Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка физико-математической модели процесса освоения скважин с помощью УЭЦН

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Разработка физико-математической модели процесса освоения скважин с помощью УЭЦН"

На правах рукописи УДК 622.323

МАЛЬЦЕВ НИКИТА ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН С ПОМОЩЬЮ УЭЦН

Специальность: 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005059021

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель: Мищенко Игорь Тихонович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Ермолаев Александр Иосифович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Вольпин Сергей Григорьевич,

кандидат технических наук, директор научного центра гидродинамических исследований «ИНФОРМПЛАСТ» Открытого Акционерного Общества «Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт имени академика А.П. Крылова» (ОАО «ВНИИнефть»)

Ведущая организация: Институт проблем нефти и газа Российской

академии наук (ИПНГ РАН), г. Москва

Защита состоится «07» июня 2013 г. в 10-00 часов в конференц-зале на заседании Диссертационного совета Д 222.006.01 ВАК Минобрнауки РФ при ОАО «Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт имени академика А.П. Крылова» (ОАО «ВНИИнефть») по адресу: 127422, г. Москва, Дмитровский проезд, д. 10.

Автореферат размещен на интернет-сайтах Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru «24» апреля 2013 г. и ОАО «ВНИИнефть» http://www.vniineft.ru «22» апреля 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИнефть».

Автореферат разослан «27» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /и/ _

доктор технических наук, профессор ///¡/г // Э.М. Симкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Освоение скважины — комплекс технологических и организационных мероприятий, направленных на перевод простаивающей по той или иной причине скважины в разряд действующих. Выводом скважин на установившийся режим эксплуатации принято называть процесс освоения скважин, в частности, оборудованных установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), после бурения, текущего или капитального ремонта.

При выводе скважины на режим существуют значительные риски выхода УЭЦН из строя и ухудшения ресурсных возможностей погружного оборудования. Связано это со следующими особенностями:

1. В начальный период освоения может отсутствовать приток жидкости из пласта в скважину. В связи с этим, значительная часть тепловой энергии, выделяющейся при работе погружного электродвигателя (ПЭД) в составе УЭЦН, расходуется на его нагрев. Современные асинхронные ПЭД обычного исполнения, используемые в составе УЭЦН, возможно эксплуатировать при температурах до 120 °С, высокотермостойкого исполнения — до 150 "С. При длительной работе подобных электродвигателей в скважине в условиях недостаточного охлаждения возникает риск их перегрева и выхода УЭЦН из строя.

Данный факт осложняется тем, что измерение температуры ПЭД при выводе скважины на режим возможно только при наличии в составе УЭЦН специальных глубинных датчиков. В случае отсутствия подобных датчиков, во время освоения скважины необходимо непрерывно осуществлять контроль скорости потока скважинных флюидов, охлаждающих ПЭД, что также проблематично ввиду отсутствия распространенных методик расчета притока жидкости в скважину при нестационарных процессах.

С целью предотвращения перегрева ПЭД установку периодически останавливают на охлаждение, после чего производится ее повторный пуск. В данном случае, кроме увеличения времени вывода скважины на режим, происходит также и снижение ресурса УЭЦН. Связано это с тем, что

многократные пуски насосной установки вследствие высоких значений пусковых токов асинхронного ПЭД приводят к снижению наработки УЭЦН на отказ и, соответственно, к уменьшению межремонтного периода работы скважины. Данный факт приводит к увеличению затрат компаний на проведение ремонтных работ по смене вышедшей из строя насосной установки и к уменьшению коэффициента эксплуатации скважины.

2. Еще одним фактором, осложняющим процедуру вывода скважины на режим, является наличие в откачиваемой насосом смеси свободного газа. В зависимости от газосодержания откачиваемой смеси характеристики ЭЦН могут существенно изменяться. В связи с этим, в процессе пуска скважин с высоким газовым фактором в определенных условиях возможен срыв подачи ЭЦН и выход из строя насосной установки. Зачастую при невозможности освоения подобных скважин в состав УЭЦН вводятся специальные устройства, уменьшающие негативное влияние свободного газа на характеристики насоса, что иногда значительно увеличивает стоимость насосной установки.

3. При освоении скважин, эксплуатирующих залежи со слабосцементированным коллектором, либо скважин после проведения гидроразрыва пласта (ГРП) важно не допускать резкого изменения забойного давления в начальный период вывода скважины на режим. При несоблюдении данного условия возникает большой риск попадания в ЭЦН значительного количества механических примесей, что также может привести к выходу насосной установки из строя.

Помимо перечисленных сложностей, в настоящее время ограничены и возможности управления процессом освоения скважин, оборудованных УЭЦН. В настоящее время регулирование процесса вывода скважины на режим возможно только с помощью двух операций: пуск — отключение УЭЦН и изменение частоты питающего тока электродвигателя. Регулирование частоты питающего тока установки, а соответственно, и частоты вращения вала электродвигателя, возможно при наличии в составе станции управления частотного преобразователя либо при использовании в качестве

электропривода УЭЦН вентильного двигателя. Однако, в настоящее время нет однозначности при решении вопросов: «с какой частотой вращения вала электродвигателя предпочтительнее производить вывод скважины на режим?» и «возможно ли сократить количество пусков УЭЦН при освоении скважины?». Очевидно, что решение данных задач сильно зависит от особенностей эксплуатации каждой скважины. Однако, в настоящее время даже для условий эксплуатации конкретной скважины ответить на поставленные вопросы затруднительно.

