Повышение эффективности доразработки сеноманских газовых залежей на основе системного совершенствования технологий добычи и подготовки газа

В настоящее время 93% от общей добычи газа по ОАО «Газпром» осуществляется из месторождений севера Западной Сибири, и более 50% из этого количества — из сеноманских залежей трех месторождений: Медвежьего, Уренгойского и Ямбургского, которые находятся на поздних стадиях разработки.

Не смотря на сложность геологического строения массивных сеноманских залежей, подстилаемых и окруженных мощными водонапорными бассейнами, на стадии первоначального проектирования и в последующие годы практически была исключена возможность проявления тех негативных факторов, которые возникают на завершающей стадии разработки этих залежей: прогрессивного обводнения добывающих скважин и разрушения их призабойных зон. Сейчас это приводит к снижению производительности скважин и необходимости проведения дорогостоящих капитальных ремонтов промыслового оборудования. Уменьшение общих отборов газа из залежей как следствие падения пластового давления и снижения дебитов скважин, а также усложнение добычи и подготовки газа ввиду наличия в продукции скважин пластовой воды и механических примесей, ведет к резкому возрастанию себестоимости добываемого газа.

При существующих в настоящее время ценах на газ уже к 2015 г. для месторождения Медвежье и к 2026 г. для Уренгойского добыча газа из сеноманских залежей окажется убыточной, что на пять лет раньше проектных сроков, при газоотдаче для этих месторождений 87% и 81,3% соответственно. Если учесть, что каждый дополнительный процент газоотдачи составит в совокупности по этим залежам более 100 млрд. м3 газа, то в недрах может оставаться не менее 500−800 млрд. м3. Проблема безубыточного извлечения этого газа, как в проектный период, так и в последующие годы, является весьма актуальной, имеет государственное значение и должна рассматриваться как ресурсосберегающая, технологически и социально перспективная и необходимая. Разрешение ее возможно только при создании и внедрении новых технологий эксплуатации добывающих скважин в условиях их прогрессивного обводнения и разрушения призабойных зонусовершенствования технологий и модернизации аппаратов промысловой очистки и осушки газа, загрязненного пластовой водой и мехпримесями, при общем снижении отборов по залежам и пониженных устьевых давлениях.

На системное решение указанной проблемы нацелены новые технологии и технические средства, разработанные и внедренные соискателем, что в значительной степени будет способствовать не только завершению безубыточной эксплуатации сеноманских залежей в проектные сроки разработки, но и успешному продолжению ее с доведением коэффициента газоотдачи до 93−95%.

Целью настоящей работы является разработка и внедрение технологий и технических средств, обеспечивающих эффективную добычу, сбор, компримирование, и промысловую подготовку газа из сеноманских залежей в завершающий период их разработки.

Основные задачи исследований сводятся к:

— рассмотрению и анализу функционирования газодобывающих предприятий, эксплуатирующих сеноманские залежи уникальных газовых месторождений, как сложных систем однократного жизненного цикла с неопределенностями;

— установлению причинно-следственных связей между трудно прогнозируемыми на начальном этапе негативными факторами, которые возникли на завершающей стадии разработки и осложнили технологические процессы во всех остальных подсистемах: промыслового транспорта, компримирования и подготовки газа к дальнему транспорту;

— выявлению причин нарушения технологий добычи и подготовки газа и основных направлений усовершенствования технологий и технических средств во всех подсистемах газодобывающего предприятия как сложной геолого-технической системы, начиная с добывающих скважин и заканчивая головной компрессорной станцией;

— разработке и внедрению, на уровне изобретений, новых технологий добычи газа из скважин, эксплуатация которых осложнена наличием в их продукции пластовой и конденсационной воды и механических примесейсозданию прогрессивных технологических процессов и технических средств подготовки газа к транспорту, исключающих ухудшение качества его очистки и осушки ввиду попадания в технологические аппараты воды и механических примесей, и ряда других способов и устройств, улучшающих процесс добычи и транспорта газа.

Рассматриваемые в диссертации проблемы решаются с использованием принципов системного подхода, теории разработки месторождений углеводородного сырья и технологии промысловой обработки газа, критического анализа результатов многолетней разработки сеноманских залежей и подготовки газа на месторождениях Медвежье, Уренгойское, Ямбургское и др.

