Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики оценки перспективности водоносных трещиновато-пористых карбонатных коллекторов для создания подземных хранилищ газа

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики оценки перспективности водоносных трещиновато-пористых карбонатных коллекторов для создания подземных хранилищ газа"

На правах рукописи

9

Воронова Виктория Васильевна

Разработка методики оценки перспективности водоносных трещиновато-пористых карбонатных коллекторов для создания подземных хранилищ газа

Специальность: 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНВ 2015

Москва - 2014

005557113

005557113

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

Научный руководитель Ермолаев Александр Иосифович

доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты Лапердин Алексей Николаевич

доктор геолого-минералогических наук, Советник генерального директора ООО "ТюменНИИгипрогаз" в области разработки месторождений Радкевич Валерий Васильевич доктор технических наук, директор ООО «ИНЭКО-А» Ведущая организация ОАО «Газпром промгаз»

Защита состоится «04» февраля 2015 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д. 002.076.01, созданного на базе федерального государственного бюджетного учреждения науки «Института проблем нефти и газа Российской академии наук», 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться у ученого секретаря диссертационного совета и на сайте ФГБУН ИПНГ РАН, www.ipng.ru.

Автореферат разослан «26» декабря 2014 г.

Ученый секретарь ___

диссертационного совета Баганова Марина Николаевна

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Техническое перевооружение, реконструкция и расширение сети подземных хранилищ газа (ПХГ) является одной из стратегических задач, решение которых направлено на устойчивое развитие Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России. На территории России эксплуатируется 26 объектов подземного хранения газа: 17 ПХГ создано в истощенных газовых месторождениях, 8 - в водоносных структурах, приуроченных к терригенным коллекторам, и одно — в соляных кавернах.

Однако в связи с усилением роли ПХГ в Единой системе газоснабжения России актуальной задачей становится исследование возможности создания ПХГ в сложных горно-геологических условиях, таких как трещиновато-пористые карбонатные коллектора водоносных структур.

В настоящее время в Российской Федерации практически отсутствуют опыт и теоретические основы проектирования ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур. Сложность геологического строения карбонатных пластовых систем, неоднозначность типов и свойств таких коллекторов в пределах резервуара, трудности оценки характеристик трещинной среды, ее пространственной изменчивости, а также явно недостаточная изученность влияния циклического воздействия (нагнетания и отбора газа) на указанные пласты-коллекторы и формирование газовой залежи в таких структурах вызывают необходимость в разработке процедур, дополняющих известные методики проектирования ПХГ и учитывающих особенности трещиновато-пористых карбонатных коллекторов водоносных структур.

Именно разработке таких процедур, объединенных в методику, посвящено основное содержание настоящей диссертационной работы.

Целью исследования является разработка методики оценки геолого-промысловых и технологических возможностей создания и эксплуатации ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур, направленной на снижение технологических рисков и повышение степени обоснованности проектных решений.

Основные задачи исследования

1. Выявление особенностей геолого-гидродинамического моделирования ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур.

2. Обоснование необходимых условий (критериев) пригодности геологических объектов для подземного хранения газа в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур, учитывающих как геолого-физические параметры пластов, так и технологические ограничения на режимы эксплуатации скважин и компрессорных станций (КС).

3. Постановка задачи и разработка алгоритмов выбора оптимального буферного объема газа.

Объект исследования-, процесс проектирования создания и эксплуатации ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур.

Научная новизна определяется следующими результатами работы:

1. Впервые предложено необходимое условие пригодности геологической структуры для подземного хранения газа, основанное на построении зависимости минимального буферного объема газа, снижение которого ведет к самозадавливанию скважин, от ключевых характеристик трещиновато-пористых карбонатных коллекторов: псевдокривизны1 трещинной среды (см. формулу (1)) и проницаемости поровой матрицы.

'Под псевдокривизной понимается отношение толщины пласта (Н) к радиусу кривизны структурной поверхности (Д). Псевдокривизна характеризует удлинение внешней (по отношению к центру искривления) поверхности пласта относительно внутренней, т.е. определяет величину трещинной пустотности.