Таким образом, вывод скважины на режим — это комплекс важнейших технологических процедур, связанный с определенными рисками потери работоспособности УЭЦН. Верные инженерно-технологические решения в данном процессе должны обеспечить последующую стабильную работу УЭЦН в скважине без потери ресурсных возможностей погружного оборудования.

Однако, несмотря на большую значимость описываемого процесса, в настоящее время возможности планирования работ по пуску скважины не всегда используются на практике. В связи с этим, процесс вывода скважины на режим иногда затягивается во времени, количество пусков и отключений УЭЦН увеличивается, что ведет к снижению наработки оборудования на отказ и завышенному расходу электроэнергии. Также ввиду неполного и неэффективного планирования данных работ, сокращается возможность оптимизации рассматриваемого процесса: сокращение времени вывода скважины на режим, уменьшение потребления электроэнергии при пуске установки, либо неснижение гарантированного ресурса УЭЦН.

Несмотря на явный интерес к обозначенной теме промысловых работников в некоторых нефтедобывающих регионах, данной проблеме в настоящее время уделяется недостаточно внимания со стороны отраслевой науки.

Для обеспечения возможности планирования работ по выводу скважин, оборудованных УЭЦН, на установившийся режим работы в диссертации рассмотрена физико-математическая модель системы «пласт — скважина —

погружное оборудование», позволяющая прогнозировать изменение во времени основных технологических параметров работы скважины при ее освоении.

Иными словами, в работе рассмотрена разработка физико-математической модели процесса вывода скважины на режим. После внесения в нее исходных данных и сценарных условий (времени остановок и пусков УЭЦН, частоты вращения вала электродвигателя в различные интервалы времени) с помощью модели рассчитывается «поведение скважины» при ее освоении. Т.е. рассчитывается изменение во времени основных технологических параметров работы скважин, таких как давление на приеме УЭЦН, забойное давление, динамический уровень жидкости в затрубном пространстве, приток жидкости из пласта в единицу времени и пр.

Исходя из вышесказанного, сформулированы цель и основные задачи исследований.

Цель работы — создание физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей скважины с помощью УЭЦН для обеспечения возможности оптимизации процесса вывода скважины на установившийся режим работы в конкретных геолого-физических условиях.

Основные задачи исследований

1. Построение физико-математической модели нестационарной работы основных элементов добывающей системы с УЭЦН при выводе ее на установившийся режим работы.

2. Разработка методики расчета характеристик ЭЦН, работающего на вязких газожидкостных смесях.

3. Оценка условий применимости разработанной физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей системы с помощью УЭЦН.

4. Промысловая апробация созданной физико-математической модели процесса вывода скважины, оборудованной УЭЦН, на установившийся режим эксплуатации.

Научная новизна

Разработана физико-математическая модель системы «пласт — скважина — УЭЦН», позволяющая производить расчеты основных технологических параметров скважинной системы при ее нестационарной работе.

Основные защищаемые положения

1. Физико-математическая модель добывающей системы, позволяющая прогнозировать изменение основных технологических параметров работы данной системы при ее нестационарной эксплуатации.

2. Методика расчета изменения характеристик ЭЦН при его работе на вязких газожидкостных смесях.

3. Результаты промысловой апробации разработанной физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей системы.

Практическая ценность работы

1. Созданная физико-математическая модель расчета процессов вызова притока, освоения и вывода на режим скважин, оборудованных УЭЦН, позволяет сократить время освоения скважин, спрогнозировать оптимальную стратегию пуска добывающей системы в работу еще перед спуском в скважину глубиннонасосного оборудования.

2. Физико-математическая модель добывающей системы позволяет производить интерпретацию процесса освоения скважины как гидродинамического исследования методом снятия кривых падения давления (уровня), в результате чего определяются геолого-промысловые характеристики дренируемого скважиной пласта и насыщающих его флюидов.

3. Разработана методика аналитического расчета изменения характеристик ЭЦН при его работе на вязких газожидкостных смесях для повышения точности расчетов, производимых с использованием созданной физико-математической модели. Данная методика также применима для проведения расчетов при выборе способа эксплуатации скважины, подборе глубиннонасосного оборудования и анализе эффективности работы скважин, оборудованных УЭЦН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы апробированы в промысловых условиях при выводе' на режим пяти скважин ОАО «РИТЭК». Также результаты исследований и основные положения представлены в виде докладов на конкурсе на лучшую научно-техническую разработку молодых ученых и специалистов ОАО «РИТЭК», 2011 г. (г. Волгоград) и на научно-практической конференции, посвященной 20-летию компании ОАО «РИТЭК», 2012 г. (г. Москва). Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Публикации

По результатам выполненных научных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна работа в материалах научной конференции и 6 научных статей в периодических научных и научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Общий объем работы составляет 134 страницы печатного текста, в том числе 6 таблиц, 30 рисунков. Список литературы включает 46 источников.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю И.Т. Мищенко за плодотворные идеи, ценные советы и внимание в процессе работы над диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность М.А. Мохову, В.И. Кокореву, В.И. Дарищеву, A.B. Клявлину, Е.А. Васильеву, К.А. Щекодцину, Д.В. Мальцевой, сотрудникам кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина и другим за неоценимую помощь в подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, определены основные задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы защищаемые положения.