При разработке способов и устройств на уровне патентов на изобретения использовались результаты таких дисциплин, как физика, химия, математика, гидродинамика. Объектами исследования являются разрабатываемые сеноманские газовые залежи месторождений Медвежье, Уренгойское, Ямбургское и др.- газодобывающие скважины, включая их конструкцию, технологии вскрытия пласта, освоения, все виды текущих и капитальных ремонтовтехнологии и аппараты по очистке и осушке газа на указанных месторождениях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый метод определения расхода фаз в многофазном потоке (газ, жидкость, механические примеси) по частотным компонентам спектра мощности флуктуационного процесса, созданного с применением формирователя потока [96].

2. Дано теоретическое обоснование возможности создания полостей в призабойной зоне добывающих скважин, которые исключают ее разрушение и снижают газодинамическое сопротивление [22].

3. Предложен новый метод экспресс-диагностики формирования дефектов в газопроводных трубах путем измерения накоплений поврежденности металла на структурном уровне, соответствующем уровню зерна [54].

Элементы новизны, относящиеся к добыче и подготовке газа, отражены в изобретениях защищенных патентами, включенными в диссертацию.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения:

1. Логическая схема причинно-следственных связей негативных факторов в подсистемах добычи и подготовки газа из сеноманских залежей на завершающей стадии их разработки.

2. Новые технологии изоляции притока пластовых вод к скважинам, увеличения проницаемости призабойных зон и создания скважинных гравийных фильтров высокой эффективности и надежности.

3. Рекомендации по проектированию установок комплексной подготовки газа, которые учитывают изменение условий разработки и эксплуатации газовой залежи на протяжении всего ее жизненного цикла.

4. Новые технологии абсорбционной осушки газа и модернизированная аппаратура, обеспечившие повышение надежности и эффективности работы основного технологического оборудования и увеличение производительности установок осушки газа в 1,5 раза по сравнению с проектной.

5. Новый метод определения расхода фаз в многофазном потоке, содержащем газ, жидкость и механические примеси.

6. Новый метод экспресс-диагностики формирования дефектов в газопроводных трубах.

Исследования соискателя вызваны потребностями практики добычи и подготовки газа. Внедрение результатов работы позволило значительно сократить расходы на проведение текущих и капитальных ремонтов добывающих скважин, повысить их производительность, сократить объемы выносимой воды и механических примесей в продукции скважин.

Внедренные, при непосредственном участии соискателя, в ООО «Уренгойгазпром» новые технологии подготовки газа к транспорту и проведенная модернизация аппаратов очистки и осушки газа повысили качество подготовки и сократили расход дорогостоящих ингибиторов и абсорбентов. Внедренные технологии и устройства выполнены на уровне изобретений и защищены патентами.

Результаты исследований по теме диссертации изложены в 33 опубликованных работах, в том числе в четырех книгах, написанных соискателем самостоятельно или в соавторстве, а также в 18 патентах на способы и устройства относящиеся непосредственно к решаемой в диссертации проблеме. Диссертационная работа состоит из четырех разделов, в каждом из которых излагаются результаты исследований соискателя по одной из функционирующих подсистем газодобывающего предприятия, рассматриваемого как сложная система. Общее число опубликованных соискателем работ более 200, в том числе четыре монографии и 32 патента на изобретения.

Автор выражает благодарность научному руководителю, академику А. Н. Дмитриевскому, за выбор стратегического направления исследований и поддержку в ходе работы над диссертацией, а также руководству ООО «Уренгойгазпром» за помощь в проведении исследований и внедрении изобретений на объектах газовых промыслов, а также лично Сулейманову Р. С., Кулькову А. Н., Зиберту Г. К., Каналину В. Г. Вагину С.Б., Токареву М. А., Тимофееву В. А., Зорину Е. Е., Степаненко А. И., Браго Е. Н., Ермолкину О. В., Кучерову Г. Г, Дубине Н. И., Динкову А. В., Бердину Т. Г., Истомину В. А., Ефимову Ю. Н., Шибневу А. В. как непосредственным участникам многих теоретических исследований и совместных изобретений за высказанные полезные советы и замечания при написании работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Важнейшим направлением стратегического развития газовой промышленности в России является решение задач всемерной интенсификации процессов во всех звеньях технологической цепи — от этапа разведки месторождений до транспорта газа и его реализации потребителям. Исходя из этого можно сформулировать основные направления научно-технических задач, решение которых обеспечит высокую эффективность освоения месторождений, а именно, формирование сырьевой базы газодобывающих предприятий, вовлечение в разработку сложных геологических объектов, совершенствование технологии проводки скважин, разработка методов интенсификации добычи газа, совершенствование технологии добычи, подготовки и транспорта углеводородного сырья, внедрение ресурсосберегающих и технологии и ряд других. В условиях газовых залежей на севере Западной Сибири решение указанных задач связано с характерными особенностями: огромные по площади размеры месторожденийбольшая толщина продуктивных отложенийсложность геологического строениябольшой диапазон фазового состояния пластовых флюидовудаленность от обжитых районовзаболоченность местностисложность природно-климатических условий. Большие размеры структур, разбиение этажа газоносности на отдельные объекты разработки, совмещение объектов в плане и полное отсутствие дорог на Уренгойском месторождении предопределили кустовое размещение скважин и работу в один шлейф, в том числе и скважин, вскрывающих разные объекты разработки. Это, в свою очередь, существенно осложнило возможности регулирования разработки, особенно на стадии падающей добычи, когда уже нет запаса пластовой энергии, необходимого для регулирования работы скважин, т. е. когда режим работы скважин определяется режимами работы ДКС, УКПГ и газосборных сетей.

