автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Газогидродинамические исследования горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации

На правах рукописи УДК 622.279.5.001.42:622.243.24

СКИРА Иван Лаврентьевнч

ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН ПРИ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ ФИЛЬТРАЦИИ

05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Российском Государственном Университете нефти и газа (РГУ НГ) им. И.М.Губкина и во Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

- доктор технических наук, профессор Басниев К.С.

- доктор технических наук, профессор Алиев З.С.

- кандидат технических наук Унароков К.Л.

ОАО «ВНИПИморнефтегаз»

Защита диссертации состоится 22 декабря 1998 г. в 15— часов на заседании диссертационного Совета К.053.27.08 лри Российском Государственном Университете нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 117917. ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 65, к.731.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М.Губкина.

бО Р У

Автореферат разослан «_»_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К.053.27.08, профессор

А.О.Палий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Возможность повышения производительности скважин путем увеличения поверхности притока хорошо известна. На раннем этапе развития этого направления с целью увеличения поверхности фильтрации использовались наклонные скважины. Однако за последнее десятилетие резко возросла интенсивность применения горизонтального бурения. Главным фактором, способствующим этому, явилось создание новых технологий и технических средств, позволяющих успешно бурить горизонтальные скважины (ГС). Анализ современного состояния работ в этой области показывает, что ГС получили широкое распространение в результате полученных практических данных по продуктивности, а также на основании многочисленных теоретических исследований. Благодаря этому число таких скважин заметно нарастает как за рубежом, так и в России.

В настоящее время изучение закономерностей притока флюидов к горизонт&тьному стволу и их движения в нем, а также воздействия этих процессов на продуктивные характеристики скважин является одним из наиболее актуальных направлений теории разработки нефтяных и газовых месторождений. Исследования в этом направлении проводятся, в основном, в целях установления обоснованных технологических режимов работы горизонтальных скважин. Их использование в системе разработки месторождений позволит заметно увеличить коэффициенты нефте- и газоотдачи, снизить затраты на добычу углеводородов и обеспечить рентабельность разработки месторождений.

Одной из важных сторон практического использования таких работ является разработка методов газогидродинамических исследований ГС при стационарных и нестационарных режимах фильтрации пластового флюида для определения фильтрационно-емкостных параметров пласта.

В настоящее время на нефтегазодобывающих предприятиях при гидродинамических исследованиях ГС и интерпретации их результатов в основном руководствуются методиками, принятыми для вертикальных скважин. Однако эти методы не учитывают особенностей притока пластового флюида к ГС и процессов, происходящих в горизонтальном стволе, что в значительной степени снижает достоверность получаемых результатов и приводит к неточностям при решении вопросов, связанных с разработкой конкретного месторождения.

На фоне многочисленных отечественных и зарубежных публикаций, связанных с гидродинамикой горизонтальных нефтяных скважин, очень мало работ, посвященных горизонтальным газовым скважинам, и особенно мато работ, связанных с их газогидродинамическими исследованиями. Поэтому проведение работ, направленных на создание методик исследований горизонтальных газовых скважин при стационарных и нестационарных режимах фильтрации пластового флюида с учетом особенностей горизонтального ствола, становится актуальной научно-практической задачей.

Цель работы.

Разработка газогидродинамических методов исследований горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации с учетом закономерностей притока к горизонтальному стволу и условий движения газа в нём.

Основные задачи исследований.

1. Исследование особенностей притока газа при линейном и нелинейном распределении дебита по горизонтальному стволу при стационарных режимах фильтрации.

2. Изучение закономерностей движения газа по горизонтальному стволу

и их влияния на результаты исследований ГС при стационарных режимах фильтрации.

3. Решение сопряженной задачи притока углеводородного флюида к ГС и его движения по горизонтальной части ствола с учетом предположения, что фильтрация осуществляется по двучленному закону.

4. На основе полученных приближенных решений разработать методику исследования горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации.

5. Определить влияние потерь давления в горизонтальной части ствола скважины на результаты интерпретации гидродинамических исследований ГС при стационарных режимах фильтрации с учетом линейного и нелинейного распределения дебита.

Научная новизна н практическая ценность.

Предложены методы определения производительности ГС, расчета изменения давления по горизонтальному стволу с учетом неравномерного распределения дебита по нему, что позволяет обосновать практическую целесообразность и. адаптировать применяемые в настоящее время гидродинамические методы для определения фильтрационных свойств коллектора.

Установленные в работе особенности процессов, имеющих место при исследованиях ГС, на практике позволят оценить их продуктивные характеристики, обосновать длину горизонтального ствола, обрабатывать результаты гидродинамических исследований таких скважин при стационарных режимах фильтрации с учетом специфики фильтрации газа по пласту и движения его по горизонтальному стволу. Результаты работы использовались:

- При подготовке основных положений Проекта доразработки

Оренбургского месторождения во Всероссийском институте природных газов и газовых технологий в 1996 году.

- При составлении Проекта разработки сеноманской залежи .Ямбургского месторождения, выполненного во Всероссийском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) в 1997 году.

- При подготовке ВНИИГАЗом по заданию РАО «Газпром» первой редакции «Временной инструкции по стационарным гидродинамическим исследованиям горизонтальных газовых скважин в сложных геологических условиях», входящая в тематику института ВНИИГАЗ, 1997-98 гг.