Отмечена необходимость совершенствования процесса вывода скважины на режим и необходимость использования последних достижений науки и техники для обеспечения стабильной работы погружного оборудования в скважине в течение длительного времени. В целях вовлечения в процесс освоения скважин, оборудованных УЭЦН, актуальных научных наработок, предложено создание физико-математической модели процесса вывода скважины на режим. Также во введении обозначены некоторые возможные области применения данной модели на практике.

В первой главе приведен анализ современного состояния работ по выводу скважины установкой ЭЦН на установившийся режим работы. В результате проведения данного анализа отмечено, что, несмотря на некоторое количество публикаций по изучаемому вопросу, в силу объективных причин не представляется возможным выполнить полный анализ данных работ. Во-первых, это связано с тем, что публикации относятся к закодированным программным комплексам, например, «SubPUMP», «WellFlo», «Perform», «PIPESIM», «NovometSel-Pro» и др. Во-вторых, невозможно проанализировать и оценить физико-математические модели, лежащие в основе известных программных комплексов. Наконец, в-третьих, исходная информация, используемая в них, различается, иногда существенно, чго нередко приводит к конечным результатам их применения на практике, различающимся между собой. В этих условиях объективный вывод об их точности и адекватности не всегда возможен.

Поэтому обоснован и предложен унифицированный перечень исходных данных, который может использоваться в различных программных комплексах, а также для решения поставленной задачи по созданию физико-математической

модели нестационарной работы добывающей системы с использованием УЭЦН.

Также проведена оценка погрешностей, возникающих при принятии некоторых допущений, связанных с уменьшением количества исходных данных при моделировании процесса освоения скважины.

В результате выполнения анализа современного состояния работ по выводу скважины установкой ЭЦН на установившийся режим работы сформулирована цель и основные задачи исследований, которые приведены выше.

кабель

Рисунок 1 - Схема добывающей системы: 1 - вода; 2 — нефть; 3 - газ

Во второй главе подробно описан объект исследований — добывающая система и ее основные элементы. Под добывающей системой понимается совокупность следующих основных элементов (рисунок 1):

- призабойная зона скважины (пласт);

- скважина;

- установка ЭЦН.

Очевидно, что скважина, в свою очередь, состоит из нескольких подэлементов (участок от забоя до приема погружного оборудования; область приема погружного оборудования; затрубное пространство), равно как и установка ЭЦН (погружной электродвигатель; многоступенчатый центробежный насос; иногда - газосепаратор; подъемник).

Рассмотрены некоторые особенности установившейся работы добывающей системы и ее элементов, после чего приведены возможные варианты ее исходного состояния. Под исходным состоянием добывающей системы понимается остановленная скважина, подготовленная к пуску УЭЦН в работу, после проведения текущего или капитального ремонта. При этом приток пластовой жидкости в скважину отсутствует, уровень жидкости в затрубном пространстве не изменяется, процесс гравитационного разделения фаз завершен, эксплуатационная колонна герметична, заколонные перетоки жидкости отсутствуют.

В работе исследованы следующие возможные варианты исходного состояния добывающей системы:

1. Скважина не заглушена (рисунок 2 а). Данный вариант возможен в случае, если в области добывающей скважины низкое пластовое давление. В данном случае в скважине присутствует граница раздела «нефть-вода», расчет положения которой приведен далее (газ отсепарировался из жидкости).

2. Скважина заглушена путем полной замены жидкости в скважине на жидкость глушения с восстановлением циркуляции (рисунок 2 б). Этот вариант является наиболее распространенным. Глушение может проводиться как за один цикл с продавкой скважинной жидкости в интервале «забой — прием погружного оборудования» в пласт, так и за несколько циклов. После проведения подобных

операций в скважине находится только жидкость глушения, а границы раздела фаз отсутствуют.

а) о)

Рисунок 2 — Схемы рассматриваемых вариантов исходного состояния добывающей системы: а) скважина не заглушена; б) скважина заглушена путем полной замены жидкости в скважине на жидкость глушения (на воду).

Также предложен вариант расчета положения границ разделов флюидов и давлений в исходном состоянии добывающей системы. Рассмотрены принципиальные основы расчета характеристик ЭЦП при первом пуске насосного оборудования в скважине.

В третьей главе изложены основные принципы физико-математической модели технологических элементов добывающей системы.

Описано моделирование нестационарного притока жидкости в скважину в условиях отсутствия точного решения уравнения пьезопроводности с использованием итерационной процедуры расчета. При этом процесс освоения скважины рассматривается как квазистационарный (рисунок 3), а для расчета величины притока жидкости в скважину используется

приближенное решение уравнения пьезопроводности для условия постоянного на рассматриваемом интервале расчета дебита скважины.

О к м</ сут

Остановка УЗЦН

300 бремя, мин

Рисунок 3 — График изменения расчетной величины притока жидкости из пласта во времени

Далее приведена методика расчета некоторых технологических характеристик на первом после пуска УЭЦН временном интервале расчета.

Рассмотрен вариант расчета положения границы «продукция скважины - вода» в интервале «забой - прием УЭЦН». Расчет основан на определении объема накопленной добычи нефти на забое скважины с последующим сравнением данного объема с максимальным объемом нефти, который может находиться в скважине при условии, что граница «продукция скважины -вода» поднялась до уровня приема УЭЦН.

Предложен способ оценки коэффициента сепарации газа на приеме УЭЦН с учетом наличия в составе насосной установки газосепаратора, а также способ расчета температурного режима работы ПЭД и методика расчета

давления на выкиде ЭЦН в условиях нестационарности протекающих процессов.

