раствора в пласт; методики,
основанные на использовании геолого-технологической информации во время бурения (Э.Е.
Лукьянов, В.В. Стрельченко); комплексные геофизические и гидродинамические модели
проникновения бурового раствора в пласт (Semmelbeck, Holditch). Рассмотренные методы
разработаны на основе упрощенных представлений о структуре ОЗ преимущественно для условий
ВС в однородном пласте и не учитывают вышеперечисленных особенностей ОЗ вокруг ГС.
Поэтому задача создания методики определения параметров ОЗ вокруг ГС является актуальной на
сегодня.
12
В диссертационной работе разработана методика определения параметров ОЗ пласта на
основе интерпретации данных многозондового разновременного каротажа (на примере
электрического) во время бурения в комплексе с петрофизической динамической моделью
проникновения бурового раствора в пласт. Суть предлагаемой методики состоит в постоянном
измерении физических параметров (УЭС) циркуляционной системы во время бурения в каждом
интервале горизонтального участка ствола ГС посредством каротажных систем, состоящих из
совокупности зондов с различной степенью глубинности. Интерпретация полученных данных
производится с учетом особенностей зон проникновения бурого раствора в случае ГС с
использованием петрофизической модели (Н.Н. Михайлов), связывающей радиальные профили
физических свойств в ОЗ интервала пласта с динамикой проникновения бурового раствора.
Параметры ОЗ (размер, форма, профиль проницаемости) в каждом интервале пласта определяются
посредством минимизации функционала разности измеренных и модельных значений УЭС по
совокупности зондов каротажной системы.
В главе 3 на основе теоретических расчетов и промысловых данных проведен анализ
степени изменения забойного давления вдоль горизонтального участка ствола ГС. Предложен
способ определения профиля притока жидкости к горизонтальному участку ствола ГС в
неоднородном пласте. На основе анализа, проведенного в главе 2, предложены физически
обоснованные двумерные математические модели ОЗ пласта, учитывающие специфику
техногенного воздействия при бурении и освоении ГС. Рассмотрены различные двумерные
модели фильтрации однофазного флюида к интервалу ГС в прямоугольном пласте, имеющем
сложнопостроенную ОЗ.
Результаты расчетов с помощью формул трубной гидравлики (Joshi S.D., В.А. Черных) и
промысловые данные свидетельствуют, что потери забойного давления вдоль горизонтального
участка ствола ГС в случае фильтрации жидкости несущественны. В работе Н.А. Назимова на
основе анализа промысловых данных по ГС Ромашкинского месторождения показано, что потери
забойного давления на горизонтальном участке скважины на порядок меньше приложенной
депрессии. Следовательно, перетоками жидкости между сечениями перпендикулярными стволу
ГС можно пренебречь (концевой эффект не учитывается). В этом случае трехмерную задачу
притока жидкости к горизонтальному участку ствола ГС предлагается разбить на суперпозицию
двумерных задач в плоскостях, перпендикулярных стволу скважины так, чтобы в каждом сечении
свойства пласта были выдержаны. Получив решение общей двумерной задачи в зависимости от
меняющихся от сечения к сечению параметров, рассчитывается производительность каждого
интервала скважины и определяется искомый профиль притока.
Моделирование притока к интервалам ГС в двумерных сечениях производилось на основе
стационарных уравнений фильтрации однофазного флюида, как в случае диагонального тензора
13
проницаемости, так и полного. Связь между компонентами скорости и градиентом давления
задавалась законом Дарси в случае линейной фильтрации, и законом Форхгеймера в случае
нелинейной. Течение флюида рассматривалось в прямоугольной области : {x[0, L], y[0, H]},
где H – расстояние от подошвы до кровли пласта, L>>H – расстояние от скважины до контура
питания (предполагается симметрия относительно оси Oy), h – расстояние от оси скважины до
кровли пласта. ГС представлена контуром  w: x 2  y 2  rc2 , x  0 , где rc – радиус скважины
(рис. 3).
