Исследование решений гидродинамических задач притока жидкости (газа) к скважинам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.17, кандидат технических наук Леонов, Виктор Иванович

• Леонов, Виктор Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Леонов, Виктор Иванович

Введение.

1. Анализ аналитических решений гидродинамических задач притока жидкости (газа) к скважине.

1.1. Обоснование выбора решения притока к несовершенной по степени вскрытия пласта скважине.

1.2. Аналитические решения для неустановившегося притока сжимаемой жидкости (газа) к несовершенной скважине в однородно-анизотропном пласте. Табулирование функций.

1.3. Сведение задачи неустановившегося притока сжимаемой жидкости (газа) к несовершенной скважине к решению уравнения пьезопроводности. Табулирование функций.

1.4. Анализ поведения депрессии, функции фильтрационного сопротивления для неустановившегося притока сжимаемой жидкости (газа) к несовершенной по степени вскрытия пласта скважине.

1.5. Алгоритм расчета депрессии и функции фильтрационных сопротивлений.

1.6. Определение емкостных характеристик трещиновато — пористых сред.

1.7. Приток к горизонтальной скважине.

1.8. Математическая модель на основе четырех параметров для экспертной оценки динамики добычи нефти и жидкости.

2. Экспериментальные данные, результаты аналитических обработок. 60 2. Аналитический метод определения критических параметров газоконденсатных систем по экспериментальным данным PVT.

2.2. Влияние давления на растворимость нефти в сухом углеводородном газе.

2.3. Гидродинамический способ определения давления насыщения нефти.

2.4. Методика расчёта проницаемости при нестационарной фильтрации газа по схеме перетока.

3. Способы предотвращения осложнений.

3.1. Использование нефтяного конуса для предупреждения водопроявлений.

3.2. Гидратный экран как средство изоляции газопроявлений.

3.3. Ферромагнитные коллоидные растворы как средство управления фильтрационными потоками.

4. Взаимосвязь гидродинамических процессов с состоянием флюидов

4.1. Техногенные процессы как следствие гидродинамических воздействий.

4.2. Образование техногенных водонефтяных зон.

4.3. Дифференцированный поток углеводородов в пласте при фильтрации нефти.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование решений гидродинамических задач притока жидкости (газа) к скважинам»

Гидродинамические задачи о движении подземных флюидов или в современном звучании фильтрации связаны с такими именами как М. В. Ломоносов, Д. Бернулли, Л. Эйлер, Н. Е. Жуковский. Открытие французским ученым Дарси линейной связи расхода жидкости через поперечное сечение фильтра и полученная вскоре, инженерная формула расчета Дюпюи в последующих трудах исследователей: Буссинеска, Форхгеймера, Слихтера, Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, М. Маскета, И. А. Чарного, В. Н. Щелкачева, Ю. П. Борисова, П. Я. Полубариновой - Кочиной, А. П. Телкова и многих других сконцентрирована в стройную теоретическую дисциплину «Подземная гидромеханика». В настоящее время в дисциплине сложились два подхода к решению задач фильтрации - плоские задачи фильтрации и пространственный приток.

Рассмотрение притока жидкости (газа) к совершенной скважине, сведение его к плоскому движению трудом многих исследователей развито в строгую теорию потенциала, что позволило и позволяет решать многие практические задачи подземной гидромеханики. В то же время отсутствие решения пространственной задачи притока жидкости (газа) для ограниченного по протяженности и толщине пласта вносит определенные трудности в инженерной практике и при исследованиях гидродинамических задач. К их числу относится приток жидкости (газа) к несовершенной по степени вскрытия пласта скважине.

Задача о распределении потенциала скорости в цилиндрическом пласте, частично вскрытом скважиной - несовершенной по степени вскрытия пласта в соответствии с современной терминологией, решена М. Маскетом в 1932 году. Детальное изучение вопроса М. Маскет изложил в своей монографии в 1946 году»

Используя метод отображения источников — стоков, М. Маскет получил решение для точечного стока в неограниченном пласте с непроницаемой кровлей в виде суммы расходящихся рядов. Следуя М. Маскету, П. Я. Полубаринова-Кочина получает расчетные формулы для дебита наклонной, горизонтальной и вертикальной скважин.

Позднее Н. К. Гиринский, используя тот же метод, исследовал напорный приток к вертикальной скважине, расположенной в центре пласта неограниченной толщины и получил формулу для дебита, совпадающую с формулой П. Я. Полубариновой-Кочиной.

Задачи о распределении потенциала скоростей фильтрации при работе скважины в ограниченном пласте оказались значительно сложнее. Используя метод источников (стоков) и суперпозицию полей, М. Маскет исследовал приток к скважине несовершенной по степени вскрытия ограниченного по толщине пласта. В результате получил два приближенных решения о распределении потенциала в пласте. Одно - для малых расстояний от стока, другое - для больших расстояний.

Используя постановку и метод решения М. Маскета, И. А. Чарный предложил метод решения задачи притока к несовершенной по степени вскрытия пласта скважине по двухзонной схеме. Развивая идею И. А. Чарного, А. М. Пирвердян получает формулу для притока жидкости к несовершенной скважине.

