| Содержание
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА 21
1Л. Гидродинамические исследования скважин 21
1.2. Термодинамические исследования скважин 54
1.3. Изучение фильтрационных параметров пласта совместными гидродинамическими и термодинамическими исследованиями скважин -—- 74
Выводы по главе 1 ¦ 81
2: ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗА-БОЙНОЙ ЗОНЕ ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА И СТВОЛЕ СКВА-ЖИНЫ 84
2.1. Постановка задачи формирования полей давления и температуры при неустановившейся фильтрации пластового флюида 84
2.2. Исследование переходных термогидродинамических полей при фильтрации пластового флюида с учетом термодинамических эффектов 92
2.3. Лабораторные исследования термодинамических эффектов 118 2.3.1. Лабораторные исследования адиабатического эффекта 118
• 2.3.2. Лабораторные исследования баротермического эффекта 122
Выводы по главе 2 128
3. СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ПРИ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ СКВАЖИН. РАЗРАБОТКА ТЕРМОСТОЙКОЙ КОМПЛЕКСНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ 131
3.1. Анализ современных приборов и измерительных преобразователей сопротивления резистивных датчиков для измерения температуры и давления в скважинах 131
3.2. Общие вопросы теории инвариантности применительно к измерительным преобразователям комплекса параметров 154
3.2.1. Основные положения 154
3.2.2. Методы повышения числа измеряемых параметров 156
3.3. Двухпроводные преобразователи сопротивления комплекса резистивных датчиков 164
Выводы по главе 3 177
4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ 179
4.1. Методическая погрешность 179
4.2. Погрешность измерительных преобразователей от температурного влияния на каналы преобразования. Методы коррекции температурной погрешности. 194
4.3. Динамическая погрешность преобразователей 202
4.4. Результирующая погрешность измерительных преобразователей комплекса параметров 206
Выводы по главе 4 207
5. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМОЩЦРОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 209
5.1. Методы доставки приборов в изучаемый интервал ствола скважины 209
5.2. Методы возбуждения скважины для реализации термогидродинамических исследований 219
5.3. Методика обработки и интерпретации результатов термогид-
- родинамических исследований 225
Выводы по главе 5 233
6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 235
6.1. Практическая реализация термостойкой комплексной геофизической аппаратуры 235
6.2. Термогидродинамические исследования в вертикальных скважинах 255
6.3. Термогидродинамические исследования многопластовых экс-
плуатационных объектов 269
6.4. Термогидродинамические исследования в горизонтальных
_ скважинах. Определение работающих интервалов ствола 278
6.5. Внедрение результатов работы в нефтедобывающей отрасли 287 Выводы по главе 6 292 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 294 ЛИТЕРАТУРА 298 ПРИЛОЖЕНИЕ 326
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,
ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
гдис гис тдис тгдис
ГС БГС
эмпи квд
КВТ
лс
ПСРД
гч ит
ИВУ
кэ
р т
S
л
X
СП
СР
к
гидродинамические исследования скважин
Геофизические исследования скважин
Термодинамические исследования скважин
Термогидродинамические исследования скважин
горизонтальный ствол
боковой горизонтальный ствол
Эжекторный многофункциональный пластоиспытатель
Кривая восстановления давления
Кривая восстановления температуры
Линия связи
Преобразователь сопротивления ^взистивного датчика
Глубинная часть
Источник тока
Измерительно-вычислительное устройство
Ключевой элемент
Давление, МПа
Температура, К (°С)
Коэффициент Джоуля-Томсона (дроссельный), К/МПа
Коэффициент адиабатического расширения (сжатия),
К/МПа
Теплопроводность пористой среды, Вт/(м-К)
Теплоемкость пористой среды, Дж/К
Изобарная теплоемкость, Дж/К
Проницаемость, мкм2
Динамическая вязкость пластового флюида, мПа-с
Гидропроводность пласта, мкм2«м/ мПа-с
m - Пористость, отн.ед.