2. Впервые получено необходимое условие пригодности геологической структуры для подземного хранения газа, учитывающее, наряду с геолого-промысловыми характеристиками, технологические ограничения на режимы эксплуатации скважин и КС. Применение условия позволяет оценить перспективность создания ПХГ в заданной геологической структуре с точки зрения предполагаемой технологии эксплуатации скважин и КС. Кроме этого сформулированное условие позволяет оценить предельный (максимальный) активный объем газа, который может быть обеспечен эксплуатацией ПХГ, создаваемого в данной геологической структуре.

3. Сформулирована задача выбора оптимального буферного объема газа, которая отличается от предыдущих постановок, во-первых, критерием оптимальности (минимум суммарных затрат газа на создание буферного объема и его затрат, связанных с компримированием нагнетаемого и отбираемого газа), и, во-вторых, в задаче учитывается более полный перечень технологических ограничений (требований). Перечень включает не только требование обеспечения заданного активного объема газа, но и технологические ограничения на допустимые режимы эксплуатации скважин, допустимую степень их обводнения на этапе отбора газа, максимально допустимую величину пластового давления, максимально допустимый объем, заполняемым газом в пласте-коллекторе.

4. Разработана методика решения поставленной задачи, состоящая из алгоритмов построения функций, формирующих критерий оптимальности и ограничения задачи, и алгоритма поиска экстремума целевой функции, учитывающий нелинейный характер целевой функции и ограничений задачи оптимизации.

Практическая ценность

Применение разработанных в диссертации условий (критериев) пригодности геологических структур для подземного хранения газа в трещиновато-пористых коллекторах водоносных структур, а также алгоритмы оптимизации буферного объема газа направлены на повышение эффективности

проектирования процессов создания и циклической эксплуатации объектов подземного хранения газа за счет снижения риска принятия проектных решений с низкой степенью обоснованности.

Разработанные вычислительные процедуры можно рассматривать в качестве дополнения к стандартным и регламентированным процедурам проектирования подземных хранилищ газа, учитывающего особенности создания и эксплуатации ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур.

Результаты исследований, представленных в настоящей диссертационной работе, были использованы при разработке Р Газпром "Методика проектирования подземных хранилищ газа в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур".

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется следующим:

- широким учетом геолого-физических характеристик трещинного и порового пространства, технологических ограничений на режимы работы скважин и компрессорных станций;

- использованием апробированных на практике программных комплексов по гидродинамическому моделированию.

Методы исследования: методы подземной гидрогазодинамики, аппроксимации функций многих переменных.

Защищаемые положения

1. Необходимые условия пригодности объектов подземного хранения газа, создаваемых в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур.

2. Постановка задачи оптимизации буферного объема газа для объектов подземного хранения газа, создаваемых в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур.

3. Методика выбора оптимального буферного объема газа.

Апробация работы

Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на отраслевых и международных конференциях, научных семинарах, производственных научно-технических советах, среди которых:

- Восьмая Всероссийская научно-технической конференция, посвященная 80-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010, Москва;

- Вторая Международная научно-практическая конференция «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения», 2010, Москва;

- Пятая Международная молодежная научно-практическую конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», 2013, Москва;

- ХХ-й Международный инновационный форум и выставка INNOVATION 2013 (Российские исследования и разработки), 2013, г. Прага, Чехия;

- Третья Международная научно-практическая конференция "Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения (WGRR-2013)", 2013, Москва;

- III научно-технический семинар «Актуальные вопросы проектирования разработки месторождений углеводородов», 2013, Москва;

- 68-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2014», 2014, Москва.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 статьях, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в "Перечень..." ВАК Ми-нобрнауки РФ, и 8 в материалах научных конференций. Соискателю выдано 2 свидетельства, зарегистрированные в установленном порядке, на программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 105 наименований. Общий объем работы составляет 118 печатных страниц. Текст работы содержит 30 рисунков и 15 таблиц.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследований, определена цель работы, поставлены задачи исследований, сформулированы научная новизна, защищаемые положения и практическая ценность результатов работы, представлены сведения о внедрении результатов исследований и их апробации.

