Способы и средства контроля гидродинамических параметров нефтеводонасыщенных пластов с использованием фильтрационных волн давления

Актуальность работы. В настоящее время при разработке нефтяных месторождений становится обязательным элементом проведение комплекса исследований, которые позволяют оценить текущие запасыуглеводородов, разработать оптимальную технологию их добычи, создать и поддерживать постоянно действующую компьютерную модель месторождения, управлять процессом его разработки. В этот комплекс входят как лабораторные эксперименты с образцами кернов, извлеченными при бурении скважин, и пробами жидкостей, так и исследования, проводимые различными методами непосредственно на промысловых площадях. Именно промысловые измерения составляют наиболее трудоемкую и дорогостоящую часть комплекса. Проведение таких исследований предполагает необходимость остановки или снижения добычи нефти на участке на время проведения замеров, а также непосредственное участие в них квалифицированных специалистов. Важным фактором снижения трудоемкости промысловых экспериментов, повышения качества получаемых результатов и уменьшения затрат времени является автоматизация операций с использованием современных средств измерения, управления оборудованием и компьютерных технологий. Среди различных методов гидродинамических исследований значительными потенциальными возможностями и преимуществами обладает метод фильтрационных волн давления (ФВД). Его реализация предполагает одновременное включение в эксперимент нескольких скважин, автоматизацию управления их режимами и регистрацией данных, применение специфических способов интерпретации получаемых результатов. Оптимальное решение задач автоматизации промысловых исследований должно ориентироваться на специфику условий действующих месторождений, которые в значительной степени отличаются от условий заводского производства. В связи с этим развитие способов проведения замеров по методу ФВД, автоматизация измерений, разработка алгоритмов и программ обработки данных являются актуальной задачей, решение которой имеет важное значение .для контроля и управления разработкой месторождений.

Объект исследования: методы и средства проведения промысловых экспериментов по определению гидродинамических характеристик нефтеводонасыщенных пластов.

Предмет исследования: средства автоматизации контроля состояния и параметров потоков жидкостей в скважинах, способы проведения исследований и расчета фильтрационных параметров пласта по методу фильтрационных волн давления.

Цель работы: повышение эффективности промысловых гидродинамических исследований пластов за счет сокращения затрат на проведение измерений фильтрационных параметров пласта в призабойной зоне скважины при сохранении точности и частотного диапазона, уменьшения длительности эксперимента по исследованию межскважинных интервалов при контролируемых значениях погрешностей, повышения уровня автоматизации промысловых исследований.

Научная задача исследования — разработка научно-методических основ проектирования, построения и применения автоматизированного аппаратно-программного комплекса для промысловых гидродинамических исследований нефтеводонасыщенных пластов с использованием метода фильтрационных волн давления. Для достижения поставленных целей и решения научной задачи необходимо решение следующих вопросов:

1. Моделирование гидродинамических процессов в объеме скважины для устранения систематической погрешности данных давления и расхода жидкости, измеренных на ее устье.

2. Анализ погрешностей расчета фильтрационных параметров пласта в межскважинных интервалах при сокращении времени эксперимента.

3. Анализ специфики обработки данных промысловых экспериментов по методу фильтрационных волн давления и разработка программных средств для контроля данных в ходе замеров и расчета фильтрационных параметров пласта.

4. Обоснование принципов разработки средств автоматизации гидродинамических экспериментов с учетом особенностей исследований в промысловых условиях, проектирование и изготовление автоматизированного аппаратно-программного комплекса, специализированного для проведения гидродинамических экспериментов в условиях действующих нефтяных месторождений.

Методы' исследования: метод электроакустических аналогий при моделировании гидродинамических и волновых процессов в скважинеметоды компьютерного математического моделирования при анализе погрешностей обработки данныхсовременные методы автоматизации технологических процессов при разработке конфигураций экспериментального комплексаструктурное, объектно-ориентированное программирование, технологии программирования реального времени и методы^ математической статистики при разработке программного обеспечения регистрации и обработки данных.

Достоверность результатов, работы* обеспечивается корректным применением аналитических преобразований и статистических методов, обработки, совпадением результатов расчетов фильтрационных параметров" пласта с данными, полученными иными средствами, проверкой алгоритмов и программ расчета параметров на модельных данных, обоснованным выбором известных экспериментальных методик, аппаратных конфигураций, средств измеренияи управления, применением апробированных средств, автоматизации технологических процессов: и разработки программного обеспечения-.практическим внедрением в промысловых условиях.