х, р - Плотность пластового флюида, кг/м3
t - Время, с
Д. - Сжимаемость породы в пластовых условиях, 1/МПа
рж - Сжимаемость флюида в пластовых условиях, 1/МПа
X - Пъезопроводность пласта, м/с2
h - Нефтенасыщенная мощность пласта, м
q - Мгновенный дебит скважины, м3/с
Q - Дебит скважины, м3/сут
др - Депрессия, МПа
**' Рс - Давление на забое скважины, МПа
Рпл - Пластовое давление, МПа
Rk - Радиус контура питания скважины, м
rc ~ - Радиус скважины, м
L - Длина горизонтального ствола, м
и - Скорость движения пластового флюида, м/с
К - Коэффициент продуктивности скважины, м3/(МПа-сут)
ВВЕДЕНИЕ
Большинство нефтяных и нефтегазовых месторождений Западной Сибири находятся на завершающей стадии работки, характеризующейся широким применением вторичных методов повышения нефтеотдачи пластов для поддержания текущих темпов добычи нефти. Ввод в разработку большего числа месторождений с трудно извлекаемыми запасами, которые до настоящего времени разрабатывать было не рентабельно, также обуславливает применение новых технологий и методов увеличения нефтеотдачи. В частности, реализуются принципиально новые системы разработки месторождений с применением горизонтальных, разветвленно-горизонтальных скважин, стволы которых проведены в пластах с настолько высокой вертикальной анизотропией, что их необходимо рассматривать в качестве самостоятельных объектов разработки (как многопласдчэвые объекты). В условиях сложного строения пласта с существенно неоднородными- фильтрационными- свойствами- особую- роль-приобретают геофизические и гидродинамические методы контроля разработки нефтяных и нефтегазовых месторождений.
При геофизических исследованиях вертикальных скважин в промысловой практике широкое применение находят термодинамические методы исследования (термометрия). Но для решения задач в пологих и горизонтальных скважинах прямой перенос этих методов исследований невозможен.
При гидродинамических исследованиях пологих и горизонтальных скважин важной задачей является определение работающих интервалов ствола скважины. Традиционные подходы здесь мало эффективны, поэтому эта задача является актуальной в проблеме контроля эксплуатации горизонтальных скважин, а также пологих скважин при совместной разработке пластов. Эта проблема приобретает особую актуальность применительно к анализу разработки низкопроницаемых, анизотропных
коллекторов, поскольку оценить область пласта, охваченного выработкой, без знания фактического интервала притока невозможно. Без ответа на вопрос определения работающей длины ствола невозможно решить задачу оптимизации профиля и длины ГС в конкретных геологических условиях.
В нефтепромысловой практике пока широко применяются лишь наиболее простые модификации гидродинамических методов, дающие информацию о фильтрационных параметрах в окрестности вертикальных или горизонтальных скважин, проведенных в условиях изотропного пласта с цементируемым хвостовиком, приток в ствол которых хорошо диагностируется методами термометрии и интервалы притока, как правило, приурочены к интервалам перфорации. В настоящее время не разработаны методы гидродинамических исследований, направленные на изучение фильтрационных параметров неоднородных пластов по протяженности ствола скважины. Причем упомянутые простейшие исследования проводятся, главным образом, на объектах с температурами до 125°С и давлениями до 30 - 60 МПа. На месторождениях, где пластовая температура достигает 200 -300°С (пласты Баженовских отложений Западной Сибири, Малгобекское (Чечня, Ингушетия), Сангачалы и Кюрсянгя (Азербайджан) и другие, где температура доходит до 150—200°С, а давление до 700—800 ат (Малгобек), практически не проводятся даже простейшие исследования.
Такое положение сложилось из-за хронического отставания уровня техники исследований от достижений теории и от возрастающих требований практики разработки нефтяных месторождений в России. Это отставание существенно отражается на эффективности осуществляемых систем разработки. По той же причине представляется весьма затруднительным обеспечивать оптимальное регулирование систем разработки эксплуатируемых объектов для достижения планового уровня добычи нефти, повышения коэффициента нефтеотдачи пластов и снижения затрат на разработку.
Таким образом, в области гидродинамических исследований
пристальное внимание должно уделяться технике для этих исследований и главным образом повышению точности применяемых приборов, созданию аппаратуры для условий высоких температур и давлений. Этот вывод отмечается, начиная с 60-х годов прошлого века, но существенных сдвигов до настоящего времени не произошло.
Это, конечно, не означает, что все дальнейшее развитие гидродинамических исследований упирается в технику. В теории исследований также много нерешенных проблем. Сделаны первые шаги в создании теории и методики исследования горизонтальных и многозабойных скважин, много нерешенных задач в области использования гидродинамических методов для изучения неоднородностей пластов, а также для контроля выработки пластов по площади и по разрезу.
Известные методы барометрии не позволяют обеспечить надежность и достоверность получаемой информации о фильтрационных параметрах в низкопроницаемых, сложно построенных коллекторах со значительным изменением фильтрационных свойств как по вертикали, так и по простиранию. Современная термометрия также не позволяет однозначно решить обозначенные проблемы, поскольку существующая теория обуславливает связь термодинамических полей со стационарными полями давления, решения для которых получены для случаев установившейся фильтрации однофазного (двухфазного) пластового флюида к точечному стоку.