Кроме того, в порядке оказания методической помощи выполнен и передан в ПО «Ямбурггаздобыча» отчет «Оперативный анализ результатов газогидродинамических исследований горизонтальных газовых скважин Ямбургского ГКМ при стационарных режимах фильтрации», ВНИИГАЗ, 1997 г.

Апробация работы.

Работа докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ НГ им. И.М.Губкина; на XIV "убкинских чтениях (секция «Разработка газовых месторождений») "АНГ им. И.М.Губкина, 1996 г.; на международной научно-практической ;онференции, приуроченной к 60-летию Я.А.Ходжакулиева, г. Ашгабат, Туркменистан, 1996 г.; на международной научной конференции по фоблемам нефти и газа, проводимой Краковским институтом нефти и газа в »еспублике Польша (1997 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Общий объем работы составляет 133 страницы, в том числе 115 страниц машинописного текста, и включает б таблиц, 25 рисунков и список литературы из 149 наименований.

Автор выражает благодарность за постоянную помощь и внимание своему научному руководителю д.т.н., профессору К.С.Басниеву.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору Г.А.Зотову, д.т.н. Л.Г.Кульпину, к.х.н. В.А.Истомину, к.г.-м.н. Ю.А.Перемышцеву, к.т.н. Н.Г. Степанову, к.т.н. В.А.Черных за ценные советы при работе над диссертацией. Диссертант также благодарит сотрудников кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ НГ им. И.М.Губкина за постоянное внимание и обсуждение работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика и обоснование актуальности работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены методы решения поставленных задач, их научная новизна, а также практическая ценность и результаты работы.

В первой главе представлен обзор отечественного и зарубежного опыта технологии проводки и эксплуатации скважин с горизонтальным стволом. В настоящее время используются ГС с различной архитектурой горизонтального ствола и/или его разветвления. Такие разновидности горизонтальных и горизонтально-разветвлённых скважин помогают обеспечить и оптимизировать необходимые данные для построения различных геологических и гидродинамических моделей пласта-коллектора.

В этой главе также рассмотрены и систематизированы причины, требования и условия применения горизонтальных скважин.

В последние годы, в связи с вводом в разработку значительного числа газовых и газокондексатных месторождений, характеризующихся затрудненными условиями эксплуатации (низкопроницаемые коллектора, малая толщина продуктивных пластов, весьма незначительные дебиты вертикальных скважин и др.) возникает необходимость использования ГС, что позволит:

- повысить продуктивность низкопроницаемых и маломощных коллекторов;

- дополнительно ввести в разработку зоны не вскрытые вертикальными скважинами, поскольку вероятность их вскрытия при применении горизонтатьного бурения значительно повышается;

- перевести часть забалансовых запасов углеводородов в категорию балансовых, в связи с получением рентабельных дебетов в горизонтальных скважинах;

- регулировать процессы обводнения затежи, в том числе увеличить сроки безводной эксплуатации за счет снижения депрессии на пласт;

- повысить эффективность систем активного воздействия на пласт, в том числе барьерного заводнения, закачки различных реагентов и растворителей при разработке газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений;

- значительно увеличить коэффициенты нефте-, газо- и конденсатоотдачи;

- уменьшить количество необходимых эксплуатационных скважин на месторождении;

- повысить степень извлечения углеводородов из недр за счет добычи нефти и газа из зон, расположенных в труднодоступных участках земной поверхности (районы населенных пунктов, заповедников, акваторий и другие).

Необходимыми требованиями применения ГС на нефтяных и газовых месторождениях являются:

- достаточная изученность объекта эксплуатации;

- наличие высокоточной техники и совершенной технологии бурения, заканчивання ГС и их освоения;

- обеспечение рентабельности процесса разработки месторождений.

Исходя из данных требований, можно выделить горно-геологические, гехнико-технологическле, экономические и экологические условия трименения ГС.

К горно-геологическим условиям относятся:

- малая толщина продуктивного пласта;

- низкая проницаемость коллектора;

- неоднородность коллектора по площади, поскольку при строительстве ГС значительно увеличивается вероятность вовлечения в разработку отдельных не дренируемых зон и блоков коллекторов, не вскрытых вертикальными скважинами;

- параметр анизотропии коллектора;

- трещиноватость пласта;

- наличие остаточной нефти или выпавшего конденсата, поскольку применение ГС позволяет во много раз увеличить зону охвата воздействием при закачке соответствующих агентов.

Отмечено, что наряду с преимуществами ГС перед вертикальными :кважинами им присущи и недостатки к числу которых относятся: более высокая

стоимость бурения и заканчивания, трудности проведения геофизических и гидродинамических исследований, обработок призабойной зоны пласта, селективной перфорации и др. Вместе с тем развитие и широкое внедрение теории и практики применения горизонтальных скважин значительно уменьшают число недостатков.

Во второй главе представлен анализ работ, посвященных фильтрации углеводородных флюидов в пласте, дренируемом ГС. Рассмотрен системный подход к описанию фильтрации в пласте. Рассмотрены и проанализированы особенности фильтрации жидкости и газа к ГС, а именно - особенности фильтрации жидкости и газа в пористой среде, а также их движение по горизонтальному стволу.

