Гидродинамические исследования горизонтальных скважин: На примере месторождений Республики Татарстан

Актуальность темы

Современное состояние нефтедобывающей промышленности характеризуется ухудшением структуры оставшихся промышленных запасов вследствие вступления большинства высокопродуктивных месторождений в позднюю стадию разработки, ввода в разработку малоэффективных месторождений углеводородного сырья. В структуре остаточных извлекаемых запасов нефти Республики Татарстан активные извлекаемые запасы составляют 20.4%, а трудноизвлекаемые — 79.6%.

Одним из эффективных путей вовлечения трудноизвлекаемых запасов в разработку является внедрение горизонтальных технологий. К преимуществам горизонтальных технологий относятся значительное уменьшение проектируемого количества скважин на месторождениях, существенное повышение дебита за счет увеличения области дренирования, увеличение степени нефтеизв лечения, вовлечение в разработку запасов под труднодоступными участками земной поверхности, разработка залежей высоковязкой нефти и битумов, тонких нефтяных пластов, имеющих обширную газовую шапку и подошвенную воду и т. д.

В качестве показателя эффективности горизонтальных технологий применяют коэффициент увеличения продуктивности (КУП), представляющий собой отношение дебита горизонтальных скважин (ГС) к дебиту вертикальных скважин (ВС). По Республике Татарстан горизонтальных скважин со значением КУП более единицы около 40%. Остальные имеют значение КУП, равное единице (33.3%) или менее единицы (26.3%). Анализ, проведенный компанией Shell по 1300 ГС, показал, что только 50% из них оказались эффективными [31].

Изучение причин, влияющих на эффективность горизонтальных технологий, показало, что одной из них является отсутствие информации 5 об изменении фильтрационных параметров по длине ГС. Гидродинамические исследования (ГДИ), проведенные непосредственно в горизонтальной части ствола ГС, позволяют оценить значения фильтрационных параметров в окрестности ствола ГС, установить оптимальные режимы эксплуатации ГС, выявить факторы, влияющие на эффективность её работы.

Проведение гидродинамических исследований в горизонтальных скважинах наталкивается на значительные трудности. Это связано с доставкой контрольно-измерительных приборов в горизонтальную часть ствола, отсутствием специально разработанных для этих целей контрольно-измерительных комплексов, несовершенством методик обработки результатов гидродинамических исследований ГС, приводящих к значительным погрешностям при определении фильтрационных параметров пласта.

Проблемы, связанные с интерпретацией результатов гидродинамических исследований ГС, принадлежат к классу обратных задач подземной гидромеханики. Отличительной чертой задач, связанных с исследованием математических моделей реальных процессов фильтрации в пористых средах, является то, что характер исходной информации (кривые восстановления или падения давления, кривые стабилизации дебита) о пласте определяется возможностями промыслового эксперимента. Другим фактором, который необходимо учитывать при решении этих задач, является наличие погрешностей в экспериментальных данных.

В связи с этим, разработка и совершенствование техники, технологии и методики интерпретации гидродинамических исследований в ГС являются актуальными задачами подземной гидромеханики и нефтепромысловой практики для решения задач разработки нефтяных месторождений.

Цель работы. Разработка технологии проведения гидродинамических исследований в горизонтальных скважинах и методики интерпретации результатов ГДИ, повышающих точность и достоверность определяемых фильтрационных параметров пласта. 6.

Основные задачи исследований.

1. Совершенствование технологии проведения гидродинамических исследований в ГС комплексными контрольно-измерительными приборами, установленными в горизонтальной части ствола.

2. Разработка методик интерпретации результатов гидродинамических исследований ГС на основе методов математического моделирования, повышающих точность и достоверность определяемых фильтрационных параметров пласта.

3. Разработка способа выделения неоднородных по фильтрационным свойствам участков пласта вдоль горизонтальной части ствола на основе гидродинамических и термометрических исследований.

4. Совершенствование косвенных методов определения давления на забое механизированных ГС, вскрывших терригенные и карбонатные отложения среднего и нижнего карбона нефтяных месторождений Республики Татарстан.

Научная новизна работы.

1. Разработана новая методика интерпретации кривой восстановления (падения) давления в ГС на основе методов регуляризации. Она не требует, в отличие от графоаналитических методов, идентификации режимов потока, что повышает точность и достоверность определяемых фильтрационных параметров пласта.

2. Разработан способ измерения скорости звука в газе межтрубного пространства механизированных скважин на основе использования акустического резонатора, позволяющий существенно повысить точность определения глубины уровня жидкости в скважинах.

3. Предложен способ, повышающий точность определения плотности жидкости по стволу механизированных добывающих скважин на основе исследований комплексом «влагомер-манометр». 7.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработана технология проведения гидродинамических исследований в горизонтальных скважинах, которая позволяет выводить скважины на установившийся режим работы, доставлять контрольно — измерительную аппаратуру в любой участок горизонтальной части ствола, в том числе при зенитных углах более 45 градусов.

2. Создан и внедрен в ОАО «Татнефть» комплекс программ для интерпретации ГДИ в ГС.