Рис.3 Области ,  w,  s и граничные условия
задачи
Рис.4 Схема ОЗ
Система граничных условий включает условия постоянства давления на контуре питания и
на контуре скважины, а также условия непротекания на кровле и подошве пласта и на плоскости
симметрии. На контуре ОЗ задавались условия непрерывности поля давления и нормальной
компоненты скорости: p    p   , Vn   Vn
s
s
s
s
, где  s и  s – внутренняя и внешняя
стороны контура ОЗ. Контур ОЗ  s в общем случае моделировался эллипсом с полуосями a и b в
направлениях Ox и Oy соответственно, центр которого смещен относительно центра скважины на
расстояние d (рис. 4). Приведенный радиус в этом случае определяется как re  ( x / a )2  ( y / b) 2 .
Проницаемость коллектора задавалась функцией координат и давления:
ki ( x, y, p )  k 0i A( x, y ) f ( p ) ,
(1)
здесь k01 и k02 – коэффициенты проницаемости природного пласта в направлениях главных осей
Ox и Oy соответственно, A(x, y) > 0 – безразмерная функция приведенной проницаемости,
моделирующая ухудшение/улучшение фильтрационных свойств коллектора и изменяющаяся от
минимального/максимального значения A0 (характеризующего степень ухудшения/улучшения
14
фильтрационных свойств пласта) до единицы на внешнем контуре ОЗ (внутренний контур ОЗ
совпадает с контуром скважины), f(p) - безразмерная функция, учитывающая зависимость
проницаемости от давления.
В расчетах зависимость приведенной проницаемости A(x, y) = A(re) в ОЗ принята в виде
степенной функции с параметром n:
A(re )  (1  A0 )  ren  A0 ,
0 re 1
(2)
В работе предложены численные методы решения рассмотренных двумерных задач
фильтрации однофазного флюида к интервалу ГС с ОЗ. Проведен анализ требований к расчетной
сетке для обеспечения нужной точности численных решений. Проведена верификация численных
схем на основе известных аналитических зависимостей. Также предложена методика корректного
решения поставленных задач с помощью стандартных симуляторов (Eclipse).
В главе 4 с помощью моделей, разработанных в главе 3, исследуется производительность
ГС в неоднородном техногенно-измененном пласте.
На основе численных расчетов показано, что смещение центра ОЗ относительно центра
скважины вследствие гравитационной сегрегации и изменение формы ОЗ вследствие анизотропии
пласта слабо влияют на производительность ГС (5-10%). Основным влияющими параметрами ОЗ
являются: размер ОЗ, значение проницаемости на стенке скважины A0 и вид профиля
проницаемости
в
ОЗ.
Предложена
аппроксимационная
зависимость
относительной
производительности интервала ГС от размера круговой ОЗ и величины A0 (0,1 A0 1) при
фиксированном значении депрессии p:
Q
Q0
p fix

1
,
1  χ( A  1)  ln rs rc 
(3)
1
0
здесь rs – радиус ОЗ,  – аппроксимационный коэффициент (при L/H >> 1  = 0.08), Q0 –
производительность ГС в «чистом» пласте.
Посредством преобразования формулы (3) впервые получено выражение для «скинфактора» интервала ГС с учетом произвольного радиального распределения приведенной
проницаемости A(r) в ОЗ:
 rs dr

S  
 ln( rs rc )   χ  R( L, H , rc , h) ,
 r A(r )r

c

(4)
15


L λ
h
L λ
)  cos(2π ) ch ( π
) 1
 ch ( π

H
H 
H
R( L, H , rc , h)  ln 

 ch (π rc λ )  cos(2π h ) ch ( π rc λ )  1


H
H
H
где λ  k 02 k 01 - параметр, характеризующий анизотропию пласта.
По результатам сравнительного анализа выявлено, что использование упрощенных
зависимостей на основе формулы Hawkins M.F., приводит к существенно заниженным значениям
«скин-фактора» для интервала ГС.
Проведено исследование производительности интервала ГС с учетом полного тензора
проницаемости. Показано, что вариация направления главных осей тензора проницаемости может
оказывать существенное влияние на производительность ГС в техногенно-измененном пласте.