Теоретические исследования в области притока флюида к ГС развивались в работах З.С.Алиева, К.С.Басниева, Б.Т.Баишева, С.Н.Бузинова, Ю.П.Борисова, А.М.Григоряна, В.Г.Григулецкого, Т.Н.Закирова, Э.С.Закирова, А.И.Ибрапшова, А.С.Козака, Б.И.Леви, З.Д.Лысенко, В.П.Меркулова, В.И.Мартоса, Б.А.Никитина, М.Б.Панфилова, З.П.Пилатовского, А.М.Пирвердяна, Ю.П.Коротаева, ПЛ. Полубариновой-хочиной, М.М.Саттарова, Д.М.Саттарова, Б.Е.Сомова, М.Л.Сургучева, З.П.Табакова, И.А.Чарного, В.А.Черных, В.В.Шеремета, Н.В.Ювченко и ■шогих других авторов, а также Д.К.Бабу, Р.М.Батлера, Дж.Р.Джаргон, 1>.М.Джигера, С.Д.Джоши, А.С.Оде, Л.Х.Рейса, П.А.Гуда, Л.Дж.Экономидиса и др.

Анализ имеющихся публикаций, связанных с применением оризонтальных скважин на нефтяных и газовых месторождениях показал, то высокие темпы роста числа горизонтальных скважин при разведке и |азработке месторождений углеводородов обусловлены значительными спехами в создании техники и технологии их строительства и высокой их ффективностью с точки зрения рационального недропользования,

экономики и экологии. К настоящему времени достаточно хорошо определены требования, условия и направления научно-исследовательских работ, связанных с использованием горизонтальных скважин.

Важное место в комплексе проблем использования ГС занимают экспертные, статистические, аналитические и численные методы моделирования одиночных ГС, а также 1« систем в различных геологических условиях.

Для реальных ГС эти модели (в основном аналитические) являются научной основой для их исследования с целью:

- определения эффективности ГС;

- оценки филырационно-емкостных параметров продуктивной толщи;

- определение технологического режима эксплуатации горизонтальных скважин и его дальнейшего прогноза.

В третьей главе приводится описание гидродинамики потока газа по горизонтальному стволу ГС. Приведены основные её положения. Рассмотрено уравнение баланса энергии и его интерпретация.

Проанализировано изменение числа Рейнольдса по горизонтальному стволу при степенном характере распределения дебита. Показано, что при фильтрации газа к горизонтальной скважине число Рейнольдса значительно изменяется вдоль горизонтального ствола, причем доминирующим режимом течения в горизонтальном стволе является турбулентный режим.

Показано, что при расчетах, связанных с движением флюида по горизонтальному стволу горизонтальной скважины, одно из основных мест занимает определение коэффициента гидравлического сопротивления. Вводится понятие коэффициента гидродинамического сопротивления горизонтального ствола В связи с тем, что через пористые стенки в горизонтальный ствол скважины по всей его длине притекает флюид

отмечено, что этот коэффициент требует детального изучения и подтверждения полученных теоретических исследований результатами экспериментов.

Используя метод аналогий, при котором горизонтальная чястк ствола горизонтальной газовой скважины представлена как газопровод с «приходом по пути», рассмотрен гидродинамический расчет горизонтального ствола при стационарном режиме фильтрации. Изучены два случая, когда гидравлический расчет газа по длине горизонтального :твола можно провести:

- при сосредоточенных расходах;

- при распределенном суммарном расходе газа.

Рассмотрено распределение суммарного расхода (дебита) по ■оризонтальному стволу, которое представлено в степенном виде

**>*&({)'■ 0)

де ()(х) - и объемный дебит от начала горизонтального ствола до досматриваемого сечения; объемный дебит горизонтальной скважины;

- длина горизонтального ствола; п - показатель степени, арактеризующий изменение дебета, который в свою очередь зависит от лины скважины, фильтрационных характеристик пласта и конструкции кважины (в практических расчетах 1<и<2); д- - расстояние от начала эризонтального ствола до рассматриваемого сечения (при х-Ь:

Рекомендуется к использованию для гидродинамического расчета

зризонтальной скважины приближенная аналитическая зависимости вида

2 ; т

которой Q - объемный дебит; X - средний коэффициент цродинамического сопротивления горизонтального ствола; р - плотность за; X - средний коэффициент сверхсжимаемости газа; У? - газовая

постоянная; Т - пластовая температура; Р - площадь поперечного сечения горизонтального ствола; В — диаметр горизонтального ствола.

Получены приближенные уравнения для определения продуктивности горизонтатьной газовой скважины, в которых фильтрация газа к горизонтальной скважине выражена в неявном виде через линейное и нелинейное распределения дебита по горизонтальному стволу.

Проведены качественные и количественные исследования изменения давления по длине горизонтального участка с распределённым дебитом. Результаты этих исследований подтверждают выводы, сделанные в работах З.С.Алиева и В.В.Шеремета в 1995 г.

Для определения давления в любой точке горизонтального ствола с учетом движения газа по нему и гидродинамического сопротивления в общем случае рекомендуется к использованию следующая зависимость

Данная формула применима для горизонтального ствола значительной протяженности пробуренного в однородном коллекторе и при известных значениях забойного и пластового давлений.