В связи с этим актуальной задачей является разработка методических основ обработки, интерпретации и технологии термогидродинамических исследований скважин на основе новых диагностических признаков, характеризующих термодинамические эффекты, проявляющиеся в скважине при неустановившихся режимах работы (дроссельный эффект, эффект адиабатического расширения и сжатия, калориметрический эффект), а также геофизических приборов для реализации промысловых термогидродинамических исследований в условиях высоких пластовых температур.
^ Целью работы является разработка аппаратурно-методического
комплекса для термогидродинамических исследований (включающего теоретическое обоснование, математическое моделирование, лабораторные исследования, разработку технологии промысловых исследований и средств измерения комплекса параметров, методику обработки и интерпретации) анизотропного пласта, дренируемого горизонтальными и пологими скважинами при совместной разработке пластов для обеспечения контроля разработки, построения и информационного обеспечения постоянно-действующих геолого-гидродинамических моделей.
Л В соответствии с поставленной целью при выполнении
диссертационной работы решались следующие основные задачи:
1. Выявление основных закономерностей проявления термодинамических эффектов на границе системы пласт-скважина_методами математического моделирования полей температуры и давления в окрестности горизонтальной скважины при нестационарной, неизотермической фильтрации пластового флюида.
2. Лабораторные исследования термодинамических эффектов (адиабатического расширения и сжатия, дроссельного (баротермического)) для пластовых жидкостей, характерных для месторождений Западной Сибири. Изучение закономерности изменения адиабатического эффекта от термобарических условий залегания пласта.
3. Разработка методики обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований скважин.
4. Проведение анализа известных технологий исследования пологих и горизонтальных скважин, методов доставки средств измерения в горизонтальные скважины, методов обработки термо- и гидродинамических
^ исследований скважин для определения фильтрационных параметров продуктивного пласта и определения продуцирующих интервалов, а также анализа известных средств измерения и преобразователей сопротивления
резистивных датчиков с точки зрения комплексирования преобразуемых ^ параметров и достижения инвариантности к влиянию параметров линии связи как для скважинных температурных условий до 120°С, так и для высокотемпературной среды (свыше 200°С).
5. Разработка технологии исследования горизонтальных и пологих скважин, включающей доставку и размещение комплексных приборов в изучаемом интервале ствола скважины, обоснование метрологических характеристик используемых приборов, обоснование способа вызова притока исследуемой скважины на основе результатов моделирования нестационарных полей температуры и давления.
«f 6. Разработка термостойких преобразователей сопротивления
резистивных датчиков комплекса параметров с использованием двухпроводной линии связи, основанных на новом методе повышения информативности преобразователей, использующем многофункциональность некоторых резистивных датчиков.
7. Исследование метрологических характеристик двухпроводных преобразователей резистивных датчиков комплекса параметров и разработка способа алгоритмической коррекции температурной погрешности результатов преобразования.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе диссертации выполнен анализ современного состояния гидродинамических исследований скважин, исследований методом термометрии, а также решения задач неизотермической фильтрации пластового флюида с учетом взаимосвязи теплового и гидродинамического полей на основе обзора известных технологий и методик обработки результатов при неизотермической фильтрации пластовых флюидов.
Для получения достоверной информации о фильтрационных параметрах при обработке КВД горизонтальной скважины необходимо использовать эффективную длину горизонтального ствола, которую многими
исследователями предлагается определять методами термометрии. Отмечается, что теория тепло- и массопереноса применительно к задачам скважинной термометрии для неизотермической фильтрации пластовых флюидов разработана достаточно хорошо, однако для нестационарных полей температуры и давления в окрестности пологих и горизонтальных скважин прямой перенос известных решений невозможен.
В задачах скважинной термометрии на формирование температурного поля основное влияние оказывают процессы дросселирования, расширения (сжатия), разгазирования, кристаллизации, смешивания потоков, кондуктивный и конвективный теплоперенос. Представление о роли указанных факторов в механизме тепло- и массопереноса неизотермической фильтрации дается в обзоре экспериментальных и теоретических работ, а также экспериментальных данных, полученных при участии автора. Приводится краткий анализ известных работ по определению коэффициента Джоуля-Томсона, адиабатического коэффициента для жидкостей и газов (среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона для нефти составляет « 0,4 К/МПа, для метана при 293 К « 4 К/МПа. Значения адиабатического коэффициента для воды « 0,02 К/МПа, для нефти « 0,04 К/МПа).