В первой главе приведен обзор предыдущих работ в области исследования трещиновато-пористых карбонатных коллекторов, а также работ по созданию и эксплуатации ПХГ в пористых средах. К таким работам следует отнести исследования, проведенные видными российскими и зарубежными специалистами: Арутюновым А.Е., Бузиновым С.Н., Джафаровым К.И., Ермолаевым А.И., Казаряном В.А., Левыкиным Е.В., Лурье М.В., Михайловским A.A., Ширковским А. И., Ханом С.А. и др.

Выполнен анализ исходной геолого-геофизической информации, необходимой для оценки возможности создания ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур. Приведены сведения об опыте разработки залежей углеводородов, приуроченных к трещиновато-пористым карбонатным коллекторам, а также создания и эксплуатации ПХГ в указанных геологических структурах.

К настоящему моменту имеются публикации, в которых приводятся результаты исследований в области создания ПХГ в карбонатных коллекторах водоносных структур. Примером негативного характера является попытка создания подземного хранилища на базе месторождения Yortshah в водоносном горизонте Центрального Ирана. Исследования показали: проницаемость

водоносного горизонта месторождения Yorteshah составляет лишь 28 мД, проницаемость покрышки месторождения Yorteshah, определённая в результате проведения ГДИ составила 4,3 x1g"4 мД, а средняя проницаемость керно-вого материала - 5,7x1с)"4 мД. Более того, сейсмические исследования выявили разломы и трещины в покрышке резервуара. В соответствии с проведёнными исследованиями, водоносный горизонт вышеуказанного месторождения не подходит для создания в этом объекте ПХГ.

Одним из положительных примеров использования трещиновато-пористых коллекторов для создания ПХГ является подземное хранилище газа Yela (Испания). На ПХГ Yela имеется 10 скважин. Глубина залегания объекта хранения составляет 2300 м. Проницаемость поровой матрицы считается 30 мД. Покрышка подземного хранилища представлена толщей глины мощностью 1400 м. Мощность резервуара -115 м. Активный объем газа = 1 млрд.м3. Максимальная суточная производительность отбора газа из хранилища - 15 млн.м3/сут. В настоящее время из ПХГ добывается 50 м3 воды в сутки.

Приведенные в диссертации примеры показывают, что наиболее подходящими объектами для создания ПХГ в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных горизонтах являются антиклинальные структуры, перекрытые значительной толщей пород покрышек и не нарушенные разломами.

На основе анализа геомеханических условий трещинообразования предыдущими исследованиями было показано, что трещины образуются под действием изгибающих пласт напряжений. Ориентация трещин зависит от направления действия таких напряжений. Преимущественно образуются вертикальные трещины, которые из-за наличия внутреннего трения ориентированы под углом 30° к направлению максимального напряжения. При этом возникновение лево- и правосторонних трещин равновероятно, поэтому образуется сетка трещин, делящая пласт на матричные блоки. Эти особенности

были учтены при формировании необходимых условий пригодности геологических структур для хранения газа.

Проведенный в первой главе анализ существующих подходов к обоснованию рационального буферного объема газа показал, что традиционные методики, применяющиеся при выборе объектов подземного хранения газа и проектировании ПХГ в терригенных коллекторах, не учитывают особенности трещиновато-пористых коллекторов. А именно, отсутствует учет характеристик трещинной среды, что не позволяет применить существующие подходы к оценке рационального буферного объема газа.

Во второй главе выявлены особенности геолого-гидродинамического моделирования трещиновато-пористых карбонатных коллекторов водоносных структур, которые необходимо учитывать при моделировании циклической эксплуатации ПХГ. Сформулировано первое необходимое условие пригодности геологической структуры для подземного хранения газа, основанное на анализе геолого-физических параметров.

Для описания трещинной пустотности пласта предлагается использовать понятие "псевдокривизны", введенное Т. Голф-Рахтом.

Псевдокривизна пласта - у/ определяется по известной формуле:

Н

где Н - толщина пласта, м; Я - радиус кривизны структурной поверхности, м.