При сопоставлении распределения дебита по горизонтальному стволу с изменением по нему забойного давления, для рассмотренных случаев отмечено, что 80% общего суммарного расхода горизонтального ствола приходится на 60% его длины, т.е. эффективный работающий участок ствола составляет 0.6 от общей длины. Остальные 40% длины ствола, на которые приходится 20% суммарного расхода, являются условно «гидродинамически неэффективными». Данный фактор следует учитывать при выборе конструкции ГС, а также при решении вопросов, связанных с её освоением и проведении работ по интенсификации притока.

На примере газогидродинамических исследований скважины №4011 Ямбургского ГКМ при стационарных режимах фильтрации показано

(3)

изменение забойного давления по горизонтальному стволу в зависимости от показателя степени «п».

Введено понятие среднего давление по горизонтальному стволу, которое определяется следующим образом

и использовано в предлагаемой методике (глава 5) интерпретации газогидродинамических исследований ГС при стационарных режимах фильтрации.

В четвертой главе рассматривается приближенный метод решения сопряженной задачи притока газа (нефти) к горизонтальной скважине и их движения по горизонтальному стволу. Ранее подобная сопряженная задача рассматривалась в работах Черных В.А., Алиева З.С., Шеремета В.В. и других авторов. В то же время следует подчеркнуть, что аналогичную задачу ставил академик Л.С.Лейбензон в 193] г., рассматривая движение жидкости по трубам с пористыми стенками.

Особенность подхода, представленного в данной работе - применение степенных зависимостей для распределения дебита вдоль горизонтального ствола и использование приближенного метода решения сопряженной задачи, аналогичного методу интегрального теплового баланса, традиционного в задачах теплопроводности. Такой подход дает возможность получать приближенные аналитические решения, которые по своей структуре аналогичны решениям, используемым для вертикальных скважин. Это дает возможность адаптировать газогидродинамические исследования ГС при стационарных режимах фильтрации к тому, как это принято для вертикальных скважин. Приведена постановка задачи, граничные условия, рассмотрен общий вид системы уравнений при фильтрации жидкости (моделирование горизонтальной нефтяной скважины) и общий вид системы уравнений при фильтрации газа к горизонтальному

стволу и его движения по нему. Причем для газовой скважины принято допущение, что приток к ГС описывается двучленным законом.

В результате аналитических решений сопряженной задачи получена итоговая система алгебраических соотношений для распределений дебита, изменения давления по горизонтальному стволу скважины и квадрата осредненного давления, которая после соответствующих преобразований принимает следующий вид

' + = (5)

, Я п Т ""

где А= - , В = Ь -,------,

I ¡}(2п-\)

¥=2CQ;-'LPn,

1__

п(2 - т) + 1

Структура выражения (5) аналогична двучленной формуле притока с коэффициентом дополнительных сопротивлений «С», которая используется в известных методиках, принятых для вертикальной скважины. Основное отличие (5) от упомянутой формулы состоит в том, что поправочная функция у/зависит от Q.

Таким образом, предложено приближенное решение сопряженной задачи притока флцшда к горизонтальному стволу с использованием степенных зависимостей распределения дебита и изменения давления вдоль него. Важно также подчеркнуть, что подобная схема приближенного, решения сопряженной задачи сохраняется при использовании и других известных уравнений фильтрации.

Пятая глава посвящена газогидродинамическим исследованиям ГС при стационарных режимах фильтрации. Рассмотрены существующие в настоящее время основные проблемы газогидродинамических исследований горизонтальных скважин. Одной из задач связанных с прогрессирующим ростом применения горизонтатьных скважин является необходимость уточнения, а в ряде случаев разработки новых решений по вопросам

ехники, технологии и методов обработки результатов гидродинамических «¡следований ГС, вскрывших нефтяные, газовые и газоконденсатные алежи. В работах З.С.Алиева, В.В.Шеремета, В.А.Черных и др. 'СТи!!ССЛ£!!С) "ТО "рОЗСД^Ш'ё НССЛ£Д01!и1!ии ГС II) ОССбёНИС^ СирибоТКи юлученных результатов требуют иного подхода, чем для вертикальных кважин. Вместе с тем, газогидродинамические исследования ГС включают ; себя те же задачи, что и исследования вертикальных скважин: комплекс !заимосвязанных методов, который позволяет определить фильтрационные [араметры продуктивного пласта и обосновать технологические режимы ксплуатации.

Рассмотрены основные причины, вызывающие трудности при штерпретации газогидродинамических исследований ГС. Приведен анализ азогидродинамических исследований фактических горизонтальных кважин при стационарных режимах фильтрации Оренбургского и [мбургского газоконденсатных месторождений, а также дана оценка ффективности их применения.

В дополнение к опубликованным к настоящему времени методикам редлагается к использованию методика обработки результатов азогидродинамических исследований при стационарных режимах шльтрации. Данная методика базируется на допущениях, при которых риток к горизонтальной скважине осуществляется по известному вучленному закону с учетом линейного и нелинейного распределений ебита по горизонтальной части ствола. Также в методике предполагается опущение о существовании функции влияния горизонтального ствола (Ф) а результаты газогидродинамических исследований ГС при стационарных ежимах фильтрации. Влияние этой функции отражаться на изменении абойного давления по горизонтальному стволу, т.е. двучленную формулу ритока газа к горизонтальной скважине можно представить следующим

образом

Р1 - (Р* Ф)2 = Р1 - = А (3+ В&, (6)

где: Рт. - пластовое давление; Рзб - забойное давление; А и В -

коэффициенты фильтрационных сопротивлений, которые отличны от

таковых для вертикальных скважин; Ф — функция влияния горизонтального

ствола, зависящая от дебита и длины горизонтального ствола.