Изменяющиеся в процессе разработки месторождений условия добычи и подготовки углеводородов к транспорту требуют неослабного внимания специалистов научно-исследовательских и производственных организаций к необходимости поиска методов и средств, обеспечивающих качество подготовки углеводородов.

В связи со старением оборудования, внутрипромысловых и межпромысловых продуктопроводов большое значение, с точки зрения обеспечения надежности добычи, подготовки и транспорта газа, конденсата и нефти, приобретают работы в области технической диагностики промыслового оборудования. Кардинальным средством повышения надежности и экономичности работы и обслуживания всей технологической цепочки добычи, подготовки и транспорта углеводородов является переход от традиционной системы эксплуатации объектов производства на новую ресурсосберегающую эксплуатацию «по состоянию». Новая система предусматривает переход от регламентного ремонтно-технического обслуживания оборудования к обслуживанию в зависимости от реального технического состояния каждой единицы оборудования, от управления технологическим процессом работы с ориентацией на паспортные данные или среднестатистические характеристики оборудования на «оптимальное управление» основанное на использовании фактических характеристик конкретных объектов.

Газовые и газоконденсатные месторождения Надым-Пур-Тазовского региона представляют собой гигантский энергетический комплекс, объединенный единой системой продуктопроводов. В настоящее время и в ближайшей перспективе этот регион будет не только основным поставщиком газа, как на внутренние, так и на европейские рынки, но и главным образом определять финансово-экономическое положение ОАО «Газпром». В связи с этим, решение задач оптимального проектирования новых производственных мощностей и реконструкции существующих, а также управления таким энергетическим комплексом приобретает огромное значение при выборе пути эффективного развития газовой промышленности.

Промышленная эксплуатация сеноманской газовой залежи Уренгойского месторождения началась с апреля 1978 г. с вводом в эксплуатацию в южной части залежи УКПГ-1. В 1985 г. месторождение выведено на проектный уровень годовых отборов газа. Всего на сегодняшний день на месторождении действуют более тысячи эксплуатационных скважин. На последнюю дату действующий фонд скважин по площадям составлял -83,3% от общего числа пробуренных скважин. Доля скважин не добывающих продукцию составляет по площадям 15−32%. Наиболее сложно дела с простоями скважин обстоят на Северо-Уренгойской площади. Анализ фонда скважин показывает, что основными причинами простоев являются обводнение скважин и ликвидация песчаных пробок.

Сеноманский продуктивный горизонт повсеместно подстилается мощной водоносной системой, обладающей большим запасом энергии. При таких геологических условиях естественно ожидать активной реакции водонапорной системы на разработку газовой залежи. Не является исключением в этом плане и сеноманская залежь Уренгойского месторождения. Причем здесь происходит неравномерный подъем ГВК по площади, основной причиной которого является неоднородность геологического строения и литологической характеристики пород в зоне ГВК.

Все работы, выполненные автором в течение двух последних десятилетий коллективно или без соавторов, были направлены на разрешение проблемных ситуаций, возникающих в процессе разработки сеноманских залежей уникальных газовых месторождений севера Западной Сибири. Рассматривая функционирующее газодобывающее предприятие как динамическую, сложную систему однократного жизненного цикла с неопределенностями, автор в своих исследованиях уделял особое внимание влиянию любого изменения в одной из подсистем на работу всех остальных. Анализ данной проблемы позволил выявить три основные группы факторов, определяющих проблемные ситуации при разработке месторождений и добыче углеводородного сырья:

— факторы, связанные с технологией строительства и эксплуатации скважин;

— снижение запаса пластовой энергии;

— геологические особенности месторождений.