При значительных скоростях фильтрации в ОЗ, в частности при фильтрации газа, линейный
закон непригоден. В работах Wang X., Economides M.J.показано, что в высокопроницаемых
пластах
эффекты
нелинейности
потока
могут
оказывать
существенное
влияние
на
производительность скважин. Поэтому нами использовался более общий двучленный закон
фильтрации. Для учета совместного влияния эффектов нелинейности потока и техногенных
изменений ОЗ пласта коэффициент Форхгеймера β задавался как функция проницаемости в
соответствии с известными корреляциями (Tek M.R., Coats K.H., Katz D.L.). Результаты численных
расчетов показали, что уменьшение производительности ГС вследствие формирования ОЗ пласта
больше при нелинейном потоке, чем в случае линейной фильтрации. Разница между полученными
зависимостями существенна (более 10%) лишь в узком диапазоне радиуса ОЗ (1.1rc - 6rc), когда
эффект увеличения нелинейности потока вследствие низкой проницаемости ОЗ пласта
превосходит обратный эффект вследствие уменьшения производительности скважины.
В диссертационной работе получены частные аналитические и общие численные решения
задачи упругопластического режима фильтрации жидкости к ГС, полностью вскрывшей
однородный анизотропный пласт. На основе экспериментальных данных и теоретических
расчетов выявлено, что при упругопластическом режиме фильтрации жидкости вокруг ГС
формируется сложнопостроенная ОЗ, размеры и фильтрационные свойства которой определяются
значениями
параметрами
коэффициентов
и
величиной
изменения проницаемости,
приложенной
депрессии.
критическими
Показано,
деформационными
что
формирование
сложнонапряженного состояния в области горизонтального ствола может оказывать существенное
влияние на условие притока и производительность ГС. Эти эффекты наиболее значимы при
вскрытии участков продуктивного пласта с различными деформационными свойствами.
Также в работе с помощью упрощенных двумерных моделей фильтрации проведена оценка
эффективности различных методов вторичного вскрытия пласта. Исследовано влияние основных
16
параметров перфорации (размер первичной ОЗ, диаметр перфорационного канала, длина
перфорационного
канала,
размер
околоперфорационной
зоны,
угол
фазировки)
на
производительность интервала ГС. Показано, что вследствие эффектов техногенного поражения
пласта на этапе вторичного вскрытия использование перфорации на депрессии и сверлящих
перфораторов предпочтительнее для восстановления производительности ГС. Выявлено, что
вертикальное расположение перфорационных каналов является оптимальным как с точки зрения
восстановления производительности ГС, так и уменьшения выноса песка в скважину.
На основе полученных в диссертационной работе результатов для практического
применения предлагается схема определения поинтервальной производительности ГС (рис. 5), в
которой факторы, влияющие на производительность ГС, распределены на основные и
второстепенные. По результатам комплекса исследований строится модель ОЗ, отвечающая
геолого-технологическим условиям конкретной скважины. После проведения численных расчетов
или использования предложенных аналитических выражений для «скин-фактора» определяется
поинтервальная производительность ГС.
Рис. 5 Схема определения поинтервальной производительности ГС
Таким образом, зная производительность ГС в каждом из выделенных интервалов, с
помощью метода, предложенного в главе 3, определяется профиль притока жидкости к
горизонтальному участку ствола ГС. Проведенные расчеты свидетельствуют, что вдоль ствола ГС
в техногенно-измененном неоднородном пласте выделяются высоко и низко продуктивные
области, что подтверждается промысловыми данными. При этом интегральные и средние
17
добывные характеристики ГС являются малоинформативными, давая общие представления о
степени ухудшения фильтрационных свойств, и не позволяют идентифицировать менее
продуктивные интервалы, являющиеся перспективными для проведения воздействия, и интервалы
повышенной приточности, которые могут быть оснащены устройствами по выравниванию
профиля притока. Показано, что использование упрощенных моделей ОЗ может приводить к
существенным искажениям реального профиля притока флюида, создавая тем самым предпосылки
для низкой эффективности проведения последующих ГТМ.