3. Создано и внедрено устройство на основе использования акустического резонатора для измерения скорости звука в газе межтрубного пространства механизированных добывающих скважин, позволяющее существенно повысить точность определения глубины уровня жидкости в скважинах.

4. Разработана и внедрена в ОАО «Татнефть» «Инструкция по исследованию насосных скважин волнометрированием» .

5. Экономический эффект в условиях Республики Татарстан от предложенной технологии проведения одного ГДИ в горизонтальной скважине составляет 45 тысяч рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре «Опыт организации и проведения исследований механизированного фонда скважин при контроле за разработкой» (Москва, 1988), на научных семинарах лаборатории подземной гидродинамики и на научных семинарах Казанского научного центра РАН (Казань, 1995;2001), на научно-практической конференции, посвященной 50-летию открытия девонской нефти Ромашкинского месторождения (Лениногорск, 1998), на семинаре-дискуссии «ГС: бурение, эксплуатация, исследование» (Актюба, 1999), на семинаре «Геология и проблемы разработки месторождений углеводородов» (Уфа, 2001), на научно-практической конференции «Актуальные задачи выявления и реализации 8 потенциальных возможностей горизонтальных технологий нефтеизвлече-ния» (Казань, 2001), на VIII Четаевской Международной конференции (Казань, 2002).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 3 монографиях, 11 печатных работах, одном свидетельстве РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы, включая 16 таблиц, 65 рисунков, 149 страниц машинописного текста.

3.5. Выводы.

1. Разработана и внедрена новая методика интерпретации результатов ГДИ в ГС на основе методов регуляризации. Она позволяет оценить горизонтальную и вертикальную проницаемости пласта. Этот подход не требует, в отличие от графоаналитических методов, идентификации режимов потока. Применение предложенной методики повышает точность и достоверность определяемых параметров.

2. Апробирование регуляризирующего алгоритма на модельных задачах показало, что при реальном уровне погрешностей входных данных (2−3%) этот алгоритм дает приближение к искомой модели с достаточной для практики точностью (5−7%).

3. Обработка результатов ГДИ в ГС 1947 показала, что значения вертикальной и горизонтальной проницаемости имеют один порядок. Оценки коэффициентов подвижности, полученные по кривой откачки, кривой стабилизации дебита, кривой восстановления давления хорошо согласуются. Это подтверждает эффективность предложенной методики.

4. Оценки коэффициентов подвижности, полученные в результате обработки данных ГДИ в ГС 13 473, указывают на слоистую неоднородность эксплуатируемого объекта. Это подтверждается геофизическими данными, полученными по близлежащей вертикальной скважине 13 478.

Глава 4.

Интерпретация гидродинамических исследований, зарегистрированных в различных точках ствола ГС.

В настоящей главе рассматриваются задачи интерпретации кривых восстановления (падения) давления в ГС снятых одновременно несколькими манометрами, установленными на разных участках горизонтальной части ствола. Для решения этой задачи используется математическая модель ГС, предложенная академиком П. Я. Кочиной [68]. Решение этой задачи позволяет определить фильтрационные параметры пласта вдоль горизонтальной части ствола ГС.

4.1. Постановка обратной задачи.

Предположим, что в N точках ствола скважины с координатами (xj, yi,), i = l, N, установлены манометры и фиксируется изменение давления по времени:

Pi0″) = P (xi> yi’zi, г) = fi {г), i =, N. (4.1).

Обратная задача ставится следующим образом: найти оценку коэффициента подвижности kjpi, исходя из минимума функционала.

N Т.

Z i=1 О.

4.2) где fi® — наблюдаемые и Р}{т) — вычисленные давления, когда процесс фильтрации в пористой среде описывается дифференциальным уравнением: д дх к др ¦ д к др y/ddx) дур, ду при следующих начальном ¦ д Hz к др /л dz^ /?*—, О.

4.3).

99 p (x, y, z, 0) = p0(x, y, z).

4.4) и граничных условиях:

4.5).

Рх=0 = Рк, РХ=А = Рк, р =0 = Рк, Р.

4.6).

4.7).

Js /и СП.

4.2. Метод решения обратной задачи.

Необходимо восстановить параметр kj ju из условия минимума невязки (4.2) при ограничениях (4.3)-(4.7). Обратная задача (4.2), (4.3)-(4.7) является некорректно поставленной. Решение некорректно поставленных задач становится устойчивым, если на множество допустимых решений наложить некоторые дополнительные ограничения. Поэтому оценку коэффициента подвижности будем искать в классе кусочно-постоянных функций. Для этого введем в рассмотрение слои Vh i = 1, N, границы которых проходят между точками установки манометров. Тогда.

Схему пласта можно представить в виде (рис. 4.1):

Рис. 4.1. Схема пласта.

Для решения обратной задачи используется подход, изложенный в [3, 4], основанный на использовании регуляризирующих градиентных алгоритмов. Формула для градиента целевого функционала получается при переходе от задачи минимизации (4.2), при ограничениях (4.3)-(4.7), к задаче безусловной минимизации при помощи функционала Лагранжа:

NT Т /. я л 2.