Определен круг решаемых задач термо- гидродинамическими исследованиями скважин и обоснована объективная необходимость развития этого вида исследований.
Во второй главе диссертации описана математическая модель динамического поля давления с учетом силы тяжести и температуры с учетом Джоуля-Томсона, адиабатического эффекта для анизотропного пласта, вскрытого горизонтальной скважиной. Приведены решения распределения полей давления и температуры в окрестности горизонтальной скважины при нестационарных режимах работы (пуске-остановке). Для приведения прямой задачи распределения температурного поля и поля давления в пласте при нестационарном режиме фильтрации к конечному виду - параметрам температуры и давления в точке регистрации прибором в
стволе скважины, полученное численное решение дополнено модельным ^ описанием термобарических процессов в стволе скважины. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований термогидродинамических полей в системе «горизонтальная скважина -пласт» для случаев размещения прибора в неработающем и продуцирующем интервале ствола скважины. По результатам моделирования термогидродинамических процессов в стволе скважины выделены термодинамические эффекты, оказывающие влияние на формирование температурного поля в скважине, и определены термодинамические признаки, диагностирующие наличие или отсутствие притока жидкости из ф пласта в скважину.
Проведен анализ результатов моделирования влияния характера изменения давления в скважине на тепловое поле адиабатического эффекта.
Представлены результаты лабораторных определений коэффициентов адиабатического расширения и расчетные значения коэффициентов Джоуля-Томсона для пластовых жидкостей ряда месторождений Среднего Приобья. Для определения адиабатического коэффициента разработана и изготовлена экспериментальная лабораторная установка. Для лабораторного определения коэффициента Джоуля-Томсона доработана установка FDTES в части оснащения кернодержателя дифференциальными датчиками температуры. Расчетные значения коэффициента Джоуля-Томсона получены на основе значительного статистического материала результатов лабораторных исследований пластовых флюидов месторождений Сургутского свода, позволившие получить эмпирические зависимости термодинамических параметров от компонентного состава.
Определены требования к режимам изменения забойного давления для
реализации методики определения работающих интервалов в стволе
** горизонтальной скважины на основе анализа термодинамических эффектов.
Результаты опытных работ на скважинах позволили сделать вывод о том, что
достижение поставленной цели обусловлено обязательным отсечением
продуктивного интервала ствола скважины пакером с вызовом притока струйными насосами.
Определены требования, предъявляемые к преобразователям комплекса глубинных параметров со стороны особенностей изучаемого нестационарного поля температур и поля давления в окрестности горизонтальной скважины при изменении пластовых температур в широком диапазоне (до 300 С).
В третьей главе диссертации приведен обзор и анализ выпускаемых отечественными и зарубежными компаниями приборов для измерения комплекса параметров (температуры и давления) в скважине. Сделан вывод о том, что известные геофизические приборы и измерительные преобразователи не удовлетворяют всему комплексу предъявляемых требований и на их базе невозможно создание термостойкой геофизической аппаратуры для измерения комплекса параметров. Известные измерительные преобразователи обеспечивают инвариантность, в основном, к активному сопротивлению проводов линии связи и не могут эффективно использоваться для измерения комплекса параметров в высокотемпературной скважине, поскольку комплексирование на их основе сопряжено либо с наращиванием количества проводов линии связи, либо с увеличением времени преобразования. В результате этого увеличивается время пребывания скважинного снаряда и линии связи в условиях высоких температур, что не допустимо. Обосновано направление повышения числа комплексируемых параметров.
На основе принципа многоканальности рассмотрены: новый класс дистанционных термостойких ПСРД с конденсатором, дросселем и полупроводниковыми нелинейными элементами с односторонней проводимостью в качестве ключевых элементов; новый способ преобразования комплекса параметров в скважине, используя физический свойства (многофункциональность) некоторых резистивных датчиков; алгоритмы преобразования для построения термостойких двухпроводных
ПСРД комплекса параметров.
Суть использованных методов преобразования состоит в подаче на датчик (цепь датчиков при комплексировании), с подключенным к нему ключевых элементов (полупроводниковых, электрических реактивных), скачка тока, проведении промежуточных измерений отклика (напряжения) на входе ЛС в процессе изменения энергетического состояния электрических реактивных ключевых элементов и вычисления сопротивления датчика (каждого из датчиков) по результатам промежуточных измерений. Это позволило построить термостойкие двухпроводные ПСРД с небольшим числом промежуточных измерений на входе ЛС, обеспечивающих инвариантность ко всем основным неинформативным параметрам ЛС и незначительное взаимное влияние каналов преобразования для ПСРД комплекса параметров.
