Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование методов проектирования и контроля процесса освоения скважин с применением азота

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование методов проектирования и контроля процесса освоения скважин с применением азота"

На правах рукописи

1

л

'Х-

У

ВОДОРЕЗОВ ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ

АЗОТА

Специальность 25.00.15 — Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о ГГН 2015

Тюмень — 2015

005562805

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) Министерства образования и науки Российской Федерации.

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Двойников Михаил Владимирович Официальные оппоненты: - Овчинников Павел Васильевич, доктор

технических наук, профессор, Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН, ведущий научный сотрудник; - Сухачев Юрий Владимирович, кандидат технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «ТюменНИИгипрогаз»,

ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация - Акционерное общество «Сибирский

научно-исследовательский институт нефтяной промышленности» (АО «СибНИИНП»),

Защита состоится 23 октября 2015 года, в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.01 на базе ТюмГНГУ по адресу: 625027, г. Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-издательском комплексе ТюмГНГУ по адресу: 625027, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72а, каб. 32; и на сайте www.tsogu.ru.

Автореферат разослан 22 сентября 2015 года.

Ученый секретарь / У/'

диссертационного совета, (¿у1^

кандидат технических наук, доцент Аксенова Наталья Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время добыча углеводородного сырья в Российской Федерации является одним из краеугольных камней национальной экономики. Сохранение высоких темпов добычи нефти и газа, это важная задача, в решении которой необходим комплексный подход. Ввиду того, что новые месторождения углеводородных ресурсов открываются все реже, дальнейшее развитие отрасли возможно только путем повышения эффективности эксплуатации уже открытых месторождений и широкого внедрения технологий, которые позволят добывать нефть и газ из истощенных залежей с аномально низкими пластовыми давлениями, а также из залежей с трудноизвлекаемыми запасами, которые характеризуются низкой проницаемостью коллекторов и сложными реологическими свойствами пластовых флюидов.

Эксплуатация таких залежей требует большого количества скважинных операций, которые сопровождаются глушением скважины. Последующий ввод скважины в эксплуатацию - освоение, в таких условиях становится критически важной операцией, от которой зависит продуктивность скважины после ремонтных работ и достигаемый эффект от мероприятий по интенсификации притока. Освоение скважин азотом с применением колтюбинга лучше всего подходит для решения данной задачи, так как позволяет производить вызов притока со стабильными и высокими значениями депрессии и минимальными негативными воздействиями на пласт. Тем не менее, существенным минусом этой технологии является сложность контроля величины депрессии на пласт в ходе освоения и отсутствие доступных и точных методов проектирования технологических параметров. Это делает невозможным предварительную оценку максимально достижимой депрессии на пласт, расчет режимов освоения и проведение операции с контролем забойного давления, что значительно снижает результат от применения рассматриваемой технологии.

Таким образом, актуальность решения задач разработки и исследования методов для контроля и проектирования параметров освоения скважин азотом с

применением колтюбинга не вызывает сомнений, так как позволит повысить эффективность данной технологии, имеющей особое значение для эксплуатации залежей с низкими пластовыми давлениями и сложными геологическими условиями.

Степень разработанности

Проблемами освоения нефтяных и газовых скважин в разное время занимались многие отечественные и зарубежные авторы, среди них необходимо отметить Качмара Ю.Д., Басарыгина Ю.М., Зозулю Г.П., Овчинникова В.П., Кустышева A.B., Булатова А.И, Тагирова K.M., Шлеина Г.А., Яремийчука P.C., Hongren Gu, Yunxu Zhou, I.С. Wallton.

Среди ученых, которые посвятили труды вопросам многофазных течений следует отметить Марона В.И., Чисхолма Д., Лабунцова Д.А., Барнеа Д., Азиза X., Тэйтела Е.

Цель работы

Повышение эффективности освоения скважин азотом с использованием колтюбинга путем разработки и внедрения методов проектирования и контроля параметров операции и исследования сопутствующих процессов в скважине.

Основные задачи исследования

1. Анализ технологии азотного освоения колтюбингом и подходов к проектированию и контролю параметров при проведении скважинной операции.

2. Разработка и исследование модели многофазного течения газожидкостной смеси при освоении колтюбингом.

3. Разработка и исследование стационарной и нестационарной моделей течения азота по трубе колтюбинга.

4. Проведение вычислительных экспериментов и исследование влияния основных технических, технологических и геологических факторов на создаваемую при освоении депрессию на продуктивный пласт.