При известных пластовом и забойном (в переходной зоне от

горизонтальной части ствола в вертикальную) давлениях определяется

численное значение функции влияния Ф, которое выражается соотношением

Р„

Ф =

Р. '

(7)

На примере газогидродинамических исследований при стационарных режимах фильтрации горизонтальной скважины №4012 Ямбургского газоконденсатного месторождения рассмотрена динамика функции влияния горизонтального ствола (Ф) и проведена интерпретация результатов этих исследований (рис.1). Численное значение коэффициента «п» для условий Ямбургского месторождения на основании решений сопряженной задачи в качестве примера принято равным 1.5.

0 009 з 0.008

£ 0.007 | 0 006 0 005 ¡у 0 004 I 0 003 = ооо: 0 001

б).

V = 6Е-06х + о.оо:

у= 1Е-06х ■+ 0.0002

200 400 600 800 1000 1200 Дебит, тыс м 3/сут

б).

200 400 600 800 1000 1200 Дебит, тыс.и3/сут

Рис.1. Индикаторные диаграммы исследования горизонтальной скважины №4012 Ямбургского месторождения

1 - по стандартной методике используемой для вертикальных скважин;

2 - по предлагаемой методике.

о

о

Как видно из рис.1, качественная и количественная характеристики кривых значительно отличаются друг от друга. По предлагаемой методике значительно уменьшен разброс точек и получены более однозначные значения коэффициентов фильтрационных сопри тьлсний, которые значительно отличаются от таковых, определенных по методике, используемой для вертикальных скважин.

Дальнейшие выводы о перспективности использования предложенной методики могуг быть сделаны после накопления статистических данных по исследованиям горизонтальных скважин и их анализу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные в диссертации исследования позволили:

1. С использованием метода аналогий, представив горизонтальный ствол газовой ГС как газопровод с «путевым приходом», исследовать особенности распределения дебита по горизонтальному стволу при стационарном режиме фильтрации.

2. Исследовать особенности поведения давления горизонтального ствола при линейном и нелннейном распределении дебита газа по его длине при стационарных режимах фильтрации. Показано, что, в отличие от нефтяных, в газовых ГС влияние потерь давления при различных вариантах степенного распределения дебита может быть существенным. Это обусловливает выбор конструкции скважины, её технологического режима работы, которые в свою очередь зависят от длины горизонтального ствола и фильтрационных характеристик пласта-коллектора.

3. Изучить влияние особенностей движения газа по горизонтальному стволу на результаты газогидродинамических исследований при

стационарных режимах фильтрации. Показано, что необходимо учитывать влияние горизонтального ствола на результаты интерпретации газогидродинамических исследований, т.к. не учет этого фактора приводит к неточностям при решении вопросов, связанных с определением фильтрационно-емкостных параметров пласта.

4. Рассмотрены варианты приближенного решения сопряженной задачи фильтрации углеводородных флюидов к горизонтальному стволу и их движения в нём при предположении, что приток происходит по двучленному закону. Предложено решение сопряженной задачи притока флюида к горизонтальному стволу с использованием степенных зависимостей распределения дебита и изменения давления вдоль горизонтатыюй части ствола. Применение предложенных степенных зависимостей позволяет получать удобные аналитические соотношения, которые в дальнейшем предлагается использовать при разработке методик интерпретации результатов газогидродинамических исследований горизонтальных скважин.

5. На основе полученных приближенных решений разработана методика интерпретации результатов газогидродинамических исследований горизонтальных скваж'ин при стационарных режимах фильтрации.

6. Разработанные газогидродинамические методы исследованиях горизонтальных скважин при стационарных режимах фильтрации апробированы на Ямбургском и Оренбургском месторождениях.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скира И.Л., Степанов Н.Г., Черных В.А. Энерго- и

ресурсосберегающие методы разработки газовых месторождений с использованием систем горизонтальных скважин. // Тезисы докладов XIV Губкинских чтений. - М., 1996 г. С. 160.

2. Скира ИЛ. Результаты численного моделирования оптимизации систем размещения горизонтальных скважин. // Тезисы докладов XIV Губкинских чтений.-М., 1996. С.151.

3. Скира И.Л. Системный подход к описанию фильтрации в пласте, дренируемом горизонтальной скважиной. // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений на суше и на шельфе: НТС / ИРЦ Газпром. 1996. - Вып. 4-5. - С.22-28.

4. Скира И.Л. Проблемы газогидродинамических исследований горизонтальных скважин. // Материалы докладов международной научно-практической конференции к 60-летию Я.А.Ходжакулиева. Ашгабат. 1996. С.34-36.

5. Скира И.Л. Оценка эффективности применения горизонтальных скважин по результатам гидродинамических исследований при стационарных режимах фильтрации на примере Ямбургского -месторождения. // Материалы международной научной конференции по проблемам нефти и газа. Краковский институт нефти и газа. Польша. 1997. С.21-23.