На рисунке 1 показана упрощенная модель формирования трещин при деформации фрагмента пласта. На рисунке 1а показано состояние пласта в момент формирования, т.е. при отсутствии геомеханических нагрузок. Под действием геомеханических нагрузок (рисунок 16) пласт деформируется и образуется трещинная пустотность, которую можно оценить, используя понятие псевдокривизны.

В этом случае фтр - трещинную пустотность можно определить по формуле2:

К - К 1 н

ф =-

гтр

У2 2 Я

(2)

где У\ - объем фрагмента пласта; У2 - объем фрагмента деформированного пласта. Из формул (1) и (2) следует, что фтр =0,5 у/.

I

Н

б)

Рисунок 1 - Упрощенная схема связи трещинной пустотности с псевдокривизной (а - модель фрагмента пласта; б - модель фрагмента деформированного пласта)

2 Голф-Рахт Т. Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов. -М.: Недра, 1986.- 608 с.

Для оценки пригодности различных геологических структур для создания ПХГ, исходя из основных геолого-физических параметров, характеризующих трещинно-поровые среды, в диссертации введен параметр в, определяемый формулой:

0= йтЛйтах-Х^, (3)

где ()тах — максимальный объем газа (в поверхностных условиях), который может быть закачан без нарушения кровли пласта коллектора, а хсз - минимальный объем газа, который следует оставить в пласте, чтобы в конце периода отбора не произошло самозадавливание скважин. По сути дела разность Штах-хсз) представляет собой максимально возможный активный объем газа. Таким образом, в — отношение максимального объема пласта-коллектора, заполняемого газом, к максимальному активному объему газа, в>1.

Учитывая связь проницаемости поровой матрицы с пористостью, а также связь псевдокривизны через густоту трещин с фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС) трещиноватой среды (пустотностью, проницаемостью и характерным размером матричных блоков), для рассматриваемых геологических структур антиклинального типа можно считать, что 0,тах и хсз являются функциями псевдокривизны и проницаемости поровой матрицы.

С учетом формулы (3) параметр в также можно представить в виде функции двух переменных у/ и кпор. Следует отметить, что сочетание параметров у/ и ¿Пор отражает как свойства трещин (пустотность, проницаемость), так и массообмен между трещинами и поровой матрицей.

Для выяснения зависимости 9 от у/ и кпор было проведено гидродинамическое моделирование работы пласта-коллектора ПХГ в различных структурах, отличающихся псевдокривизной и проницаемостью поровой матрицы. Расчеты проводились с использованием модели двойной среды Баренблатга-Желтова-Кочиной, в которой фильтрация происходит как по трещинам, так и в поровой матрице. Кроме того, в модели, помимо массообмена между матрицей и трещинами, вызванным перепадом давления между ними при моделировании работы ПХГ в трещиновато-пористом коллекторе учитывались дополнительные эффекты, возникающие в пласте: вязкостное вытеснение и гравитационный дренаж. Результаты расчетов приведены в таблице 1 (глубина залегания пласта была принята равной 1000 м).

Таблица 1 — Значения параметра в (формула (3)) в зависимости от псевдокривизны (у) и проницаемости поровой матрицы (£пор)

166.9 121.6 88.7 64.7 47.1 34.4 25.1 18.3 13.3 9.7

МО"4 8.779 9.900 10.374 10.966 11.477 11.983 12.514 12.457 12.398 12.10

2-Ю"4 4.408 4.736 4.952 5.210 5.420 5.568 7.308 7.204 6.872 6.548

5-КГ4 3.328 3.430 3.496 3.497 3.553 3.555 3.556 3.503 3.897 4.460

110° 2.683 2.683 2.687 2.801 2.802 2.808 2.810 2.814 2.822 2.829

5-Ю"3 1.644 1.731 1.653 1.754 1.743 1.762 1.766 1.774 1.785 1.801

1-Ю"2 1.644 1.785 1.674 1.858 1.814 1.837 1.842 1.872 1.901 1.935

2-10"2 1.674 1.881 1.662 1.918 2.066 1.964 2.009 2.043 2.386 2.435

На рисунке 2 приведены линии уровня функции в^ц/, Агпор), соответствующие значениям, указанным в таблице 1.