В четвертой главе изложена разработанная методология прогнозирования характеристик ЭЦН при откачке вязких газожидкостных смесей. В основе данной методологии лежат исследования влияния вязкости и газосодержания откачиваемых водонефтяных эмульсий на характеристики работы центробежного насоса, выполненные И.М. Муравьевым и И.Т. Мищенко'. Отмечено, что приведенная методика может быть рекомендована для оценки изменения характеристик ЭЦН, если величина входного в насос газосодержания смеси с учетом сепарации газа не превышает 0,1.

Для проверки точности проведенных расчетов по разработанной методике выполнена оценка изменения характеристик насоса ЭЦН5-80-800 при перекачке вязких газожидкостных смесей, после чего результаты аналитических расчетов сопоставлены с экспериментальными данными, полученными М.Г. Минигазимовым и А.Г. Шариповым2, отличающимися высокой точностью. Основные результаты опытов в сравнении с рассчитанными по методике характеристиками ЭЦН5-80-800 представлены на рисунках 4 — 9.

Из рисунков 4-9 можно сделать вывод, что результаты оценки характеристик ЭЦН5-80-800, выполненной по разработанной методике, при газосодержаниях на входе в насос не более 0,1 в области подач (0,5^1,25) дн опт имеют достаточное для поставленной задачи совпадение с экспериментальными данными, полученными М.Г. Минигазимовым и А.Г. Шариповым. Таким образом, разработанная физико-математическая модель прогнозирования характеристик ЭЦН при откачке вязких

1 Муравьев И.М., Мищенко И.Т. Эксплуатация погружных центробежных электронасосов в вязких жидкостях и газожидкостных смесях. — М.: Недра, 1969. - 248 с.

2 Минигазимов М.Г. Шарипов А.Г. Исследование влияния газа на работу погружного центробежного насоса ЭЦН5-80-800 // Нефтепромысловое дело. - № 7. - 1968. - С. 34 - 38.

60 70 80 90 100

Подача ЭЦН, мл/суг

Рисунок 4 - Напорная характеристика ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 7,1 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

■ - экспериментальные данные

Подачи ЭЦН, м*/суг

Рисунок 5 - Напорная характеристика ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 6,2 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

• - экспериментальные данные

50 60 70 «0 У0 100 ПО

Подача ЭЦН. м'/суг

Рисунок 6 - Напорная характеристика ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 5,2 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

• - экспериментальные данные

а 14 ■х

|,2

д 14 ■х

1

В 12

С 9

Подача ЭЦН, »Асут

Рисунок 7 - Характеристика д-М насоса ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 7,1 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

• - экспериментальные данные

Подача ЭЦН, м^/сут

Рисунок 8 - Характеристика ц-Ы насоса ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 6,2 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

• - экспериментальные данные

Подача ЭЦН, мл/суг

Рисунок 9 - Характеристика д-Ы насоса ЭЦН5-80-800 при откачке вязкой ГЖС при давлении на входе в насос 5,2 МПа:

1 - паспортная характеристика;

2 - характеристика насоса, рассчитанная по разработанной методике;

♦ - экспериментальные данные

газожидкостных смесей (реальной продукции добывающих скважин) с достаточной на первом этапе точностью может применяться на практике.

В пятой главе приведены результаты практического использования разработанной модели при выводе скважин с УЭЦН на расчетный режим работы.

Приведен пример расчетов, выполненных на созданной физико-математической модели, при выводе на режим скважины № 9 Мирошниковского месторождения.

Оценены условия применимости разработанной модели нестационарной эксплуатации скважины. Установлено, что наилучшие результаты использования модели достигаются при соблюдении следующего условия:

где /лн — вязкость нефти в пластовых условиях, Па-с; — вязкость воды в пластовых условиях, Па-с; А; — относительная проницаемость дренируемого пласта по нефти, д.ед.; к-„ — относительная проницаемость дренируемого пласта по воде, д.ед.

Достаточно хорошие результаты можно получить при:

Отмечено, что модель применима при соблюдении следующих условиях:

1. Скважина эксплуатирует один однородный нефтяной пласт, продукция которого в пластовых условиях представлена только жидкой фазой.

2. Индикаторная диаграмма скважины в области забойных давлений от пластового до давления насыщения представлена прямой линией.

3. Забойное давление в скважине в любой момент времени больше давления насыщения нефти газом.

4. Входное газосодержание перекачиваемой насосом смеси после сепарации газа на приеме УЭЦН не превышает 0,1 в любой момент времени.

(1)

(2)

5. Перед пуском УЭЦН приток пластовой жидкости в скважину отсутствует, уровень жидкости в затрубном пространстве не изменяется, процесс гравитационного разделения фаз завершен, эксплуатационная колонна герметична, заколонные перетоки жидкости отсутствуют, колонна НКТ успешно опрессована скважинной жидкостью с помощью УЭЦН.

6. Режим работы погружного электродвигателя близок к оптимальному (КПД двигателя в любой момент времени можно считать максимальным).

С целью оценки точности расчетов, производимых на разработанной модели, проведена ее промысловая апробация. Модель испытана на месторождениях Волгоградской области (Мирошниковское, Котовское) и Западной Сибири (Восточно-Перевальное), разрабатываемых ОАО «РИТЭК». Апробация произведена путем сравнения изменения фактических параметров работы скважины в процессе вывода на режим с аналогичными расчетными величинами. Для адаптации расчетных параметров к истории вывода скважин на режим производилась настройка входного параметра 5 (скин-фактора призабойной зоны скважины) таким образом, чтобы расчетные зависимости изменения во времени динамического уровня, притока жидкости в скважину и давления на приеме УЭЦН максимально совпадали с фактически измеренными. После определения величины скин-фактора определялся коэффициент продуктивности скважины. Иными словами, была произведена интерпретация данных процесса вывода скважины на режим как нестационарного гидродинамического исследования скважины.