6. Скира И.Л. Оценка технологических параметров работы вертикальных и горизонтальных скважин на примере Анерьяхинской площади Ямбургского месторождения. // Материалы международной научной конференции по проблемам нефти и газа. Краковский институт нефти и газа. Польша. 1997. С.24-25.

7. Скира И.Л., Истомин В.А. Приближенный метод решения сопряженной задачи притока газа к горизонтальной скважине и движения флюида по горизонтальному стволу. // Повышение углеводородоотдачи

пласта газоконденсатных месторождений. М.: ВНИИГАЗ, 1998. С.94-106.

8. СкираИ.Л., Истомин В.А. Методика обработки результатов газогидродинамических исследований при стационарных режимах фильтрации. // Повышение углеводородоотдачи пласта газоконденсатных месторождений. М.: ВНИИГАЗ, 1998. С. 107-114.

9. СкираИ.Л., ЧерныхВ.А. Первый опыт газодинамических исследований при стационарных режимах фильтрации на Ямбургском газоконденсатном месторождении. // Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. М., 1998. №9. С.33-37.

/ /

У

/

Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М.Губкина

Газогидродинамические исследования горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации.

Специальность 05.15.06 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Басниев К. С.

На правах рукописи УДК 622.279.5.001.42:622.243.24

Скира Иван Лаврентьевич

Москва - 1998.

Содержание

Стр.

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

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта технологии проводки и эксплуатации скважин с горизонтальным стволом.......................................................9

1.1. Разновидности буровых скважин...............................................9

1.2. Причины широкого применения горизонтальных скважин..............13

1.3. Основные сведения о горизонтальных скважинах.........................15

1.3.1. Бурение......................................................................15

1.3.2. Заканчивание............................................................... 19

1.3.3. Испытание горизонтальных скважин.................................22

2. Описание фильтрации в пласте, дренируемом горизонтальной скважиной.... 24

2.1. Системный подход к описанию фильтрации в пласте, дренируемом горизонтальной скважиной......................................................24

2.2. Особенности фильтрации жидкости и газа к горизонтальной скважине.............................................................................29

2.3. Анализ работ, посвященных определению производительности одиночной горизонтальной скважины........................................35

3. Описание гидродинамики потока газа по горизонтальному стволу горизонтальной скважины.......................................................................46

3.1. Основные положения............................................................46

3.1.1. Уравнение неразрывности..............................................46

3.1.2. Уравнение баланса энергии и его интерпретация..................49

3.1.3. Число Рейнольдса.........................................................50

3.1.4. Коэффициент гидравлического сопротивления....................52

3.2. Гидродинамический расчет горизонтального ствола горизонтальной газовой скважины............................................................53

3.2.1. Гидродинамический расчет при сосредоточенном расходе

газа по длине горизонтального участка...............................61

3.2.2. Распределение суммарного расхода (дебита) по горизонтальному стволу постоянного диаметра...................................64

3.2.3. Гидродинамический расчет горизонтальной скважины при распределённом суммарном расходе газа по горизонтальному стволу........................................................................67

3.3. Изменение давления по длине горизонтального участка с распределенным дебитом........................................................70

3.4. Среднее давление горизонтальной части ствола............................73

4. Сопряженная задача притока флюида к горизонтальному скважине и его течения по горизонтальному стволу............................................................75

4.1. Постановка задачи..................................................................75

4.2. Граничные условия.................................................................79

4.3. Общий вид системы уравнений при фильтрации жидкости (моделирование горизонтальной нефтяной скважины).....................80

4.4. Общий вид системы уравнений при фильтрации газа к горизонтальной скважине и его движения по горизонтальной части

ствола..................................................................................82

5. Газогидродинамические исследования горизонтальных скважин.................87

5.1. Основные проблемы газогидродинамических исследований горизонтальных скважин.........................................................88

5.2. Оценка эффективности применения горизонтальных скважин на Оренбургском и Ямбургском газоконденсатных месторождениях и

анализ их гидродинамических исследований при стационарных режимах фильтрации..............................................................93

5.2.1. Оренбургское газоконденсатное месторождение...................93

5.2.2. Ямбургское газоконденсатное месторождение......................98

5.3. Методика обработки результатов газогидродинамических исследований горизонтальных скважин при стационарных режимах фильтрации..................................................................................108

Выводы.................................................................................... 114

Список использованной литературы................................................ 116

5

Введение Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Возможность повышения производительности скважин путем увеличения поверхности притока хорошо известна. На раннем этапе развития этого направления с целью увеличения поверхности фильтрации использовались наклонные скважины. Однако за последнее десятилетие резко возросла интенсивность применения горизонтального бурения. Главным фактором, способствующим этому, явилось создание новых технологий и технических средств, позволяющих успешно бурить горизонтальные скважины (ГС). Анализ современного состояния работ в этой области показывает, что ГС получили широкое распространение в результате полученных практических данных по продуктивности, а также на основании многочисленных теоретических исследований. Благодаря этому число таких скважин заметно нарастает как за рубежом, так и в России.

В настоящее время изучение закономерностей притока флюидов к горизонтальному стволу и их движения в нем, а также воздействия этих процессов на продуктивные характеристики скважин является одним из наиболее актуальных направлений теории разработки нефтяных и газовых месторождений. Исследования в этом направлении проводятся, в основном, в целях установления обоснованных технологических режимов работы горизонтальных скважин. Их использование в системе разработки месторождений позволит заметно увеличить коэффициенты нефте- и газоотдачи, снизить затраты на добычу углеводородов и обеспечить рентабельность разработки месторождений.