20 40 60 80 100 120 140 160

Проницаемость поровой матрицы (кпор), мД Рисунок 2 - Линии уровня функции в(у/, кпор) для антиклинальных структур

Предлагаемый критерий пригодности структуры для создания ПХГ сформулирован в виде первого необходимого условия:

<2тах>в<2О, (4)

где £>„ - заданный активный объем газа.

Т.е., если неравенство (4) нарушается, то такая структура не пригодна для создания ПХГ, обеспечивающего активный объем, равный ()0. Если же условие (4) выполнено, то анализируемая структура может (но не обязательно) оказаться пригодной для создания ПХГ.

Применение условия (4) целесообразно в случае, когда ощущается дефицит в исходной информации, не позволяющий провести полноценные технологические расчеты, основанные на подробном геолого-

гидродинамическом моделировании. Нарушение условия (4) в этом случае позволит обосновать бесперспективность дальнейших затрат временных и материальных ресурсов, необходимых для получения дополнительной информации и выполнения дальнейших предпроектных исследований и проектных работ.

Третья глава посвящена постановке задачи выбора оптимального буферного объема газа и разработке алгоритмов ее решения. Кроме этого предложено второе необходимое условие пригодности геологической структуры для подземного хранения газа, учитывающее технологические ограничения на режимы эксплуатации скважин и компрессорных станций. Второе необходимое условие представляет собой проверку существования области допустимых решений задачи выбора оптимального буферного объема газа.

Задачу выбора оптимального буферного объема предлагается сформулировать следующим образом:

необходимо определить такой объем буферного газа, который обеспечит:

а) выполнение требований по отбору газа из ПХГ (т.е. обеспечение заданного активного объема газа);

б) выполнение технологических ограничений, связанных с допустимыми режимами эксплуатации скважин и КС, с допустимой степенью обводнения скважин на этапе его отбора из ПХГ, максимально допустимой величиной пластового давления, максимально допустимым объемом, заполняемым газом в пласте-коллекторе;

в) минимизацию затрат газа, необходимого для эксплуатации ПХГ, т.е. объема газа, состоящего из его буферного объема и объема, затрачиваемого на компримирование на этапах нагнетания и отбора газа.

Разработанная в диссертации методика выбора оптимального буферного объема представляет собой комплекс алгоритмов и реализуется в две стадии.

На первой стадии для 0О - заданного значения активного объема газа с использованием результатов гидродинамического моделирования и с помощью стандартных алгоритмов аппроксимации функций нескольких переменных строятся зависимости от 7 - текущего момента времени их - допустимого значения буферного объема газа следующих выходных параметров:

- Ро^Шо) ~ давления на входе КС на этапе отбора газа;

- - давления на выходе КС на этапе нагнетания газа;

- Рп(х,/,£>„) - пластового давления;

- Уз(х,?,2о) - скорости газового потока на забое скважины;

- уу(х,е,(?0) - скорости газового потока на устье скважины;

- >у(д:,/,20) - водогазового фактора.

На второй стадии решается задача выбора оптимального буферного объема газа. Математическая формулировка задачи представляет собой модель нелинейного программирования:

пнп |кб* + <РГк [Ц А/о (х, + ^ "./Ун (х, С, (20)сИ | (5)

Рп(х,Тн,0о)<Ртах, (6)

(7)

МХ'То'<2о)^"тах, (8)

v3(x,0,Qo)>vmln, (9)

о<х<дтах-а, (10)

Ровх(х,Т01(го) >Р„ (11)

где ограничения (6)-(11) представляют собой неравенства, левые части которых содержат зависимости, а правые части предельные значения соответствующих параметров:

- Ртах - максимально допустимое пластовое давление;

- »ии - максимально допустимый водогазовый фактор (максимально допустимая обводненность продукции скважин);

- Утах - максимально допустимая скорость газового потока на устье скважин на этапе отбора;

- Утт ~ минимально допустимая скорость газа на забое скважин на этапе отбора;