В главе 5 дается обзор существующих технологий интенсификации притока к ГС с
использованием кислотного воздействия на пласт. Проведена оценка технологической и
экономической эффективности кислотной обработки интервалов ГС. Предложена техникоэкономическая схема оптимизации работы ГС и повышения эффективности ГТМ.
Для ГС наиболее эффективными технологиями выравнивания профиля притока являются
поинтервальные кислотные обработки, обеспечивающие селективное воздействия на ОЗ пласта
вдоль ствола ГС, и оборудование забоя ГС устройствами управления притоком флюида из пласта
(ICD, ICV). Важным этапом при проведении мероприятий по воздействию на ОЗ пласта является
прогнозирование
их
технологической
эффективности.
Добиться
значимого
повышения
производительности скважин удается лишь в тех случаях, когда механизм восстановления
фильтрационных свойств пласта адекватен механизму их поражения. Традиционные технологии
воздействия на призабойную зону ориентированы на симметричное строение ОЗ пласта, поэтому
оценка их эффективности в условиях ГС требует специального исследования. Таким образом, в
решении проблем повышения эффективности эксплуатации ГС первостепенное значение имеют
задачи дифференцированного изучения процессов и явлений в околоскважинных зонах ГС.
В данной главе на основе предложенных в диссертационной работе моделей ОЗ пласта
проведена оценка технологической эффективности кислотной обработки интервалов ГС для
коллекторов с различной степенью активности по отношению к применяемому реагенту.
Выявлено, что использование упрощенных моделей определения производительности ГС после
кислотного воздействия может привести к завышению прогнозной эффективности мероприятия
для выбранных объемов закачки реагента. Показано, что в зависимости от соотношения между
размером первичной ОЗ и радиусом воздействия кислотой после обработки в ОЗ пласта будут
формироваться различные вторичные профили проницаемости, которые могут иметь как
монотонный, так и немонотонный характер. Основными параметрами, определяющими
эффективность кислотного воздействия, являются: соотношение размеров первичной ОЗ и зоны
воздействия кислотой, тип коллектора, первичный и вторичный профили проницаемости в ОЗ,
степень растворимости коллектора.
18
На основе результатов диссертационной работы предложена технико-экономическая схема
оптимизации работы ГС и повышения эффективности ГТМ, позволяющая на этапе пуска
скважину в эксплуатацию определить оптимальный режим ее работы и параметры ГТМ,
требуемые для его осуществления (рис. 6).
На первом этапе посредством предложенной в главе 2 методики в комплексе с
лабораторными исследованиями и данными по изменению геолого-физических характеристик
пласта вдоль ГС производится определение профилей проницаемости, размера и геометрии ОЗ
пласта в каждом интервале ГС. По результатам исследований строится модель ОЗ, отвечающая
геолого-технологическим условиям конкретной скважины. После проведения численных расчетов
или использования предложенных аналитических выражений для «скин-фактора» определяется
поинтервальная производительность ГС и профиль притока флюида. После анализа полученного
профиля притока и распределения природных и техногенных фильтрационных характеристик
пласта
вдоль
ГС
выделяются
интервалы
наиболее
перспективные
для
проведения
соответствующих ГТМ. Далее производится численный расчет параметров обработки и объемов
реагента, а также расчет параметров устройств по ограничению притока флюида для достижения
максимального технологического эффекта. После оценки экономической эффективности
проводимых мероприятий делается вывод о добывных возможностях ГС при оптимальном режиме
ее эксплуатации.
19
Рис. 6 Технико-экономическая схема оптимизации эксплуатации ГС
20
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Проведенный в диссертационной работе подробный анализ существующих методов
определения
производительности
ГС
показал,
что
созданные на основе упрощенных
представлений о структуре ОЗ стандартные модели не позволяют корректно определять профиль
притока флюида к горизонтальному стволу в условиях неоднородности коллектора. В связи с этим
автором разработана методика определения производительности ГС, вскрывшей техногенноизмененный неоднородный пласт.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. Впервые предложена методика определения профилей проницаемости в ОЗ интервалов ГС,
основанная на совместном использовании данных разновременного многозондового каротажа и
динамической петрофизической модели ОЗ.