НовизнаРазработана и применена новая методика учета влияния конструктивных объемов скважины на результаты расчетов фильтрационных параметров пласта в призабойной зоне с использованием эквивалентной электрической схемы, получены формулы для расчета исправленного значения волнового импеданса пласта при измерений дебита и давления' на устье скважиныразработана методика сокращения времени проведения экспериментов при контролируемых значениях погрешностей расчета ФППвыявлены и систематизированы специфические особенности проведения гидродинамических исследований на участках действующих нефтяных месторождений в плане их автоматизации и обоснованы требования к различным категориям аппаратных средств и программному обеспечению, используемому для проведения измеренийразработан новый аппаратно-программный комплекс распределенной регистрации данных, удовлетворяющий этим требованиямполучены формулы для приближенных расчетов ФПП на основе регрессии точных выражений к полиномам и отношениям Падеразработано оригинальное программное обеспечение для обработки данных промысловых исследований, проводимых методом фильтрационных волн давления.

Научная значимость. Использованный подход к моделированию гидродинамических процессов в скважине показывает возможность разработки новых способов расчета параметров протяженных объектов, полученные формулы учета влияния конструктивных параметров скважин на результаты зондирования призабойной зоны, анализ погрешностей расчета ФПП в эксперименте по зондированию межскважинных интервалов и принципы выбора параметров обработки расширяют возможности применения метода фильтрационных волн давления для исследования пластов, обеспечивают сохранение и повышение точности определения характеристик пласта при снижении материальных затрат на проведение исследований.

Практическая ценность. Наряду с повышением эффективности проведения гидродинамических исследований при использовании полученных результатов, выявленные особенности проведения экспериментов на участках месторождений, сформулированные требования к аппаратуре, программному обеспечению проведения замеров и обработки экспериментальных данных, сведения о конфигурации аппаратных средств, структуре и функциях разработанных автором программных приложений имеют ценность при формулировке технических заданий и в ходе разработки экспериментального оборудования, аппаратных конфигураций и программных средств для автоматизации экспериментов на участках месторождений и обработки экспериментальных данных. Разработанный аппаратно-программный комплекс обладает достаточной гибкостью для его непосредственного использования как при проведении различных экспериментов на участках месторождений, так и в других задачах автоматизации технологических процессов. Программные средства обработки экспериментальных данных применяются для расчета ФПП по материалам, получаемым в исследованиях пластов методом ФВД с помощью разработанного комплекса, а также полученным с использованием других средств проведения экспериментов.

Реализация и внедрение. Разработанный аппаратно-программный комплекс распределенной регистрации внедрен и успешно использовался в течение 5 лет при проведении мониторинга и гидродинамических экспериментов на нескольких участках нефтяных месторождений ОАО «Татнефть». Получены 2 акта внедрения опытно-конструкторских разработок. Одна из разработок участвовала в международной выставке «Нефть. Газ. Нефтехимия 2004» и была удостоена диплома 2 степени, по результатам промысловых экспериментов с ее использованием имеется подтвержденный экономический эффект.

Апробация. Результаты работы и научные результаты, полученные с использованием разработанного комплекса, докладывались на всероссийских и международных конференциях: международном форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва 2001 и 2006 г.- «Совершенствование методов проектирования разработки нефтегазовых месторождений Татарстана на современном этапе», Альметьевск 2004 г.- «Нетрадиционные коллекторы нефти, газа и природных битумов», Казань 2005 г., «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений», Казань 2007 г.- итоговых конференциях КГУ за 2005, 2008 и 2009 годыXXI международной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Саратов 2008 гнаучно-практической конференции «Инновации РАН», Казань 2010 г.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ учета влияния конструктивных параметров скважины на результаты волнового зондирования призабойной зоны пласта, формулы для получения скорректированного значения импеданса пласта по данным измерения параметров на устье скважины.

2. Методика сокращения времени проведения гидродинамических исследований межскважинных интервалов по методу фильтрационных волн давления, на основе анализа влияния различных факторов на погрешности расчета фильтрационных параметров пласта и применении оптимальных параметров проведения эксперимента и обработки данных.

3. Результаты анализа специфики обработки данных промысловых экспериментов, проводимых методом фильтрационных волн давления, функциональные возможности приложения отображения и обработки данных для расчета фильтрационных параметров пласта в межскважинных интервалах и призабойной зоне скважины.