Результаты расчетов представлены на рисунках 10 - 17. Из представленных результатов следует, что математическая модель нестационарной эксплуатации скважины установками ЭЦН может быть рекомендована для прогнозирования изменения основных технологических параметров во время вывода скважины на режим и для интерпретации результатов вывода скважины на режим в качестве гидродинамического исследования скважины.

450 :......................;....................................450

400 -.......... .......................................... : ..... : ! 400

и■ " " " г

£• з» 1............ ' ..........................1

^ Ш я >и

« 300 Т....... ............. Г.......... ; ]............................ 300

5 100 Д \ /2' т \

ё 1» I........— ..... ;..........■ 1м 5

:оо . / :. . зоо 5

/\ /^

50 •/ \ /50

О • .... . ]............о

о 2 4 б 8 10 12 14

Вр«мя, час

Рисунок 10 - Графики изменения динамического уровня и притока жидкости из пласта во времени в процессе вывода на режим скважины № 9 Мирошниковского месторождения:

1 - расчетный динамический уровень Яд, м;

2 - расчетная величина притока скважинной продукции из пласта д, м3/сут; ■ - фактические замеры динамического уровня, м

35

Время, час

Рисунок 11 - Графики изменения давления на приеме УЭЦН и забойного давления во времени при выводе на режим скважины № 9 Мирошниковского месторождения: 1 - расчетная величина давления на приеме ЭЦН, МПа; 2 - расчетная величина забойного давления, МПа; ■ - фактическое значение давления на приеме УЭЦН, замеренное с помощью датчика ТМС, МПа

Ь 160 "Ьно

е

У^Г1 ■

—л ....... 1.....;................

\ I '

Время, час

Рисунок 12 - Графики изменения динамического уровня и притока жидкости из пласта во времени в процессе вывода на режим скважины № 92 Котовского месторождения: / - расчетный динамический уровень Яд, м; 2 - расчетная величина притока скважинной продукции из пласта м3/сут; о - фактические замеры динамического уровня, м

0,0

О I 4 б 8 10

Время, час

Рисунок 13 - Графики изменения давления на приеме УЭЦН и забойного давления во времени при выводе на режим скважины № 92 Котовского месторождения: 1 - расчетная величина давления на приеме ЭЦН, МПа; 2 - расчетная величина забойного давления, МПа; ■ - фактическое значение давления на приеме УЭЦН, замеренное с помощью датчика ТМС, МПа

■ о

2000 1800 1600 N00 1200 1000 '

Время, пне

Рисунок 14 - Графики изменения динамического уровня и притока жидкости из пласта во времени в процессе вывода на режим скважины № 775 В.-Перевального месторождения:

1 — расчетный динамический уровень #д, м;

2 - расчетная величина притока скважинной продукции из пласта q, м3/сут; ■ - фактические замеры динамического уровня, м

Вр«мя, ЧИС

Рисунок 15 - Графики изменения давления на приеме УЭЦН и забойного давления во времени при выводе на режим скважины № 775 В.-Перевального месторождения: 1 - расчетная величина давления на приеме ЭЦН, МПа; 2 - расчетная величина забойного давления, МПа; ■ - фактическое значение давления на приеме УЭЦН, замеренное с помощью датчика ТМС, МПа

Время, час

Рисунок 16 - Графики изменения динамического уровня и притока жидкости из пласта во времени в процессе вывода на режим скважины № 410 В.-Перевального месторождения:

1 - расчетный динамический уровень Яд, м;

2 - расчетная величина притока скважинной продукции из пласта д м3/сут; о - фактические замеры динамического уровня, м

I

I

1200 Т.

Время, час

Рисунок 17 - Графики изменения динамического уровня и притока жидкости из пласта во времени в процессе вывода на режим скважины № 796 В.-Перевального месторождения:

1 - расчетный динамический уровень ЯД) м;

2 - расчетная величина притока скважинной продукции из пласта д м3/суг; ■ - фактические замеры динамического уровня, м

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Построена физико-математическая модель нестационарной эксплуатации добывающей скважины с помощью УЭЦН, которая может быть использована для оптимизации процесса вывода скважины на установившийся режим работы либо для интерпретации данного процесса как гидродинамического исследования скважины методом снятия кривых падения давления (уровня).

2. Создана методика расчета характеристик ЭЦН, работающего на вязких газожидкостных смесях, используемая в общей физико-математической модели исследуемой системы, что расширяет возможности модели и границы ее применения.

3. Выполнена оценка условий применимости и точности разработанной физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей системы с УЭЦН с целью обоснования рекомендаций по использованию данной модели для расчета процесса вывода скважины на установившийся режим работы в конкретных геолого-физических условиях.

4. На пяти скважинах ОАО «РИТЭК», оборудованных УЭЦН, проведена промысловая апробация созданной физико-математической модели процесса вывода скважины на установившийся режим эксплуатации. В ходе практического использования модели определены коэффициенты продуктивности исследуемых скважин и средняя величина пластового давления в области дренирования данных скважин. В результате проведения промысловых испытаний ОАО «РИТЭК» принято решение о целесообразности использования созданной физико-математической модели для расчета процесса вывода скважины на установившийся режим работы.