2. На основе результатов теоретических, лабораторных и промысловых исследований по
изучению изменений фильтрационных свойств пласта построены физически обоснованные
модели ОЗ неоднородного пласта, учитывающие специфику техногенного воздействия при
бурении и освоении ГС.
3. Впервые получено выражение для «скин-фактора» интервала ГС с учетом специфики
распределения проницаемости в ОЗ. Показано, что использование упрощенных зависимостей на
основе формул для ВС, приводит к существенно заниженным значениям «скин-фактора» для
интервала ГС.
4. Получены
частные
аналитические
и
общие
численные
решения
задачи
упругопластического режима фильтрации жидкости к ГС, полностью вскрывшей однородный
анизотропный пласт.
5. Предложен способ прогнозирования профиля притока жидкости к горизонтальному
участку ствола ГС в техногенно-измененном неоднородном пласте.
Разработана технико-экономическая схема оптимизации работы ГС и повышения эффективности
ГТМ, позволяющая на этапе пуска скважины в эксплуатацию определить оптимальный режим ее
работы и параметры ГТМ, требуемых для его осуществления.
21
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Гайдуков
Л.А.,
Михайлов
Н.Н.
Влияние
особенностей
околоскважинных
зон
горизонтальных скважин на их продуктивность // Нефтяное хозяйство,2010, №1, с.90-93.
2. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н. Нелинейная фильтрация газа к горизонтальной скважине с
измененной околоскважинной зоной // Газовая промышленность,2010, №1, с.37-40.
3. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н. Влияние околоскважинных зон на продуктивность газовых
скважин // Газовая промышленность,2008, №6, с.31-33.
4. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н., Орынбаев Б.А. Учет изменений сложно построенных
околоскважинных зон при оценке эффективности технологий интенсификации добычи газа
// Газовая промышленность,2008, №6, с.35-38.
5. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н. Скин-фактор горизонтальной скважины в неоднородном
пласте // Бурение и нефть, 2010, №4, с.21-23.
6. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н. Производительность горизонтальных скважин в техногенноизмененных неоднородных пластах// Экспозиция нефть газ, 2010, №2, с.19-25.
7. Gaidukov L., Mikhailov N. Modeling of Borehole Zone Influence on Stimulation Efficiency of
Gas Production // Proceedings of 11-th European Conference on the Mathematics of Oil
Recovery. Norway-Bergen, 2008. p. 256-261.
8. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н., Орынбаев Б.А. Методика учета изменения сложно
построенных околоскважинных зон при интенсификации добычи газа // Вестник ЦКР
Роснедра, 2008, №4, с.41-45.
9. Гайдуков
Л.А., Степанов В.П. Определение параметров пласта по результатам
эксплуатации скважин // Вестник ЦКР Роснедра, 2008, №4, с.73-79.
10. Гайдуков Л.А. Исследование фильтрационных характеристик для определения изменений
околоскважинных зон пласта и радиальной чувствительности ГИС // Геофизические
методы исследования Земли и недр: Материалы VI Международной научно-практической
конференции “Геофизика-2007”. – СПб.:С.-Петерб.ун-т, 2008. -160 с.
11. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н. Моделирование процессов защемления в околоскважинной
зоне на продуктивность скважины // Материалы I Международного научного симпозиума
“Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов”.-М.:
ВНИИнефть, 2007. с. 332-337.
12. Гайдуков
Л.А.,
Михайлов
Н.Н.
Влияние
особенностей
околоскважинных
зон
горизонтальных скважин на их продуктивность // Материалы II Международного научного
симпозиума “Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов”.М.: ВНИИнефть, 2009. с. 332-337.
22
13. Гайдуков Л.А., Михайлов Н.Н., Орынбаев Б.А. Моделирование влияния сложно
построенных околоскважинных зон на эффективность методов интенсификации добычи
газа // Труды VII Международного технологического симпозиума “Новые технологии
освоения и разработки трудноизвлекаемых запасов нефти и газа и повышения
нефтеотдачи”. -М.: Институт нефтегазового бизнеса, 2008. с. 314-321.
Соискатель: Гайдуков Л.А.
E-mail: [email protected]
23