5. Разработка алгоритмов расчета параметров освоения с помощью предлагаемых математических моделей и их практическое внедрение.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является процесс вызова притока в скважине, предметом исследования —освоение скважин азотом с применением колтюбинга.

Методология и методы исследования

Математическое моделирование изучаемых процессов, проведение вычислительных экспериментов и анализ графических и числовых результатов, а также общенаучные методы.

Научная новизна

1. Разработана модифицированная модель многофазного течения газожидкостной смеси на основе модели двухфазного течения Хэгдорна-Брауна, учитывающая процессы образования эмульсии и дегазации нефти в стволе скважины. На основе данной модели разработан и исследован метод проектирования параметров освоения скважин азотом с применением колтюбинга.

2. Разработан метод контроля параметров азотного освоения колтюбингом, позволяющий осуществлять точный контроль за величиной создаваемой депрессии на пласт непосредственно в ходе скважинной операции без привлечения дополнительных технических средств.

3. С применением метода характеристик впервые решена задача неустановившегося течения азота по трубе колтюбинга, спущенной в добывающую скважину. Разработаны подходы к моделированию граничных условий исследуемой задачи. Исследовано время стабилизации параметров азота по трубе при изменении забойного давления, расхода азотного компрессора.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод моделирования процесса образования водонефтяной эмульсии при течении многофазной газожидкостной смеси по стволу скважины.

2. Существование для освоения скважины азотом предела величины депрессии на пласт при расходах азотного компрессора ниже технологического максимума.

3. Возможность точного определения величины забойного давления по устьевому манометру в трубе колтюбинга при азотном освоении.

4. Зависимость максимально достижимой депрессии на пласт при азотном освоении от реологических характеристик пластового флюида, конструкции скважины, коэффициентов продуктивности скважины и аномальности пластовых давлений.

Теоретическая значимость работы

Разработаны и теоретически обоснованы методы определения технологических параметров азотного освоения с применением колтюбинга в нефтяных скважинах и их зависимость от геологических и технических факторов.

Математически описаны процессы течения сжимаемой жидкости, а также газожидкостной смеси в одномерном канале сложного сечения, имеющем сложное пространственное расположение, с граничными условиями в виде забоя добывающей скважины и азотного компрессора, либо штуцера на устье скважины. Составлены алгоритмы для расчета по предложенным математическим моделям, а также проанализированы методы их реализации.

Предложен метод математического описания процесса образования водонефтяной эмульсии в стволе скважины при течении газожидкостной смеси, а также учета дегазации нефти и участия попутного газа в процессе подъема пластового флюида по скважине. Доказана эффективность метода и значимость учета данных физических процессов при моделировании многофазного течения газожидкостной смеси.

Результаты исследования могут применяться для решения широкого спектра задач, связанных с течением пластового флюида в добывающих нефтяных и газовых скважинах и циркуляцией технологических жидкостей по трубам, спущенным в скважину при строительстве и ремонтных работах.

Практическая значимость работы

Результаты проведенного исследования позволяют проектировать и проводить азотное освоение на оптимальных режимах, при которых величина

депрессии на пласт детерминирована, что дает возможность достичь максимальной эффективности, выраженной в восстановлении коэффициента продуктивности скважины после глушения и воздействия технологических жидкостей на пласт, наибольшего увеличения коэффициента продуктивности после проведения мероприятий по интенсификации притока. Также, проектирование и проведение азотного освоения при контролируемой депрессии на пласт ведет к снижению аварийности последующей эксплуатации скважин.

Исследование и определение технологических пределов азотного освоения позволяет совершать более обоснованный и корректный выбор способа освоения на скважине с определенными геолого-технологическими условиями.

Результаты диссертационного исследования внедрены в рабочий процесс Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени.

Степень достоверности

Разработанные модели построены на известных законах гидродинамики, при составлении моделей анализировались и сравнивались данные из различных источников. Данные, полученные с помощью вычислительных экспериментов сравнивались с промысловыми данными, произведенный анализ подтвердил корректность составленных моделей. Полученные данные согласуются с результатами исследований других авторов, опубликовавших результаты своих научных исследований в авторитетных источниках, при анализе трудов по теме исследования использовались надежные, авторитетные источники. Исследование проводилось с помощью высокоточной вычислительной техники и современных систем компьютерной алгебры.

Апробация результатов

Основные аспекты и положения диссертационного исследования докладывались на XIII Международной научно-практической конференции 11чГГЕСН-ЕЫЕ1ЮУ «Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века» (Москва, 2012), V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новые информационные технологии

в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2012), V Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, проводимой ИВТ СО РАН (Тюмень, 2014), Девятой Международной научно-технической конференции (посвященной 100-летию со дня рождения Протазанова Александра Константиновича) «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, 2014), на заседаниях кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского Государственного Нефтегазового университета (Тюмень, 2014-2015).