Одной из важных сторон практического использования таких работ является разработка методов газогидродинамических исследований ГС при стационарных и нестационарных режимах фильтрации пластового флюида для определения фильтрационно-емкостных параметров пласта.

В настоящее время на нефтегазодобывающих предприятиях при гидродинамических исследованиях Г'С и интерпретации их результатов в основном руководствуются методиками, принятыми для вертикальных скважин. Однако эти методы не учитывают особенностей притока пластового флюида к ГС и процессов, происходящих в горизонтальном стволе, что в значительной степени снижает

достоверность получаемых результатов и приводит к неточностям при решении вопросов, связанных с разработкой конкретного месторождения.

Теоретические исследования в области притока флюида к ГС развивались в работах З.С.Алиева, К.С.Басниева, Б.Т.Баишева, С.Н.Бузинова, Ю.П.Борисова, А.М.Григоряна, В.Г.Григулецкого, С.Н.Закирова, Э.С.Закирова, А.И.Ибрагимова, А.С.Козака, Б.И.Леви, В.Д.Лысенко, В.П.Меркулова, В.И.Мартоса, Б.А.Никитина, М.Б.Панфилова, В.П.Пилатовского, А.М.Пирвердяна, Ю.П.Коротаева, П.Я. Полубариновой-Кочиной, М.М.Саттарова, Д.М.Саттарова, Б.Е.Сомова, М.Л.Сургучева, В.П.Табакова, И.А.Чарного, В.А.Черных, В.В.Шеремета, Н.В.Ювченко и многих других авторов, а также Д. К. Бабу, Р.М.Батлера, Дж.Р.Джаргон, Ф.М.Джигера, С.Д.Джоши, А.С.Оде, Л.Х.Рейса, П.А.Гуда, М.Дж.Экономидиса и др.

На фоне многочисленных отечественных и зарубежных публикаций, связанных с гидродинамикой горизонтальных нефтяных скважин, очень мало работ, посвященных горизонтальным газовым скважинам, и особенно мало работ, связанных с их газогидродинамическими исследованиями. Поэтому проведение работ, направленных на создание методик исследований горизонтальных газовых скважин при стационарных и нестационарных режимах фильтрации пластового флюида с учетом особенностей горизонтального ствола, становится актуальной научно-практической задачей.

Цель работы. Разработка газогидродинамических методов исследований горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации с учетом закономерностей притока к горизонтальному стволу и условий движения газа в нём.

Основные задачи исследований.

1. Исследование особенностей притока газа при линейном и нелинейном распределении дебита по горизонтальному стволу при стационарных режимах фильтрации.

2. Изучение закономерностей движения газа по горизонтальному стволу и их влияния на результаты исследований ГС при стационарных режимах фильтрации.

3. Решение сопряженной задачи притока углеводородного флюида к ГС и его

движения по горизонтальной части ствола с учетом предположения, что фильтрация осуществляется по двучленному закону.

4. На основе полученных приближенных решений разработать методику исследования горизонтальных газовых скважин при стационарных режимах фильтрации.

5. Определить влияние потерь давления в горизонтальной части ствола скважины на результаты интерпретации гидродинамических исследований ГС при стационарных режимах фильтрации с учетом линейного и нелинейного распределения дебита.

Научная новизна и практическая ценность. Предложены методы определения производительности ГС, расчета изменения давления по горизонтальному стволу с учетом неравномерного распределения дебита по нему, что позволяет обосновать практическую целесообразность и адаптировать применяемые в настоящее время гидродинамические методы для определения фильтрационных свойств коллектора.

Установленные в работе особенности процессов, имеющих место при исследованиях ГС, на практике позволят оценить их продуктивные характеристики, обосновать длину горизонтального ствола, обрабатывать результаты гидродинамических исследований таких скважин при стационарных режимах фильтрации с учетом специфики фильтрации газа по пласту и движения его по горизонтальному стволу.

Результаты работы использовались:

- При подготовке основных положений Проекта доразработки Оренбургского месторождения во Всероссийском институте природных газов и газовых технологий в 1996 году.

- При составлении Проекта разработки сеноманской залежи Ямбургского месторождения, выполненного во Всероссийском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) в 1997 году.

- При подготовке ВНИИГАЗом по заданию РАО «Газпром» первой редакции «Временной инструкции по стационарным гидродинамическим исследованиям горизонтальных газовых скважин в сложных геологических условиях», входящая в

тематику института ВНИИГАЗ, 1997-1998 гг.

Кроме того, в порядке оказания методической помощи выполнен и передан в ПО «Ямбурггаздобыча» отчет «Оперативный анализ результатов газогидродинамических исследований горизонтальных газовых скважин Ямбургского ГКМ при стационарных режимах фильтрации», ВНИИГАЗ, 1997 г.