- Р. - минимально допустимое давление на входе КС на стадии отбора

газа;

-/б - коэффициент дисконтирования для буферного объема газа:

уБ = (1 + £)пэ-1 (12)

- ук - коэффициент дисконтирования для объема газа, затрачиваемого на компримирование:

Гк=1+Е(1+£Г' (13)

п=2

Функция цели задачи (5) содержит аналитические зависимости мощности КС от буферного и активного объемов газа. Первое слагаемое в функции цели (5) представляет собой буферный объем газа (определяющий капитальные вложения). Второе слагаемое (определяющее эксплуатационные затраты) является суммой двух компонент: затрат газа на компримирование на этапах отбора и нагнетания газа, соответственно.

В диссертации показано, что систему ограничений (6)-(11) можно заменить одним ограничением следующего вида:

^ *та*(бо), (14)

где х„„„(2о) - минимально допустимый объем буферного газа определяется как большее из нескольких значений: хтш=тах{0, хп, хС2, ху_ хк}, х„ - объем буферного газа, снижение которого приводит к нарушению ограничения (6), - минимально допустимый буферный объем газа, снижение которого приводит к самозадавливанию скважин, ху - объем буферного газа, снижение которого приводит к нарушению ограничения (8), хк - объем буферного газа, снижение которого приводит к нарушению ограничения (11). Верхняя граница буферного объема газа - хтах((2о) определяется как меньшее из двух значений: хтш:=тт{х2, Qmax-Qо}, где х3 - объем буферного газа, превышение которого приводит к нарушению ограничения (9).

Таким образом, метод решения исходной задачи (5)-(11) состоит из следующих алгоритмов:

- преобразования, заменяющего вычисление интегралов, содержащихся в функции цели (5) на вычисление сумм;

- расчета хт!п - минимального и хтах - максимального буферного объема газа (замены задачи (5)-(11) задачей (5),(14));

- расчета значений функции цели (5) для нескольких допустимых значений буферного объема газа и выбора оптимального буферного объема, соответствующего наименьшему значению функции цели (5).

Условие (14) представляет собой необходимое условие (критерий), при нарушении которого есть основания считать данную геологическую структуру непригодной для создания ПХГ, предназначенного для обеспечения активного объема газа, равного £>0 и выбранной технологии его эксплуатации.

Применение второго необходимого условия предполагает наличие более обширных геолого-промысловых и технологических данных.

Изменение значения активного объема газа или технологической схемы ПХГ может привести к выполнению условия (14). Вывод о возможности создания ПХГ еще не решает вопрос о целесообразности создания ПХГ. Ответ на последний вопрос может быть получен только после всестороннего технико-экономического обоснования.

Зависимости минимального и максимального объемов буферного газа от его активного объема позволяют оценить предельный (максимальный) активный объем, который может быть обеспечен при создании ПХГ в рассматриваемой геологической структуре. Для этого необходимо решить уравнение относительно ()0: хт!п(()0)=хтах(()0). Корень этого уравнения и будет являться предельным активным объемом газа.

Ниже приведен один из примеров решения задачи (5),(14). В этом примере для некоторого гипотетического ПХГ, создаваемого в водоносном трещиновато-пористом карбонатном пласте-коллекторе, для фиксированной

стратегии вывода ПХГ на циклическую эксплуатацию рассчитывался оптимальный буферный объем газа.

Стратегия выхода ПХГ на цикл состояла в следующем. В период создания ПХГ в первые два года предусмотрена закачка газа с постепенным ростом производительности от 300 тыс.м3/сут. до 600 тыс.м3/сут. без последующего отбора. Начиная с третьего сезона производительность в период закачки определялась, исходя из необходимого объема газа, который должен быть закачен в ПХГ, чтобы получить заданный общий объем газа ПХГ, равный сумме активного и буферного объемов. Также в третьем сезоне предусмотрен период пробного отбора газа с производительностью ПХГ на уровне 1 млн.м3/сут. Начиная с 4-го года создания ПХГ, если общий объем газа соответствует требуемой величине, производительность ПХГ в период отбора газа определялась заданным активным объемом газа. Если к заданному году общий объем газа ПХГ оказывался меньше заданной величины, производительность ПХГ в период отбора газа соответствовала периоду пробного отбора газа и не превышала 1 млн. м3/сут.