Публикации

Результаты диссертационного исследования отражены в 7 печатных работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин, а именно пункту 5 - «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 117 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика диссертационного исследования, включающая актуальность работы, ее научную новизну, защищаемые положения, а также теоретическую, практическую значимость и другие пункты.

В первом разделе диссертационной работы представлен анализ технологии освоения скважин азотом с применением колтюбинга. Рассмотрена технологическая схема операции и проанализирована работа оборудования, участвующего в данной операции. Обзор литературы, посвященной вопросам ввода скважин в эксплуатацию позволил выявить и проанализировать основные факторы, влияющие на эффективность освоения. Анализ процессов, происходящих в скважине и пласте при освоении, показал, что величина создаваемой депрессии на пласт является главным технологическим параметром операции и решающим фактором, который определяет степень восстановления проницаемости призабойной зоны пласта (ПЗП) и эффективность последующей эксплуатации скважины.

При рассмотрении существующих подходов к проектированию скважин азотом было установлено, что в отечественной практике отсутствуют точные и эффективные методы расчета параметров данной операции. Анализ средств текущего контроля забойных параметров в ходе освоения скважин с применением колтюбинга также выявил отсутствие приемлемых решений с экономической и технологической точек зрения. Таким образом, была выявлена потребность в разработке метода проектирования, позволяющего рассчитать технологические параметры азотного освоения скважины, и метода контроля депрессии непосредственно во время проведения операции.

В ходе анализа источников также установлены основные технологические ограничения величины депрессии на пласт, связанные с конструкцией скважины, и геологическими условиями, произведен обзор методов исследования скважин при освоении азотом с применением колтюбинга.

Во втором разделе диссертационной работы приводится описание математических моделей, разработанных для решения задач стационарного и нестационарного течений азота по трубе колтюбинга, а также многофазного течения газожидкостной смеси по затрубному пространству.

Для определения термодинамических характеристик азота в работе использован вириальный метод Р. Спана, что позволило реализовать

высокоточный и системный подход к математическому описанию процессов течения азота и газожидкостных смесей по циркуляционной системе скважины.

Схема задач стационарного и нестационарного течений азота по трубе колтюбинга показана на рисунке 1. Поток газа при освоении скважин азотом поступает из компрессора в колтюбинг в точке Н. Затем, проходя путь по трубе, расположенной на барабане, движется по тому участку трубы колтюбинга, который расположен в скважине. Азот покидает трубу в точке К, которая соответствует низу колонны, выходя в обсадную колонну (ОК), или в насосно-компрессорную трубу (НКТ), в зависимости от компоновки оборудования скважины и глубины спуска колтюбинга. Глубина спуска колтюбинга по вертикали обозначена на схеме, как 7УД отклонение забоя от вертикальной оси обозначено, как А. Расстояние по вертикали от верхней точки барабана до поверхности земли обозначено, как 1УН. Диаметр А,, это средний диаметр колец трубы, намотанных на барабан.

Также на схеме показана труба колтюбинга в разрезе и внутренний диаметр трубы отмечен, как А Вектор направления движения жидкости отточки Н к точке К является положительным. Соответственно, все сонаправленные с

ним вектора - положительны, и наоборот, вектора направленные в противоположную сторону - отрицательны.

Одномерное стационарное движение газа описывается следующей системой уравнений

где р - давление потока по стволу, Па; р — плотность, кг/м3; д — ускорение сводобного падения, м/с2; Т-температура потока постволу, К; Г™,,-температура снаружи трубы, К; /- коэффициент потерь давления на трение; С - массовый расход газа, кг/с; О - диаметр трубы колтюбинга, м; в - угол между траекторией движения и поверхностью земли, град; а1иа2— коэффициенты, соответственно характеризующие эффект Джоуля-Томпсона и теплопередачу.

При расчете гидравлических потерь в трубе, находящейся на барабане колтюбинга было учтено такое явление, как вторичный поток. Данный эффект возникает при движении жидкости, в том числе и сжимаемой, по трубам, загнутым в спираль. При таком движении гидравлические потери больше по сравнению с теми, что возникают в прямых и относительно прямых (с большим радиусом кривизны) трубах.