Каждая из выделенных групп ведет к снижению производительности скважин, в свою очередь приводящую к таким негативным последствиям как увеличение объемов воды в продукции скважин, отложения гидратов и др., что в итоге отражается на повышении себестоимости добычи газа.

Первая группа исследований автора направлена на ликвидацию основных негативных факторов, усложняющих разработку сеноманских залежей и эксплуатацию добывающих скважин на завершающей стадии их жизненного цикла. Падение пластового давления в процессе разработки залежей приводит к уменьшению дебитов добывающих скважин, подъему газоводяного контакта и продвижению краевых вод, возрастанию нормальных и касательных напряжений в породе продуктивного пласта. Следствиями этих факторов является обводнение добывающих скважин и разрушение их призабойных зон, приводящее к образованию песчаных, жидкостных и песчано-жидкостных пробок на забоях скважин. Последнее в совокупности с общим падением давления в залежи приводит к снижению дебитов скважин вплоть до их остановки. Доминирующим фактором в обводнении большинства скважин является разрушенный цементный камень за обсадной колонной или его полное отсутствие, что характерно примерно для половины всех скважин, так что подошвенная вода поступает на забой, поднимаясь над положением среднего уровня текущего газоводяного контакта примерно на десять метров на каждую атмосферу депрессии.

Чтобы восстановить продуктивность скважин, приходится проводить дорогостоящие капитальные ремонты. Стоимость каждого из таких ремонтов доходит нередко до 200 тыс. долларов США. Статистика свидетельствует, что после капитальных ремонтов на скважинах, эксплуатирующих сеноманские залежи месторождений Медвежье, Уренгойское и Ямбургское, средний дебит скважин для тех же депрессий, которые были до ремонта, уменьшается на 30%. В настоящее время на каждом из перечисленных выше месторождений проводится от 20 до 30 капитальных ремонтов в год, большинство из которых приходится на ликвидацию притока пластовых вод. В действительности фактическая потребность в ремонтах многократно превышает указанные цифры и обусловлена возможностями организаций, производящих ремонты.

В представленной к защите диссертационной работе автором на примере Уренгойского месторождения решены ряд задач системного усовершенствования технологий и технических средств добычи, подготовки и транспорта газа как составляющих эффективной разработки сеноманских газовых залежей, а именно:

1. Впервые обобщены и сформулированы определяющие связи между подсистемой разработки месторождения и подсистемой промысловой подготовки газа в течение всего жизненного цикла газодобывающего предприятия, являющегося сложной динамической системой однократного жизненного цикла с неопределенностями.

2. На основе исследования материалов длительного опыта разработки сеноманских залежей месторождений Медвежье, Уренгойское и Ямбургское установлены причинно-следственные связи между труднопрогнозируемыми на начальном этапе разработки, негативными факторами, которые возникли на завершающей стадии в подсистемах разработки залежей, и последствиями, осложнившими технологические процессы во всех остальных подсистемах: промыслового транспорта, компримирования и подготовки газа к дальнему транспорту.

3. Обоснованы необходимые направления усовершенствования технологий и технических средств во всех подсистемах газодобывающего предприятия на завершающей стадии разработки сеноманских залежей.

4. Изложены результаты применения новых технологий изоляции притока пластовых вод к скважинам, увеличения проницаемости призабойных зон и создания скважинных гравийных фильтров высокой эффективности и надежностисовместно с другими специалистами разработан и внедрен в производство эффективный способ расхода фаз в многофазном потоке.

На основе рекомендаций по проектированию установок комплексной подготовки газа, разработанных соискателем и изложенных в монографиях, с непосредственным участием автора спроектированы и внедрены на Уренгойском месторождении новые технологии абсорбционной осушки газа и модернизированная аппаратура, позволившая увеличить производительность установок осушки газа в 1,5 раза по сравнению с проектной.

Практически все усовершенствования технологий и модернизация аппаратуры выполнены на основе технических решений на уровне изобретений.

Промысловая проверка разработанных автором или с его непосредственным участием методических, технологических и технических решений, позволяет рекомендовать их к внедрению не только на месторождениях, находящихся в настоящее время в эксплуатации вплоть до их консервации или ликвидации, но и на тех, которые в скором времени должны будут введены в разработку (месторождения полуострова Ямал и шельфовой зоны).