Основные положения диссертационной работы изложены в

следующих публикациях:

1. Мальцев Н.В. Прогнозирование изменения параметров работы скважины при выводе на режим // Нефть, газ и бизнес. - 2012. — № 8. - С. 72 - 75.

2. Мальцев Н.В. Оценка некоторых характеристик, расчет давлений и расположения границ раздела флюидов при моделировании процесса вывода скважины на режим // Нефть, газ и бизнес. — 2012. - № 9. — С. 75 — 79.

3. Мальцев Н.В. Моделирование нестационарного притока жидкости в скважину // Нефть, газ и бизнес. — 2012. — № 10. — С. 75 — 77.

4. Мальцев Н.В. Оценка коэффициента сепарации свободного газа на приеме погружного оборудования и температурного режима работы погружного двигателя (во время вывода скважины на установившийся режим эксплуатации) // Нефть, газ и бизнес. - 2012. - № 11. — С. 76-79.

5. Мищенко И.Т., Кокорев В.И., Мальцев Н.В. Методика расчета характеристик УЭЦН при перекачке вязких газожидкостных смесей (часть 1) // Нефть, газ и бизнес. - 2012. - № 12. - С. 68 - 71.

6. Мищенко И.Т., Кокорев В.И., Мальцев Н.В. Методика расчета характеристик УЭЦН при перекачке вязких газожидкостных смесей (продолжение) // Нефть, газ и бизнес. — 2013. — № 1. — С. 62 — 65.

7. Мальцев Н.В. Прогнозирование изменения параметров работы скважины при выводе на режим // Молодежь и инновационное развитие РИТЭКа. — М., 2012.-С. 83-90.

Аспирант

//

.У

Мальцев Н.В.

Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 196

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мальцев, Никита Валерьевич, Москва

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

ФАКУЛЬТЕТ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАФЕДРА РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

04201356965

На правах рукописи

МАЛЬЦЕВ Никита Валерьевич

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН С ПОМОЩЬЮ УЭЦН

Специальность:

00.17 - «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., проф. Мищенко И.Т.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................ 5

ГЛАВА 1. Современное состояние работ по выводу скважины установкой

ЭЦН на установившийся режим работы......................................... 13

1.1. Особенности известных исследований (программных комплексов) ....................................................................................... 13

1.1.1. Программные комплексы для дизайна систем механизированной добычи нефти компании БсЫитЬе^ег........... 13

1.1.2. Программные комплексы подбора погружного оборудования для эксплуатации скважин................................................................ 15

1.1.3. Программа подбора погружных установок и оптимизации системы «пласт-скважина-установка» «Коуоп^8е1-Рго»............. 16

1.1.4. Математическая модель вывода скважины на установившийся режим работы, созданная компанией «СИАМ»............................. 17

1.2. Основные исходные данные для создаваемой модели.................. 20

1.3. Оценка некоторых характеристик, используемых в модели......... 22

1 .4. Постановка задач исследования....................................................... 27

ГЛАВА 2. Добывающая система и ее основные элементы.............................. 29

2.1. Описание работы добывающей системы перед ее остановкой..... 29

2.2. Варианты исходного состояния остановленной добывающей системы............................................................................................... 33

2.3. Расчет объемов жидкостей и положения границ их раздела в исходном состоянии добывающей системы................................... 36

2.4. Расчет давлений в исходном состоянии добывающей системы ... 40

2.5. Принципиальные основы расчета характеристик работы ЭЦН

на первом после пуска интервале времени..................................... 43

ГЛАВА 3. Разработка физико-математической модели технологических

элементов добывающей системы..................................................... 46

3.1. Моделирование нестационарного притока жидкости в скважину 46

3.2. Расчет некоторых технологических характеристик на первом интервале времени............................................................................. 50

3.2.1. Расчет состава перекачиваемой смеси в первом приближении.... 50

3.2.2. Расчет давления на приеме УЭЦН и забойного давления............. 51

3.2.3. Расчет обводненности продукции скважины и объемного коэффициента нефти......................................................................... 53

3.2.4. Расчет баланса объемов флюидов.................................................... 59

3.2.5. Оценка коэффициента сепарации газа на приеме УЭЦН.............. 63

3.3. Оценка температурного режима погружного двигателя............... 67

3.4. Расчет давления на выходе ЭЦН...................................................... 70

ГЛАВА 4. Прогнозирование характеристик ЭЦН при откачке вязких

газожидкостных смесей.................................................................... 75

4.1. Основные исходные данные............................................................. 75

4.2. Оценка влияния вязкости водонефтяных эмульсий на характеристики ЭЦН......................................................................... 80

4.3. Оценка влияния свободного газа на характеристики ЭЦН........... 82

4.4. Методология расчета характеристик ЭЦН, работающего на вязких газожидкостных смесях........................................................ 84

4.5. Проверка расчетной методики прогнозирования характеристик ЭЦН..................................................................................................... 91

ГЛАВА 5. Практическое использование разработанной модели при выводе

скважин с УЭЦН на расчетный режим работы............................... 100

5.1. Краткая характеристика скважины № 9 Мирошниковского месторождения................................................................................... 101

5.2. Исходные фактические данные, используемые в модели при расчете вывода на режим скважины № 9 Мирошниковского месторождения................................................................................... 102

5.3. Пример расчета вывода на режим скважины

№ 9 Мирошниковского месторождения на созданной модели..... 104

5.4. Оценка условий применимости физико-математической модели 110

5.5. Промысловая апробация физико-математической модели........... 114

ЗАКЛЮЧНИЕ.................................................................................... 127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................ 128

ПРИЛОЖЕНИЕ!............................................................................... 133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Освоение скважины - комплекс технологических и организационных мероприятий, направленных на перевод простаивающей по той или иной причине скважины в разряд действующих. Выводом скважин на установившийся режим эксплуатации принято называть процесс освоения скважин, в частности, оборудованных установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), после бурения, текущего или капитального ремонта.