Учитывая специфику азотного освоения и большие расходы азота (до 30 м3/мин), было принято решение использовать корреляцию Сас-Яворски и Рида, которая является развитием более ранних работ Ито и применима для высоко турбулентных и автомодельных потоков в шероховатых трубах. Согласно данной корреляции, коэффициент потерь на трение в трубе на барабане колтюбинга находится по формуле

(1)

— = а^рд 5гп(0) + а2(Токр - Т),

рУ = сопхС;

где / — коэффициент потерь давления на трение для прямых труб.

В результате расчетов были получены значения для коэффициентов потерь давления на трение, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты потерь на трение в трубе колтюбинга

й= 31,7 мм Г) 38,1мм 1)= 44,4 мм й= 50,8 мм

Массовый расход Г /ст Г /ст / /ст / /ст

0=0,2 кг/с 0.02 0.023 0.019 0.022 0.019 0.022 0.018 0.022

0=0,35 кг/с 0.02 0.023 0.019 0.022 0.018 0.022 0.018 0.022

0-0,5 кг/с 0.019 0.022 0.018 0.022 0.018 0.022 0.017 0.022

0=0,7 кг/с 0.019 0.022 0.018 0.022 0.018 0.021 0.017 0.021

При разработке математической модели нестационарного течения азота по трубе (схема на рисунке 1) произведен и обоснован выбор метода характеристик для решения поставленной задачи. Нестационарное неизотермическое движение сжимаемой жидкости в трубе описывается следующей системой уравнений

г рс + ирх + рих = 0, / Уравнение \

\неразрывности/

р(и£ + иих) + (Рх) = а, /Сохранение^

\ импульса ) (3)

+ иРх) - а2(рс + ирх) = /Сохранение^

\ энергии }

где и — скорость течения жидкости, м/с; а - скорость звука в азоте, м/с; а — стационарный градиент давления, Па/м; V — слагаемое, учитывающее теплообмен газа с окружающей средой, Вт/м3 (при изотермическом процессе Ч1 = 0); I- время, с; х- пространственная координата, м.

В работе приведено пошаговое преобразование системы уравнений 3 к характеристическому виду

^ + [ра] ^ = [Ч1 + аа] при условии, что ^ = и + а, (4)

^ — [ра] ^ = [V — аа] при условии, что ^ = и — а, (5)

лр 2 ¿Р ч, лх (ел

--а — = V при условии, что — — и.

мм у ■' ' м

Система уравнений 4 — 6 в работе решена модифицированным методом Эйлера с пересчетом. Для решения задачи нестационарного течения азота по трубе колтюбинга также были разработаны и реализованы подходы к описанию соответствующих граничных условий. Для моделирования работы азотного

компрессора уравнения 4 - 6 в крайнем узле в начале трубы (рисунок 2) представлены в виде системы

Р] = (ф-аа)пМ + (ра)п[^Б^-

ип + Рп,

(7)

Р)

р1

ИТ

1 + 5

Й&г

где ДС — шаг по времени, с; нижние индексы; аг- относительная энергия Гельмгольца; б - относительная плотность; т- отностительная температура; И,- универсальная газовая постоянная; Т - температура. К; нижние индексы п, _/ - местоположение на плоскости пространство-время, согласно рисунку 2.

Процедура расчета плотности производится согласно методу Р.Спана. Приведенная система уравнений может быть решена методом последовательных

приближений.

ЪиТу Р],

Pj.aj.Uj

шаг]

¡=0 п ¡+1 х

Рисунок 2 - Граничные условия в начале гибкой трубы

Другими граничными условиями рассматриваемой задачи являются

параметры в точке обратного клапана на конце трубы колтюбинга. На рисунке 3

показано положение крайнего узла т и линии характеристик. В данном случае

отрицательная характеристика находится за пределам наблюдения.

шап

Pj.aj.Uj

¡-1 Р

Рисунок 3 - Граничные условия в конце гибкой трубы

|=т

Обратный клапан, в точке которого находится крайний узел, предотвращает поток из скважины в трубу колтюбинга при превышении давления на забое скважины над давлением в трубе.

Граничные условия на конце трубы различны в зависимости от скважинных условий, всего может существовать два случая:

1.Давление на забое скважины Рзав больше чем давление в трубе колтюбинга в точке обратного клапана Рк.

2.Давление на забое скважины РшВ равно, или меньше давления в трубе колтюбинга в точке обратного клапана Рк.

В первом случае обратный клапан будет закрыт и скорость Иу в рассматриваемом узле будет равна нулю. Отсюда, давление Р) равно

Р} = (0 + аа)рМ - (ра)р(О - ир) + Рр, (8)

где нижние индексы р, у — местоположение на плоскости пространство-время, согласно рисунку 4.