4. Принципы разработки автоматизированного комплекса на основе анализа специфики проведения промысловых гидродинамических исследований, структура аппаратных средств, состав и функции приложений программного обеспечения комплекса распределенной регистрации для проведения экспериментов на участках нефтяных месторождений.

Личный вклад автора. В процессе выполнения поставленных задач автором получены следующие научные и практические результаты:

• Модель гидродинамических колебаний в стволе скважины и формулы для расчета исправленного значения импеданса призабойной зоны скважины с учетом влияния ее конструктивных объемов.

• Количественная оценка погрешностей расчета ФПП межскважинных интервалов при сокращении времени замеров на основе моделирования экспериментальных данных, рекомендации для обработки данных промысловых исследований.

• Аргументированный перечень особенностей проведения гидродинамических экспериментов на участках месторождений, обоснование требований к средствам измерения и автоматизации для этих экспериментов, анализ недостатков ранее использованных разработок в проводимых исследованиях.

• Структура аппаратных средств и все приложения программного обеспечения комплекса распределенной регистрации данных, конструкция узлов периферийного устройства регистрации, схемы и конструкция блока управления шаговым двигателем привода устройства управления потоком жидкости.

• Программное приложение обработки экспериментальных данных с получением фильтрационных параметров пласта, результаты обработки данных промысловых измерений.

Публикации: по материалам диссертации при участии автора изданы 2 монографии, опубликовано 6 статей в научных журналах, из них 5 — в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций, 4 доклада в сборниках докладов российских и международных научных конференций, одно из приложений программного обеспечения зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, подана заявка на получение патента на изобретение. Опубликованные работы автора по теме диссертации были подготовлены в. соавторстве со следующими коллегами (в алфавитном порядке):

1. Гаврилов Александр Геннадьевич (К (П)ФУ, кафедра радиоэлектроники).

2. Куштанова Галия Гатинишна (К (П)ФУ, кафедра радиоэлектроники).

3. Овчинников Марат Николаевич (К (П)ФУ, кафедра радиоэлектроники).

4. Семенов Андрей Валентинович (Центр совершенствованияметодов разработки нефтяных месторождений при АН РТ).

5. Штанин Александр Васильевич (К (П)ФУ, кафедра радиоэлектроники).

СтруктураV и краткое содержание диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений.

Выводы по 4 главе:

На основе анализа опыта проведения экспериментов на участках нефтяных месторождений сформулированы требования к средствам автоматизации промысловых исследований. Наиболее существенными требованиями, предъявляемыми к экспериментальному комплексу для промысловых гидродинамических исследований, являются:

• Возможность оперативного выбора и изменения конфигурации аппаратных средств в ходе замеров.

• Наличие средств диагностики состояния компонент комплекса и контролируемых объектов.

• Возможность использования приборов с различными принципами действия и интерфейсами.

• Оперативный контроль и обработка данных в процессе замеров.

Структура, аппаратные и программные решения разработанного автоматизированного экспериментального комплекса соответствуют предъявленным требованиям и могут использоваться:

• для определения фильтрационных характеристик нефтеводоносных пластов в межскважинных интервалах и призабойной зоне скважин по методу фильтрационных волн давления,.

• для мониторинга процессов разработки и проведения других типов экспериментов на участках нефтяных месторождений,.

• в исследованиях характеристик природных объектов и сложного технологического оборудования с характерными временами реакции от десятков секунд до нескольких недель,.

• в комплексных испытаниях разработанных систем управления технологическими процессами,.

• для непосредственного управления технологическими процессами на менее сложных установках в составе комплексов АСУ ТП.

Материалы главы опубликованы в статьях [73, 74, 82, 83, 84] и монографиях [46, 47]. Более подробная информация о программном комплексе, описания приложений и демонстрационные версии программ приведены на сайте автора [85].

Заключение

и выводы.

В процессе решения поставленных научных и практических задач были получены следующие результаты:

• Разработана модель гидродинамических колебаний в объеме скважины и получены формулы для расчета корректного значения импеданса призабойной зоны пласта в эксперименте по самопрослушиванию методом ФВД на коротких периодах воздействия (до 1000 секунд) при измерении дебита и давления на устье скважины. Сделана количественная оценка погрешностей определения импеданса при неучете влияния ствола скважины.