При выводе скважины на режим существуют значительные риски выхода УЭЦН из строя и ухудшения ресурсных возможностей погружного оборудования. Связано это со следующими особенностями:

1. В начальный период освоения может отсутствовать приток жидкости из пласта в скважину. В связи с этим, значительная часть тепловой энергии, выделяющейся при работе погружного электродвигателя (ПЭД) в составе УЭЦН, расходуется на его нагрев. Современные асинхронные ПЭД обычного исполнения, используемые в составе УЭЦН, возможно эксплуатировать при температурах до 120 °С, высокотермостойкого исполнения - до 150 °С [1-3]. При длительной работе подобных электродвигателей в скважине в условиях недостаточного охлаждения возникает риск их перегрева и выхода УЭЦН из строя.

Данный факт осложняется тем, что измерение температуры ПЭД при выводе скважины на режим возможно только при наличии в составе УЭЦН специальных глубинных датчиков [4]. В случае отсутствия подобных датчиков, во время освоения скважины необходимо непрерывно осуществлять контроль скорости потока скважинных флюидов, охлаждающих ПЭД, что также проблематично ввиду отсутствия распространенных методик расчета притока жидкости в скважину при нестационарных процессах.

С целью предотвращения перегрева ПЭД установку периодически останавливают на охлаждение, после чего производится ее повторный пуск.

5

В данном случае, кроме увеличения времени вывода скважины на режим, происходит также и снижение ресурса УЭЦН. Связано это с тем, что многократные пуски насосной установки вследствие высоких значений пусковых токов асинхронного ПЭД приводят к снижению наработки УЭЦН на отказ [5] и, соответственно, к уменьшению межремонтного периода работы скважины. Данный факт приводит к увеличению затрат компаний на проведение ремонтных работ по смене вышедшей из строя насосной установки и к уменьшению коэффициента эксплуатации скважины.

2. Еще одним фактором, осложняющим процедуру вывода скважины на режим, является наличие в откачиваемой насосом смеси свободного газа. В зависимости от газосодержания откачиваемой смеси характеристики ЭЦН могут существенно изменяться [6]. В связи с этим, в процессе пуска скважин с высоким газовым фактором в определенных условиях возможен срыв подачи ЭЦН и выход из строя насосной установки. Зачастую при невозможности освоения подобных скважин в состав УЭЦН вводятся специальные устройства [7], уменьшающие негативное влияние свободного газа на характеристики насоса, что иногда значительно увеличивает стоимость насосной установки.

3. При освоении скважин, эксплуатирующих залежи со слабосцементированным коллектором, либо скважин после проведения гидроразрыва пласта (ГРП) важно не допускать резкого изменения забойного давления в начальный период вывода скважины на режим [8]. При несоблюдении данного условия возникает большой риск попадания в ЭЦН значительного количества механических примесей, что также может привести к выходу насосной установки из строя.

Помимо перечисленных сложностей, в настоящее время ограничены и возможности управления процессом освоения скважин, оборудованных УЭЦН. В настоящее время регулирование процесса вывода скважины на режим возможно только с помощью двух операций: пуск - отключение

УЭЦН и изменение частоты питающего тока электродвигателя.

6

Регулирование частоты питающего тока установки, а соответственно, и частоты вращения вала электродвигателя, возможно при наличии в составе станции управления частотного преобразователя либо при использовании в качестве электропривода УЭЦН вентильного двигателя [9]. Однако, в настоящее время нет однозначности при решении вопросов: «с какой частотой вращения вала электродвигателя предпочтительнее производить вывод скважины на режим?» и «возможно ли сократить количество пусков УЭЦН при освоении скважины?». Очевидно, что решение данных задач сильно зависит от особенностей эксплуатации каждой скважины. Однако, в настоящее время даже для условий эксплуатации конкретной скважины ответить на поставленные вопросы затруднительно.

Таким образом, вывод скважины на режим - это комплекс важнейших технологических процедур, связанный с определенными рисками потери работоспособности УЭЦН. Верные инженерно-технологические решения в данном процессе должны обеспечить последующую стабильную работу УЭЦН в скважине без потери ресурсных возможностей погружного оборудования.

Однако, несмотря на большую значимость описываемого процесса, в настоящее время возможности планирования работ по пуску скважины не всегда используются на практике. В связи с этим, процесс вывода скважины на режим иногда затягивается во времени, количество пусков и отключений УЭЦН увеличивается, что ведет к снижению наработки оборудования на отказ и завышенному расходу электроэнергии. Также ввиду неполного и неэффективного планирования данных работ, сокращается возможность оптимизации рассматриваемого процесса: сокращение времени вывода скважины на режим, уменьшение потребления электроэнергии при пуске установки, либо неснижение гарантированного ресурса УЭЦН.

Несмотря на явный интерес к обозначенной теме промысловых работников в некоторых нефтедобывающих регионах, данной проблеме в

настоящее время уделяется недостаточно внимания со стороны отраслевой науки.