По результатам расчетов, выполненных на гидродинамической модели рабочей зоны ПХГ ^тах=450 млн. м3), на основе выбранной стратегии вывода ПХГ на циклическую эксплуатацию и значений буферного объема газа: х=52; 102; 152; 202; 252 млн. м3 методом наименьших квадратов были построены зависимости, входящие в модель оптимизации (5)-(11). После чего определялись минимально и максимально допустимые буферные объемы, и решалась задача (5),(14) для каждого из заданных значений активного объема газа (100, 200, 300 млн. м3). На рисунке 3 приведены результаты решения этой задачи для значения 2о=100 млн. м3: оптимальный буферный объем равняется минимально допустимому буферному объему (146,8 млн. м3).

Алгоритмы оптимизации (обоснования) буферного объема газа могут быть использованы при проектировании ПХГ, когда часть из проектных задач уже решена (определены число эксплуатационных скважин, схема их размещения, их конструкция и др.).

Буферный объем, млн.м3

Рисунок 3 - Вид целевой функции (5) при 2о=Ю0 млн. м3. Сплошной линией выделен участок целевой функции, соответствующий допустимому диапазону значений буферного объема газа

Таким образом, разработанная методика оценки перспективности создания ПХГ в водоносных трещиновато-пористых карбонатных коллекторах состоит из следующих основных этапов.

1. Вводятся исходные данные, на основе которых выполняется построение геологической и гидродинамической моделей. Для проверки необходимого условия «пригодности», основанного на геолого-физических и филь-трационно-емкостных параметрах, достаточно сокращенного перечня выходных показателей. При выполнении условие «пригодности» осуществляется переход к следующему этапу.

2. Проводятся дополнительные расчеты (оценка производительности скважин, сроки выхода ПХГ на цикл и др.) и строятся зависимости расширенного перечня выходных показателей от буферного объема и времени при заданном активном объеме газа.

3. Определяются минимальные и максимальные значения буферного объема газа, проводится проверка необходимого условия «пригодности», учитывающего технологические параметры.

4. В случае если геологическая структура является «пригодной» для ПХГ, то проводится оценка оптимального буферного объема газа и предельного активного объема газа. На рисунке 4 представлены основные стадии разработанной методики.

(Г) Ввод исходных данных

^ нет

Проверка первого необходимого условия «пригодности», основанного на геолого-физических и фильтрационно-емкостных параметрах

V ла

Гидродинамическое моделирование

Построение зависимостей выходных показателей от буферного объема и времени при заданном активном объеме газа

Оценка минимального и максимального буферного объема

Оценка предельного активного объема

Геологическая модель-карты

Оценка свойств трещиноватой среды

Проверка второго необходимого условия «пригодности», учитываю щего технологические параметры

Оценка оптимального буферного объема

Рисунок 4 — Основные стадии методики оценки перспективности создания ПХГ в водоносных трещиновато-пористых карбонатных

коллекторах

Основные выводы

Основные результаты диссертационных исследований состоят в следующем.

1. Показано, что наиболее подходящими объектами для создания ПХГ в водоносных трещиновато-пористых карбонатных коллекторах являются

высокоамплитудные антиклинальные структуры, перекрытые значительной толщей пород покрышек и не нарушенные разломами.

2. Выявлены основные пластовые характеристики, учитывающие специфику объектов подземного хранения газа, создаваемых в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах водоносных структур. К таким данным, прежде всего, относятся псевдокривизна пласта, раскрытость, размер, природа и ориентация единичных трещин и их распределение, матричная проницаемость.