Во втором случае давление в узле известно, оно равно забойному давлению за вычетом потерь давления в компоновке низа колонны. Таким образом, скорость и,- находится по формуле

Р] -Рр-(ф + аа)рМ (9) и} =ир--——г-.

1 р (ра)Р

Давление на забое скважины и расход компрессора могут быть заданы функцией от времени, а могут быть неизменными - предложенный подход позволяет гибко моделировать изменения граничных условий. В работе также рассмотрены вопросы числовой стабильности расчетной схемы и выбора расчетной сетки.

Ключевым элементом комплексной модели освоения является модель течения газожидкостной смеси по затрубному пространству между колтюбингом и НКТ или ОК. Данная модель позволяет определять максимально достижимую депрессию на пласт для добывающей скважины, проектировать режимы освоения для проведения операции при необходимом забойном давлении, а

также регулировать другие важные параметры работы - время проведения операции, глубину спуска трубы колтюбинга. На рисунке 4 приведена схема, согласно которой построена математическая модель процесса.

Рисунок 4 - Компоненты многофазной смеси

Движущийся поток составляет смесь азота, газообразных углеводородов, воды и нефти. В работе приведено теоретическое обоснование выбора модели Хэгдорна-Брауна в качестве базовой модели многофазного течения для азотного освоения скважин с применением колтюбинга. В ходе исследования данная модель была модифицирована с целью более точного отражения реальных физических процессов, протекающих в скважине при проведении освоения азотом. В частности, были разработаны и реализованы в модифицированной модели подходы к математическому описанию процессов образования водонефтяной эмульсии и дегазации нефти при ее движении по скважине.

Оценка процесса образования водонефтяной эмульсии в скважине производилась с помощью критерия Кутателадзе

Ки^. Усм(Рв^ + Рн(1-1У))^ (10)

да Др

где Усм — скорость течения смеси, м/с; рв — плотоность воды, кг/м3; рн — плотоность нефти, кг/м3; № — обводненность, д. ед.; Др — разница плотностей компонентов смеси, кг/м3; а — межфазное натяжение, Н/м.

Согласно исследованию В.И. Марона, водонефтяная эмульсия устойчива при Ки> 10. В рамках разработанной модификации данное условие было

принято в качестве условия существования водонефтяной эмульсии, что, как показывают вычислительные эксперименты и сравнение с реальными данными, является точным приближением.

Объемный расход выделившегося из нефти газа при движении флюида вверх по скважине и падении давления внутри потока ниже давления насыщения находится по формуле

чК 1 - ио

где /?5Нач — начальный газовый фактор нефти, м3/м3; — газовый фактор нефти при давлении насыщения, м3/м3; ц1 — расход смеси кг/с.

Дополнительный объемный расход попутного газа складывается с объемным расходом азота, что позволяет учесть влияние газового фактора нефти не только на реологические характеристики жидкой фазы, но и оценить непосредственное участие попутного газа в процессе газлифтного подъема жидкости. В работе также приведен обоснованный выбор эмпирических и теоретических моделей для расчета реологических свойств компонентов многофазной системы, которые, на ряду с разработанными модификациями и базовой моделью Хэгдорна-Брауна, составляют разработанную комплексную модель многофазного течения газожидкостной смеси.

Во второй главе диссертационного исследования представлены алгоритмы, позволяющие производить расчеты с помощью описанных математических моделей на скважинах с различным профилем и конструкцией.

В третьем разделе представлены разработанные методы проектирования и контроля параметров освоения скважин азотом, а также результаты исследования разработанных методов и процессов, протекающих в скважине в ходе данной операции.

Произведена оценка качества математических моделей, приведенных в предыдущем разделе. Среднее отклонение результатов расчета забойного давления по стационарной модели течения азота от фактических данных с забойного манометра составило 2,74 процента. Максимальная погрешность

рассчитанных по методу характеристик параметров относится к скорости потока и достигает 5,6 процентов от корректной величины, полученной с помощью стационарного решения. Максимальная погрешность по давлению и плотности для нестационарной модели составила менее 0,03 процентов.

В таблице 2 представлено сравнение фактических и прогнозных данных, полученных с помощью оригинальной модели Хэгдорна-Брауна (ХБ) и модифицированной модели (МОД). Средняя погрешность для предлагаемой модели оказалась ниже, чем для традиционной и составила 4,1 процент. При этом максимальная погрешность снизилась до 8,5 процентов.