Апробация работы. Работа докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ НГ им. И.М.Губкина; на XIV Губки неких чтениях (секция «Разработка газовых месторождений») ГАНГ им. И.М.Губкина, 1996 г.; на международной научно-практической конференции, приуроченной к 60-летию Я.А.Ходжакулиева,

г. Ашгабат, Туркменистан, 1996 г.; на международной научной конференции по проблемам нефти и газа, проводимой Краковским институтом нефти и газа в республике Польша (1997 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Общий объем работы составляет 128 страниц, в том числе 111 страниц машинописного текста, и включает 6 таблиц, 25 рисунков и список литературы из 149 наименований.

Автор выражает благодарность за постоянную помощь и внимание своему научному руководителю д.т.н., профессору К.С.Басниеву.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору Г.А.Зотову,

д.т.н. Л.Г.Кульпину, к.х.н. В.А.Истомину, к.г.-м.н. Ю.А.Перемышцеву, к.т.н. Н.Г. Степанову, к.т.н. В.А.Черных за ценные советы при работе над диссертацией. Диссертант также благодарит сотрудников кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ НГ им. И.М.Губкина за постоянное внимание и обсуждение работы.

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта технологии проводки и эксплуатации скважин с горизонтальным стволом

1.1. Разновидности скважин

Так как основным элементом всех систем разведки (доразведки), разработки и эксплуатации месторождений жидких углеводородов является скважина, рассмотрим её положение в земной коре и возможные её разновидности.

В общем случае скважиной называется цилиндрическая горная выработка в земной коре, характеризуемая малым диаметром по сравнению с её глубиной [16].

По положению в земной коре скважины характеризуются направлением бурения траектории ствола и характером его кривизны. При проектировании скважины направление бурения её траектории совпадает с осью скважины, поэтому, в дальнейшем, при выводе определений будем пользоваться понятием «ось скважины».

По направлению бурения относительно вертикали скважины разделяют на вертикальные, наклонные и горизонтальные.

Направление скважины определяется залеганием пласта-коллектора, горногеологическими условиями разреза, физико-механическими свойствами вмещающих пород, влияющими на изменение её направления в процессе бурения, а так же возможностями применяемых техники и технологий в зависимости от назначения скважины.

По характеру кривизны различают следующие типы оси скважин (рис. 1.1): прямолинейные 1, 2, 3, 4, искривлённые 5, б и сложные 7.

Положение оси скважины в пространстве характеризуется трассой скважины. Тот или иной тип трассы при бурении получается или самопроизвольно по закономерностям естественного искривления скважин, или искусственно -искривлением с использованием различных технических средств и технологий. Кроме того, трассы могут быть плоско-искривленные или пространственно-искривленные.

Вертикальными называются скважины (ВС), в которых проектом бурения предусматривается вскрытие продуктивного пласта (пластов) или его части по оси,

проходящей в пределах коллектора строго по вертикали (отклонение от вертикали а=0°) с прямолинейным характером кривизны всей оси.

Наклонно-направленными называются скважины (ННС), в которых проектом бурения предусматривается вскрытие продуктивного пласта (пластов) или его части по оси, проходящей в пределах коллектора с отклонением от вертикали (0°<а<90°) по заданной траектории и в заданном направлении.

Рис. 1.1. Типы трасс и положение скважин в земной коре

Горизонтальными называются скважины (ГС), в которых проектом бурения предусматривается вскрытие продуктивного пласта (пластов) или его части по оси, проходящей в пределах коллектора по заданной горизонтальной траектории и в заданном направлении.

Отметим, что в процессе проводки скважин имеет место характерное отклонение их траекторий от проектной оси ствола за счет естественного искривления траектории.

В настоящее время для добычи углеводородов используются все вышеуказанные разновидности скважин. Но в связи с тем, что для решения ряда задач, связанных с добычей углеводородов, применение вертикальных и наклонно-

направленных скважин становится не всегда эффективно, в последние десятилетия высокими темпами стало развиваться горизонтальное бурение.

В бывшем СССР А.М.Григоряном был создан и доведен до промышленного уровня (1949-1980 гг.) разветвленно-горизонтальный тип скважин (РГС), который иногда так и называют - скважины «Григоряна» [30, 31]. Пробурены и длительное время успешно эксплуатировались и эксплуатируются десятки таких скважин. Технология бурения и применения уникальны, развивались изолированно и далеко опередили по новизне, техническим характеристикам и эффективности достижения других нефтегазодобывающих стран, в т.ч. и США. К сожалению лишь проблемы последнего десятилетия, связанные с резким падением добычи нефти и газа заставили вновь обратить внимание отечественных теоретиков и практиков на использование горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин. Применяемое сейчас в мире горизонтальное бурение одним стволом является лишь одной из разновидностей метода РГС. В разветвленной скважине таких стволов несколько со своими дополнительными ответвлениями, что неизмеримо эффективнее одиночного горизонтального ствола, т.к. охватывает дренажем всю толщу продуктивного объекта. Указанный метод позволяет до 20 раз увеличить дебиты нефтяных скважин с одновременным пятикратным снижением себестоимости добычи. Фирмой "Grigoryan Branched-Horizontal Wells С0" готовится технология ещё более эффективных скважин-гигантов.

В настоящее время используются горизонтальные скважины с различной архитектурой горизонтального ствола (рис. 1.2) и/или его разветвления. Такая идентификация типов горизонтальных и горизонтально-разветвлённых скважин помогает обеспечить и оптимизировать необходимые данные для построения различных геостатистических и гидродинамических моделей пласта-коллек