3. Предложено необходимое условие (критерий) пригодности геологических структур для создания ПХГ, основанное на расчете минимально допустимого буферного объема газа, снижение которого ведет к самозадавли-ванию скважин, и максимального объема, заполняемого газом в пласте-коллекторе. Наиболее перспективными для создания ПХГ являются объекты с большой псевдокривизной (крутые структуры или очень мощные пласты) и высокой матричной проницаемостью. Для таких объектов потребность в буферном объеме газа невелика. Сформулированное условие целесообразно применять при недостатке исходной информации. А именно, условие позволяет на основе данных о геолого-физических параметрах пласта-коллектора без выполнения подробных технологических расчетов и, не прибегая к подробному геолого-гидродинамическому моделированию, выявить геологические структуры, неперспективные для подземного хранения газа.

4. Разработана методика выбора оптимального буферного объема газа, которая учитывает ограничения на технологические режимы эксплуатации скважин, степень их обводнения на этапе отбора газа, величину пластового давления, объем пласта-коллектора, заполняемого газом. Предложено в качестве показателя эффективности использовать суммарный объем газа, состоящий из буферного объема и объема, затрачиваемого на компримирование. Методика позволяет также оценить максимально возможный для заданных геолого-промысловых условий активный объем газа.

5. На основе ограничений задачи оптимизации буферного объема сформулировано второе необходимое условие пригодности геологической структуры для создания ПХГ. При его нарушении делается вывод о непригодности геологической структуры для создания ПХГ с выбранными значениями технологических показателей и заданным значением активного объема газа. Выполнение этого условия не снимает вопрос о целесообразности его создания, ответ на который может быть получен только после дополнительного всестороннего технико-экономического обоснования.

Основные публикации по теме диссертации

1. Воронова В.В. Оптимизация буферного объема газа при его подземном хранении /Воронова В.В., Ермолаев А.И.// НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 2013. - №4.- С. 38-43

2. Воронова В.В. Совершенствование процессов постановки и управления наукоемкими НИОКР в нефтегазовой отрасли России // Якушев B.C., Грязно-ва И.В., Воронова В.В.// «Нефть, газ и бизнес», 2013. - №10. - С. 1-5

3. Воронова В. В. Особенности численного моделирования процессов создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в трещиновато-пористых структурах //Воронова В.В., Некрасов A.A.// «Нефть, газ и бизнес», 2014. -№4. - С. 28-33

4. Свидетельство о государственной регистрации Программы для ЭВМ " Программа для ЭВМ «Оптимизация режимов работы скважин» №2012661314 от 12.12.2012. Авторы: Грязнова И.В. Воронова В.В, Воронов С.А.

5. Воронова В. В. Проблемы добычи природного газа на завершающей стадии разработки/ Воронова В. В., Воронов С.А. // Тезисы докладов восьмой Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Часть I. - М.: "Нефть и газ" РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2010. - С. 12.

6. Воронова B.B. Экологически безопасные и рентабельные методы разработки газовых месторождений в период падающей добычи// Тезисы докладов второй Международной научно-практической конференции «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения». - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010.-С. 21.

7. Воронова В.В. Создание ПХГ в трещиновато-пористых структурах. Проблемы и перспективы //Тезисы докладов V Международная молодежная научно-практическая конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность». - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. - С. 4.

8. Воронова В.В. Оптимизация объемов буферного газа в подземных хранилищах // Тезисы докладов X Всероссийской конференция молодых ученых, специалистов и студентов (новые технологии в газовой отрасли). - М.: "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2010. - С. 12.

9. Воронова В.В. Особенности численного моделирования процессов создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в трещиновато-пористых структурах / Воронова В.В., Некрасов A.A. // Тезисы докладов третьей Международной научно-практической конференции "Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения (WGRR-2013)". - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - С. 4.

10. Воронова В.В. Методика определения буферного и активного объемов газа в подземных хранилищах, созданных в трещиновато-пористых карбонатных коллекторах/ Воронова В.В., Некрасов A.A. // Сборник докладов 68 Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2014». -М.: "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2014. - С. 15. П.Воронова В.В. Постановка и решение задачи оптимизации буферного объема газа в подземном хранилище //III Научно-технический семинар «Актуальные вопросы проектирования разработки месторождений углеводородов», 2013 г.

Подписано в печать 22.12.2014 Бумага офсетная Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Усл. п.л. Заказ № 554

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: (499) 507 82 12