Таблица 2 - Сравнение прогнозных и фактических данных

№ скважины Давление забойного манометра, атм. Забойное давление ХБ, атм. Забойное давление МОД, атм. Погрешность ХБ, д.ед. Погрешность МОД, д.ед.

**42 82,4 81,4 81,8 0,012 0,007

**74 252,1 215,3 230,6 0,147 0,085

**21 126,9 119,9 120,2 0,055 0,052

**03 165.2 149 153,4 0,098 0,071

**66 173,1 148,3 163,6 0,145 0,054

**94 141,4 138,7 138,9 0,019 0,018

**87 136,2 129,1 129,4 0,052 0,052

Полученные результаты подтверждают корректную практическую реализацию разработанных моделей и их высокую точность.

Разработанный метод оперативного контроля параметров азотного освоения основан на расчете забойного давления и, соответственно, депрессии на пласт, через гибкую трубу с помощью разработанной стационарной модели одномерного течения сжимаемой жидкости. Для определения забойного давления необходим точный подход, который обеспечивает разработанная модель, учитывающая возникновение вторичного потока в трубе на барабане, а также учитывающая переменный внутренний диаметр трубы колтюбинга. Помимо этого, метод включает процедуры по определению сложно прогнозируемых параметров.

Проведенное исследование показало, что сжимаемость азота не является препятствием для практического применения разработанного метода. В ходе

вычислительных экспериментов была произведена оценка времени стабилизации параметров потока по трубе колтюбинга при различных изменениях граничных условий и нарушениях стационарности, а также разных положениях трубы колтюбинга. Максимальное время до стабилизации давления, полученное в ходе вычислительных экспериментов составляет около 20 минут (1210 секунд, стационарным принимался режим течения, при котором скорость изменения давления в узлах трубы была ниже 10 Па/с) что составляет 16,7 % от общей длительности стандартного цикла освоения скважины азотом. На рисунке 5 приведена зависимость давления на манометре от времени при падении давления на забое (падение происходит на 1000 с от начала расчета).

23.1

23--------

22,9

Ь 22,8 22,6

си

1 22,5

а»

§ 22,4

та

■=! 22,3

22.2 22,1

22

— Падение давления на забое 10 этм

— Падение давления на забое 5атм

— Падение давления на забое 1 атм

500

1000

1500 Время, с

2000

2500

3000

Рисунок 5 - Изменение давления в трубе колтюбинга от времени Таким образом, на момент окончания цикла освоения при применении предложенного метода будет получена информация о забойных давлениях на протяжении большей части цикла освоения, что позволит произвести корректировку режима для последующих циклов с минимальной погрешностью.

Предлагаемый метод проектирования параметров азотного освоения колтюбингом заключается в использовании модифицированной модели многофазного течения газожидкостной смеси для расчета параметров режима освоения, которые позволят достичь требуемой величины депрессии на пласт.

В работе представлена пошаговая процедура, позволяющая без труда применять разработанный метод на практике.

Исследование физических процессов, протекающих в скважине при освоении азотом с помощью разработанной модели многофазного течения позволило впервые установить зависимость скважинных давлений от обводненности продукции с учетом процесса образования эмульсии (рисунок 6 демонстрирует давление на устье скважины). Доказано, что при обводненности продукции скважины, близкой к точке инверсии, и существовании условий образования эмульсии, происходит значительный рост давлений по стволу скважины, и, как следствие, снижение депрессии, что связано со скачком вязкости газожидкостной смеси.

5

° 4 ГО

с

аГ

% з

о

0,2

0,8

0,4 0,6

Обводненность, д.ед ... Традиционная модель - _ _ Модифицированная модель

Рисунок 6 - Зависимость давления на устье от обводненности скважины В ходе исследования была установлена зависимость создаваемой депрессии при азотном освоении от характеристик пласта - центральный аспект, который позволяет ответить на вопрос о применимости азотного освоения колтюбингом и определить технологические возможности данного вида операций для конкретных скважин, отличающихся коэффициентом продуктивности и аномальностью пластовых давлений. Вычислительные эксперименты показали, что разработанная модель способна справиться с данной задачей, так как позволяет производить точные расчеты для системы скважина-пласт.

Изучение вопроса влияния коэффициента продуктивности скважины на величину максимально достижимой депрессии показало, что забойное давление увеличивается при увеличении коэффициента продуктивности (рисунок 7).

20

ио

3 18

00

а?