МО.

OF dp ъ dVdt J где y/{x, y, z, t) -неопределенный множитель ЛагранжаV = —/н—jA—к дх ду dz оператор градиента в трехмерном случае.

При выполнении условий прямой задачи (4.3)-(4.7) функционалы J и Ф совпадают. Необходимым условием стационарности функционала (4.2) является равенство нулю его первой вариации [22, 23]: <5Ф = 0.

Учитывая это условие, переходим к системе уравнений, определяющей сопряженную краевую задачу: ур) dt.

4.8).

101 дуг аГ о z=0 ду/ уА ft=0,H =0,кЛ. =0,1¹ =0 r lx=0 тх=а r у=0 rlv=o.

4.10).

4.11).

4.12).

Выражение для вариации функционала имеет вид: Г.

SJ = -1 [(v yNp) SsdVdt, OF.

4.13) где s = к/ /и.

Формулы для вычисления составляющих градиента функционала имеют соответственно вид: Т.

J’S/ = - J J (V yNp) dVdt, i — l, N.

0 V,.

4.14).

Итерационный алгоритм решения обратной задачи строится на основе метода наискорейшего спуска: л+1 п s'{" = Sj +0CiJrs, i =, N,.

4.15) где ar параметр спуска, который вычисляется из условия minj[sf + <2j J’s а,.

Итерационный процесс строится следующим образом: задается начальное приближение искомого параметра и решается прямая задача (4.3)-(4.7).

Последовательно для каждого /, i =, N по рассчитанному полю давлений, после решения сопряженной задачи (4.8)-(4.12), вычисляется соответствую.

102 щая составляющая градиента целевого функционала (4.2). Затем вычисляется величина параметра спуска и из соотношения (4.15) находится новое приближение. Остановка итерационного процесса осуществляется по «слипанию» искомого решения на двух соседних итерациях, т. е. где? — наперед заданная величина. В расчетах она принималась равной 10″ 6.

4.3. Тестирование предложенного алгоритма на модельных задачах.

На модельных задачах исследуется сходимость предложенного вычислительного алгоритма в зависимости от начального приближения, от погрешности исходной информации.

Рассматривается модельный неоднородный пласт (рис. 4.2) со следующими данными: длина пласта 510 мширина пласта 400 мвысота пласта 35 м длина горизонтальной части ствола скважины 310 жпластовое давление 3,135 МПадебит до остановки скважины 8,9 м! сут упругоемкость пласта (5 =210″ /МПа время исследования после остановки скважины Т= 1 сут количество измерений забойных давлений — 28- значения коэффициента к//л равны, соответственно: для первой зоны 0,01.

2 2 мкм /мПа-с, для второй зоны 0,004 мкм /мПа-с, для третьей зоны 0,014.

2 2 мкм /мПа-с, для четвертой зоны 0,006 мкм /мПа-с. Расположение глубинных манометров показано на рис. 4.2. Приток флюида к стволу ГС предполагается равномерным.

На основе этих данных решается прямая задача и вычисляются четыре кривые восстановления давления в зонах расположения приборов (рис 4.3). Далее, используя в качестве исходной информации вычисленные КВД, решается обратная задача. Результаты сходимости итерационного процесса приводятся в табл.4.1.

Пр. 1 (mi=10 м) Пр. 2 (ш2=40 М) Пр. З (т3=230 м) Пр. 4 (т4=300 м).

130 м I 100 Л! II 160 м III Шм IV.

Рис. 4.2. Модельный неоднородный пласт, глубинные манометры.

Рис. 4.3. Модельные KB Д. Кривые I-IV — КВД, вычисленные в зонах расположения приборов 1 -4.

Заключение

.

1. Разработана и внедрена новая технология проведения гидродинамических исследований в механизированных добывающих ГС автономными комплексными контрольно-измерительными приборами. Она позволяет доставлять контрольно-измерительную аппаратуру в любой участок горизонтальной части ствола ГС, выводить скважину на установившейся режим работы.

2. Разработана и внедрена новая методика интерпретации результатов гидродинамических исследований в ГС на основе методов регуляризации. Она позволяет оценивать горизонтальную и вертикальную проницаемости пласта. Этот подход не требует, в отличии от графоаналитических методов, идентификации режимов потоков. Применение предложенной методики повышает точность и достоверность определяемых фильтрационных параметров.

3. Разработана и внедрена методика интерпретации кривых восстановления (падения) давления в ГС на основе методов регуляризации, снятых одновременно несколькими манометрами, установленными на разных участках горизонтальной части ствола ГС. Методика позволяет оценивать неоднородность фильтрационных параметров пласта по длине горизонтальной части ГС.

4. Для определения давления по измеренному в скважине уровню жидкости разработаны и внедрены способы:

— измерения скорости звука в газе межтрубного пространства на основе использования акустического резонатора;

— определения плотности жидкости по стволу добывающих скважин на основе исследований комплексом «влагомер-манометр».