Для обеспечения возможности планирования работ по выводу скважин, оборудованных УЭЦН, на установившийся режим работы в диссертации рассмотрена физико-математическая модель системы «пласт - скважина -погружное оборудование», позволяющая прогнозировать изменение во времени основных технологических параметров работы скважины при ее освоении.

Иными словами, в работе рассмотрена разработка физико-математической модели процесса вывода скважины на режим. После внесения в нее исходных данных и сценарных условий (времени остановок и пусков УЭЦН, частоты вращения вала электродвигателя в различные интервалы времени) с помощью модели рассчитывается «поведение скважины» при ее освоении. То есть рассчитывается изменение во времени основных технологических параметров работы скважин, таких как давление на приеме УЭЦН, забойное давление, динамический уровень жидкости в затрубном пространстве, приток жидкости из пласта в единицу времени и пр.

Принципиально физико-математическая модель освоения скважины должна состоять из трех частей:

1. Исходные данные (информация о конструкции скважины, физико-химических свойствах пласта и насыщающих его флюидов, параметрах работы скважины и т.д.).

2. Сценарные условия (время остановок и пусков УЭЦН, частота вращения вала электродвигателя в различные интервалы времени).

3. Результаты расчетов (изменение во времени основных технологических параметров работы скважин).

В зависимости от наличия перечисленной информации принципиально возможно использовать модель для решения следующих задач:

1. Выбор оптимальной стратегии вывода скважины на режим. В данном случае, как правило, известны исходные данные добывающей

системы, из которых возможно рассчитать ожидаемый установившийся режим работы скважины, с которым она должна работать после выхода на режим. Исходя из этой информации, возможно предварительно рассчитать «поведение скважины» при ее выводе на режим и подобрать оптимальные сценарные условия пуска УЭЦН в скважине. То есть в зависимости от целей расчетов подобрать такую зависимость частоты вращения вала электродвигателя от времени, придерживаясь которой возможно достичь минимальной продолжительности вывода скважины на режим, минимального потребления электроэнергии либо минимального количества остановок УЭЦН в процессе освоения скважины.

2. Интерпретация процесса вывода скважины на режим как гидродинамического исследования скважины. В данном случае расчеты с использованием модели нестационарной эксплуатации скважины производятся по окончании вывода скважины на режим. То есть заведомо известны сценарные условия и результаты вывода скважины на режим (например, динамика изменения уровня или давления на приеме УЭЦН во времени). В подобных условиях возможно произвести решение обратной задачи гидродинамики: исходя из известных параметров работы скважины, определить геолого-физические характеристики пластовой системы. Иными словами, процесс освоения скважины установками ЭЦН можно рассматривать как гидродинамическое исследование скважины путем снятия кривых падения давления (уровня), а физико-математическую модель рассматривать как инструмент для интерпретации исследований данного вида. Подобная процедура схожа с процедурой адаптации гидродинамической модели залежи к истории ее разработки (т.н. «history matching»).

Подобное применение модели может быть особенно эффективно в случае невозможности вывода скважины на режим вследствие ошибки при подборе насосного оборудования. В подобных ситуациях для корректного повторного подбора УЭЦН к скважине возникает необходимость

9

оперативного определения геолого-физических характеристик пластовой системы.

3. Определение причин, осложняющих процесс освоения скважины. Иногда возникают ситуации, при которых не удается произвести вывод скважины на установившийся режим работы, причем причина этого, зачастую, тяжело определима. В данном случае предлагается использование физико-математической модели вывода скважины на режим с целью выявления причин невозможности пуска скважины в работу. В подобных ситуациях модель может служить инструментом для проведения экспертных расчетов и основой для принятия важных технологических решений.

Отметим, что приведенный список возможного практического применения модели не является исчерпывающим.

Исходя из вышесказанного, сформулируем цель и основные задачи исследований.

Цель работы - создание физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей скважины с помощью УЭЦН для обеспечения возможности оптимизации процесса вывода скважины на установившийся режим работы в конкретных геолого-физических условиях.

Основные задачи исследований

1. Построение физико-математической модели нестационарной работы основных элементов добывающей системы с УЭЦН при выводе ее на установившийся режим работы.

2. Разработка методики расчета характеристик ЭЦН, работающего на вязких газожидкостных смесях.

3. Оценка условий применимости разработанной физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей системы с помощью УЭЦН.

4. Промысловая апробация созданной физико-математической модели процесса вывода скважины, оборудованной УЭЦН, на

установившийся режим эксплуатации.

10

Научная новизна

Разработана физико-математическая модель системы «пласт -скважина - УЭЦН», позволяющая производить расчеты основных технологических параметров скважинной системы при ее нестационарной работе.

Основные защищаемые положения

1. Физико-математическая модель добывающей системы, позволяющая прогнозировать изменение основных технологических параметров работы данной системы при ее нестационарной эксплуатации.

2. Методика расчета изменения характеристик ЭЦН при его работе на вязких газожидкостных смесях.

3. Результаты промысловой апробации разработанной физико-математической модели нестационарной эксплуатации добывающей системы.

Практическая ценность работы

1. Созданная физико-математическая модель расчета процессов вызова притока, освоения и вывода на режим скважин, оборудованных УЭЦН, позволяет сократить время освоения скважин, спрогнозировать оптимальную стратегию пуска добывающей системы в работу еще перед спуском в скважину глубиннонасосного оборудования.

2. Физико-математическая модель добывающей системы позволяет производить интерпретацию процесса освоения скважины как гидродинамичес