£ и

гс 01

гс 15 „V

щ 14 V

X

? и .•:■•

ГС

«=С 12 //

11 '

11

13

Коэ<М>ициент продуктивности скважины, м /(атм-сут) - - - Расход 20 м3/мин - - - Расход 50 м!/мин

Рисунок 7 - Зависимость забойного давления от коэффициента продуктивности скважины

Это говорит о том, что применение азотного освоения колтюбингом на высокодебитных скважинах менее эффективно, так как не позволяет создать значительной депрессии на пласт и освоить весь продуктивный интервал (при недостаточной депрессии будет работать только часть вскрытого интервала). Расчет проведен для расходов азотного компрессора в 20 м3/мин и 50 м3/мин, однако увеличение расхода азота компрессора более чем в два раза не вызвало существенного снижения забойного давления в скважине, что объясняется тем, что выбранные расходы для данной скважины находятся в непосредственной близости к расходу азота, при котором достигается максимально достижимая депрессия.

Исследование влияния расхода азота на величину создаваемой при освоении депрессии на пласт (рисунок 8) показало, что несмотря на то, что зависимость данных параметров является следствием ряда сложных и взаимосвязанных физических процессов, забойное давление снижается при увеличении расхода азота лишь до некоторого предела, который характеризует

максимально достижимую депрессию для освоения скважины азотом. Кроме этого, можно также выделить диапазон значений расхода азотного компрессора, при которых создаваемая депрессия практически не меняется.

23,5

п С.

<а 22,5

о |р

(О

т

™ 22 о*

X

5 21,5

5 т

21

Рисунок 8 — Зависимость забойного давления от расхода азота В ходе вычислительных экспериментов установлено, что на скважинах с аномально-низкими пластовыми давлениями максимально достижимая величина депрессии на пласт при освоении азотом значительно ниже, нежели на скважинах с нормальным пластовым давлением. Также выявлено, что высокие значения газового фактора оказывают значительное влияние на забойное давление при освоении. Анализируя влияния конструкции скважины на забойное давление, установлено, что освоение скважин азотом эффективнее при большей площади сечения затрубного пространства (при прямой закачке азота).

В четвертом разделе приведены результаты расчета параметров освоения азотом нефтяной скважины №8420Г Красноленинского месторождения с использованием разработанных алгоритмов. Режимы освоения, рассчитанные с помощью предлагаемого метода проектирования, позволили достичь значений депрессии на пласт в среднем на 43,7 % выше по сравнению с режимами согласно планам работ сервисной компании. По результатам расчётов депрессия на продуктивный пласт в ходе первого цикла освоения оставила 48,1 атм при расходе азотного компрессора 28 м3/мин, второго и третьего циклов освоения 50,5 атм при расходе в 28 м3/мин. При этом отбор жидкости из

15 25 35 45 55

Расход азотного компрессора, м3/мин

скважины в течение трех циклов (6 часов), рассчитанных с помощью предлагаемого метода проектирования, составляет 88,7 м3, в то время как за четыре цикла (8 часов) освоения сервисной компанией, прогнозируемый отбор составил 87,5 м3.

Проектирование азотного освоения с применением разработанного метода позволило сократить время освоения на два часа, с сохранением общего объема отбора жидкости из пласта. Дополнительный расход жидкого азота составил всего 1,6 тонн. Величина депрессии на пласт, при которой проводилось освоение была значительно выше, что также оказывает положительный эффект на восстановление проницаемости ПЗП и увеличение коэффициента продуктивности скважины.

Полученные результаты диссертационного исследования были успешно внедрены при составлении проектных документов освоения для скважины №8420Г Красноленинского месторождения на освоение в проектной организации Филиале ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено основное направление повышения эффективности освоения скважин, которое заключается в проведении операции по освоению при заданной величине депрессии, обусловленной технологическими ограничениями. Выявлены и проанализированы основные факторы, устанавливающие верхние и нижние технологические ограничения депрессии на продуктивный пласт во время освоения скважин. Анализ технологии освоения скважин азотом с применением колпобинга помог определить оптимальные подходы к проектированию и контролю забойных параметров, на основе которых были разработаны соответствующие методы.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что модель многофазного течения жидкости Хэгдорна-Брауна наиболее целесообразна при математическом описании процессов освоения скважин

азотом. Данная модель дает точные результаты для широкого диапазона соотношений дебитов жидкости и газа и вязкостей жидкой фазы.