Суть способа преобразования комплекса параметров в скважине заключается в использовании функциональной зависимости сопротивления датчика от нескольких скважинных параметров, в частности, функциональной зависимости сопротивления плеч интегрального мостового тензорезисторного датчика давления от давления и температуры, датчика термоанемометра - от скорости движения омывающей его жидкости и температуры и т.п. Это позволило построить двухпроводные ПСРД комплекса параметров, не увеличивая числа проводов ЛС и общего времени преобразования.
Получены аналитические описания двух- и многопроводных ПСРД, представляющие функциональную зависимость между входными и выходными параметрами КП, а также функциональная зависимость числа КП ПСРД комплекса параметров от динамической погрешности преобразования.
На основе алгоритмов определены структуры двух- и многопроводных ПСРД комплекса параметров с учётом технической реализуемости.
Четвертая глава диссертации посвящена анализу и исследованию метрологических характеристик ПСРД комплекса параметров.
Определены методические погрешности разработанных структур двухпроводных ПСРД комплекса параметров. Для преобразователей, включающих диоды в ГЧ, погрешность определяется, в основном, изменениями сопротивления постоянному току, обратного тока в функции температуры (мультипликативная составляющая погрешности) и для наихудшего случая достигает величины 1,2 %. Для ПСРД, включающих дроссели в ГЧ, погрешность преобразования определяется током намагничивания сердечника, изменением сопротивления обмотки дросселя, находящегося в насыщенном состоянии, а также конечностью полного сопротивления дросселя, находящегося в стадии намагничивания (мультипликативные составляющие погрешности) и для наихудшего случая не превышает величины 0,3 %. Для большинства ПСРД методическая погрешность, определяемая сопротивлением утечки ЛС, не превышает 0,1 %. *—Для повышения точности ПСРД определены алгоритмы математической коррекции температурной погрешности.
Исследованы динамические погрешности всех предложенных преобразователей, которые определяются, в основном, инерционностью датчиков, количеством канатов преобразования, временем такта преобразования, скоростью движения ГЧ и может быть задана в пределах до 0,5 % при максимальной скорости движения ГЧ.
В пятой главе диссертации на основе сформулированных требований к технологии термогидродинамических исследований проведен обзор и анализ способов доставки приборов в горизонтальную часть ствола скважины, методы возбуждения скважины. Показана необходимость разработки новой технологии промысловых термогидродинамических исследований скважин. Рассмотрены термодинамические эффекты (адиабатический, дроссельный и калориметрический), проявляющиеся в пласте и в стволе скважины. Установлено, что регистрация параметров в дальней части горизонтального участка (зумпфе) является обязательным условием для реализации технологии термогидродинамических
исследований скважины, проводимых с целью определения работающих -j интервалов скважины. Изложена методика обработки результатов термогидродинамических исследований горизонтальных и пологих скважин при совместной эксплуатации пластов с использованием многодатчиковой технологии.
Приведен пример обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований реальной скважины.
В шестой главе диссертации приведены результаты практической
реализации термостойкой комплексной аппаратуры ТЕСТ-4, результаты
скважинных испытаний, а также результаты промысловых
щ термогидродинамических исследований в вертикальных (разведочных),
горизонтальных и пологих скважинах, вскрывших многопластовые объекты.
В заключении изложены основные выводы и рекомендации по практическому использованию результатов выполненных исследований.
В приложении приведены материалы, подтверждающие внедрение, материалы по экономической" эффективности измерительных преобразователей комплекса параметров ТЕСТ-4 и многодатчиковой технологии термогидродинамических исследований горизонтальных скважин «гирляндой» приборов.
Базовой основой диссертации являются 56 печатные работы, в том числе 11 авторских свидетельств на изобретения и патентов РФ. Кроме того, материалы диссертации изложены в научных отчетах, переданных с 1985 по 1987 гг. в фонды УНИ, ВНИИГИС, с 1989 по 2004 гг. в фонды ОАО "Сургутнефтегаз", а также в территориальные фонды Ханты-Мансийского комитета природных ресурсов.
На защиту выносится совокупность теоретических и экспериментальных разработок, методических, технических и Ц> технологических решений, рекомендаций, обеспечивающих реализацию технологии термогидродинамических исследований скважин, а именно:
|