• Получены приближенные формулы для расчета фильтрационных параметров пласта на основе аппроксимаций из точных соотношений с использованием функций Кельвина для актуальных значений их аргументов — безразмерных параметров Хс и X — регрессией к полиномам и отношениям Паде.

• Проанализированы особенности обработки экспериментальных данных, получаемых при проведении экспериментов в условиях действующих месторождений, определены требования к программным средствам для оперативного контроля и обработки регистрируемых в эксперименте данных. Разработано программное приложение обработки данных промысловых экспериментов, проводимых методом ФВД, для применения в составе автоматизированного комплекса, а также для обработки данных, полученных другими средствами.

• С использованием программного приложения обработки данных, входящего в состав комплекса, проведен количественный анализ погрешностей расчета пьезопроводности и гидропроводности пласта по данным экспериментов, проводимых методом ФВД при обработке смоделированных данных в зависимости от нескольких факторов: способа выделения непериодического тренда, количества зарегистрированных периодов данных и алгоритма начала эксперимента.

• На основе анализа опыта проведения экспериментов составлен аргументированный перечень особенностей решения задач автоматизации промысловых гидродинамических исследований, сформулирован список требовании к аппаратно-программным комплексам для проведения промысловых экспериментов по определению фильтрационных параметров пласта нестационарными гидродинамическими методами, а также требований и рекомендаций к составным частям комплекса: средствам измерения, управления, дистанционного контроля и регистрации данных, а также к программному обеспечению проведения эксперимента и обработки данных. • Разработана конфигурация аппаратных средств и программное обеспечение комплекса распределенной регистрации и обработки данных, выполнены промысловые эксперименты с использованием этого комплекса по методу фильтрационных волн давления, проведена обработка данных и получены значения фильтрационных параметров пласта.

Таким образом, поставленные научные и практические задачи были успешно решены. В соответствии с результатами, вынесенными на защиту, могут быть сформулированы выводы о достижении целей исследований:

1.На основе моделирования гидродинамических процессов в стволе скважины разработан способ повышения точности измерений параметров пласта в призабойной зоне за счет устранения систематической погрешности, обусловленной влиянием этих процессов при регистрации данных на устье скважины. Применение способа обеспечивает возможность выполнения измерений с сохранением точности и частотного диапазона без использования глубинных приборов, что позволяет сократить материальные и временные затраты на проведение исследований.

2. По результатам анализа влияния различных факторов на погрешности расчета фильтрационных параметров пласта в эксперименте по зондированию межскважинных интервалов разработана методика сокращения времени исследований, основанная на выборе оптимальных параметров проведения эксперимента и способов обработки данных. При расчетах наилучшие результаты достигаются при выделении непериодического тренда методом скользящего среднего по периоду воздействия или использовании полиномиального тренда по наборам точек с учетом периода, в зависимости от количества зарегистрированных периодов и разброса точек данных. Рекомендовано использовать для обработки интервал данных с отступами не менее 0.5 периода от начала и 0.25 от конца диапазона замера. С соблюдением этих рекомендаций при регистрации трех периодов данных погрешности расчета пьезопроводности и гидропроводности не превышают 3%, что допустимо для использования результатов в постоянно действующих компьютерных моделях месторождения.

3. По результатам анализа специфики обработки данных промысловых экспериментов, проводимых методом фильтрационных волн давления, наиболее существенными требованиями к средствам обработки являются наличие возможностей коррекции и восстановления при работе с первичными данными, зарегистрированными с дефектами, контроль и обработка данных в процессе эксперимента. Разработанное приложение обработки данных в составе комплекса удовлетворяет сформулированным требованиям, обеспечивает визуальный контроль регистрируемых данных в процессе замеров и расчет целевых параметров пласта по уравнениям классической модели фильтрации с выбираемой степенью автоматизации операций обработки в зависимости от качества зарегистрированных данных.

4. Сформулированы принципы разработки средств автоматизации промысловых экспериментов, которые включают оценку различных аспектов специфики проведения исследований и набор требований к экспериментальному комплексу. Определяющими требованиями являются возможность широкого выбора средств измерения, максимальная гибкость конфигурирования комплекса и наличие средств диагностики состояния его компонент. Конфигурация аппаратных средств и программное обеспечение разработанного комплекса распределенной регистрации соответствует сформулированным требованиям и практически применимы при проведении различных экспериментов в условиях действующих нефтяных месторождений.