3. Разработана модель течения многофазной жидкости на основе модели Хэгдорна-Брауна, которая в отличие от существующих аналогов позволяет учитывать процесс образования водонефтяной эмульсии и процесс дегазации нефти при движении пластового флюида вверх по стволу скважины. Предложенная модель показывает более точные результаты по сравнению с базовой моделью Хэгдорна-Брауна. Согласно проведенным вычислительным экспериментам средняя погрешность снизилась на 3,22 % и составила 4,1 %, максимальная погрешность снизилась на 6,21 % и составила 8,5 %.

4. Посредством разработанной модели нестационарного течения азота по трубе колтюбинга и проведенных вычислительных экспериментов установлено, что предложенный метод оперативного контроля забойных параметров азотного освоения применим на практике. Максимальное время стабилизации параметров по трубе колтюбинга и показаний давления закачки на устьевом манометре составило около 20 минут, что не превышает и четверти средней продолжительности цикла освоения и позволяет рассчитать среднюю депрессию на пласт в течение цикла с приемлемой точностью.

5. Экспериментально установлено, что для азотного освоения колтюбингом существует максимальное значение создаваемой депрессии на пласт, после достижения которого увеличение расхода азотного компрессора влечет снижение депрессии на пласт. Показано, что данный максимум достижим при расходах азотного компрессора, которые находятся в допустимых и технологически достижимых пределах. Максимум создаваемой депрессии индивидуален для каждой скважины и обусловлен рядом факторов, данные факторы выявлены и проанализированы.

6. Экспериментально установлено и исследовано влияние основных технико-технологических и геологических параметров операции по азотному освоению на величину создаваемой депрессии. Доказано, что азотное освоение менее эффективно при применении на глубоких скважинах, на скважинах с

аномально низкими пластовыми давлениями, на скважинах с высоким коэффициентом продуктивности, а также на скважинах с обводненностью, близкой к точке инверсии при наличии условий образования эмульсии.

7. Применение разработанного метода проектирования операции по азотному освоению позволяет сократить время на освоение скважины, а также произвести освоение при больших значениях депрессии, что имеет положительный эффект на очистку призабойной зоны пласта если не превышает максимально допустимой депрессии, обусловленной геологическими и технологическими параметрами пласта и скважины.

8. Разработана стационарная модель течения, учитывающая явление вторичного потока в трубах колтюбинга. Установлено, что данный процесс обуславливает увеличение коэффициента потерь давления на трение в среднем на 10 %, что делает необходимым его учет при гидравлических расчетах, связанных с колтюбингом.

9. Технологические рамки азотного освоения колтюбингом, предельные значения депрессии и эффективность применения данного метода вызова притока для конкретной скважины, это многофакторная задача, которая должна решаться методами компьютерного проектирования.

10. Разработанные алгоритмы расчета параметров освоения скважин азотом эффективны для решения поставленных задач и внедрены в рабочий процесс проектной организации Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Водорезов Д.Д. Моделирование процесса азотного освоения скважин с использованием колтюбинга // Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. - № 4. - С. 25-29.

2. Водорезов Д.Д. Модель работы многозабойной скважины с различными типами конструкции забоев при стационарном режиме / М. В. Двойников,

Ж. М. Колев, Д. Д. Водорезов, A.B. Ошибков // Нефтяное хозяйство.-2014. -№11.-С. 130-133.

3. Водорезов Д.Д. Расчет параметров многофазного потока в скважине при азотном освоении колтюбингом / Д.Д. Водорезов, М.В. Двойников // Бурение и нефть.-2015,- №4.-С. 36-38.

В других изданиях

4. Водорезов Д.Д. Многофазное течение жидкости в скважине при азотном освоении колтюбингом // V Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям: Программа и тезисы. - Тюмень, 29-31 октября 2014. -С.5,23.

5. Водорезов Д.Д. Многофазное течение жидкости в скважине при азотном освоении колтюбингом // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыт, инновации): Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.-С. 265-268.

6. Водорезов Д.Д. Методика расчета показателей освоения скважин с применением пенных систем / O.A. Мастерских, Д.Д. Водорезов // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Тюмень, 2012. - С. 116-122.

7. Водорезов Д.Д. Алгоритмизация расчета забойного давления при азотном освоении скважин с применением Колтюбинга / М. В. Двойников, Д. Д. Водорезов, Ж. М. Колев // XIII международная научно-практическая конференция INTECH-ENERGY «Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века»: Электронный сборник докладов. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 20-21 ноября 2012. URL: http://www.intechenergy.ru/page44.php (дата обращения 10.06.2015)

Соискатель

Д.Д. Водорезов

Подписано в печать 20.08.2015. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 307.

Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38. Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.