Схема двухзонного притока получила широкое признание и развитие в трудах многих исследователей. М. И. Швидлер получил наиболее точное решение о притоке к несовершенной скважине. Решение ограниченно тем, что получено для скважины с открытым забоем и непроницаемым дном и тем самым не учитывает второй тип несовершенства скважины — характер вскрытия.

Вместе с этим исследователями решена задача о притоке к несовершенной скважине, как по степени вскрытия пласта, так и по характеру вскрытия - второй тип несовершенства скважины.

Впервые вопрос поставлен М. Маскетом в 1943 году. В 1947 год - работа М. И. Тихова, 1953 год — A. JI. Хейн. М. М. Глоговский получает решение задачи о притоке к полностью обсаженной скважине, но перфорированной в различных интервалах. Решение приближенное. И. А. Чарный исследовал приток к скважине, обсаженной по всей толщине однородно-анизотропного пласта. Решение получено в виде бесконечного ряда, выраженного через функции Бесселя.

В. И. Щуров методом электромоделирования исследовал распределение потенциала в пласте, вызванного работой несовершенной по степени и характеру вскрытия скважиной. На основе полученных данных электромоделирования В. И. Щуровым построена сетка кривых, позволяющих определять фильтрационные сопротивления несовершенных скважин для стационарного режима притока. Кстати, в силу сложности последующих решений по определению фильтрационных сопротивлений несовершенных скважин графики В. И. Щурова используют и в настоящее время — время вычислительных машин и развитой оргтехники.

В. Н. Щелкачев, анализируя известные решения, приходит к выводу, что степень и характер совершенства скважины существенно влияет на величину понижения давления на забое несовершенной скважины. До него исследователи не обращали на этот факт внимания. В этой связи к числу исследователей влияния несовершенства скважины следует отнести работы М. Т. Абасова, К. Н. Джалилова.

В целом нельзя не отметить, что при достаточно широком исследовании вопроса полученные решения, как правило, сложны. Решение либо графическое, либо в виде расходящихся или слабо сходящихся рядов с использованием функций Бесселя, что, в свою очередь, является причиной ограниченного использования полученных решений как в инженерной практике, так и для целей исследования задач притока жидкости к несовершенной скважине.

Вместе с тем имеется точное решение задачи о потенциале точечного стока (источника) в однородно-анизотропном круговом пласте - решение профессора А.П. Телкова. Математическое решение задачи получено Ю. И. Сткляниным методом интегральных преобразований. Конечная формула для дебита несовершенной скважины выражена через дополнительную функцию в виде ряда гиперболического синуса. Решение сложное и, в силу этого, ограничено для широкого практического использования.

В настоящее время в ряду аналитических решений задачи притока жидкости (газа) к несовершенной скважине наиболее доступной для целей практического приложения, с нашей точки зрения, является, предложенная профессором А. П. Телковым, функция, допускающая рассмотрение поведения характеристик притока с учетом не только геометрии притока, но и времени. Однако установление аналитических связей поведения характеристик притока (распределения давления в зависимости от координат и времени, величины добавочного фильтрационного сопротивления) непосредственно из аналитической зависимости функции профессора А. П. Телкова не представляется возможным в силу того, что решение не позволяет выделить время в качестве слагаемого.

В этой связи задачей настоящего исследования становится — задача численного решения рассматриваемой функции в широком спектре диапазона изменения параметров двухзонного притока жидкости (газа) к несовершенной скважине с целью определения характеристик притока: распределение давления в пласте, численных значений фильтрационных сопротивлений в зависимости от времени и координаты наблюдения (геометрии притока); исследование их взаимосвязи для получения аналитических зависимостей между ними с целью определения характеристик притока к несовершенной скважине и параметров пласта.

Вместе с этим интенсификация добычи, сложно - построенные залежи вводят в практику разработки нефтяных месторождений горизонтальные скважины и, как следствие поиск решений задач по определению характеристик притока к горизонтальной скважине в ограниченном пласте. Известные аналитические решения, в силу сложности полученных результатов, затрудняют их использование, как в научном исследовании, так и в практике. В этой связи для: оценочных расчетов широко используют эмпирические зависимости различных авторов, результаты расчетов которых зачастую противоречат друг другу. Однако основания для разрешения противоречивости результатов практически отсутствуют.

Вместе с тем сложности решений гидродинамических задач притока к скважине не исчерпываются реализацией первичного вскрытия пласта путем проходки вертикальным с частичным либо полным вскрытием, наклонным либо горизонтальным стволом. Структура (тип) коллектора накладывает дополнительные особенности фильтрации жидкости (газа) в горной породе. Сегодня термин «пористая среда» выступает как обобщающий для пласта (коллектора): поровый, трещиноватый, трещиновато-пористый, кавернозный и другие. В этой связи практика эксплуатации нефтяных месторождений ставит задачу определения емкостных характеристик с учетом типа коллектора. И если имеющиеся решения задачи притока к скважине порового или трещиноватого пласта с достаточной степенью точности удовлетворяют практику, то для притока жидкости в трещиновато-поровом пласте имеет место проблема определения емкостных характеристик, пласта методами гидродинамики, например, например, при гидродинамических исследованиях скважин. Известные уравнения Г. И. Баренблатта, Ю. П. Желтова позволяют, при определенных допущениях, получить уравнение пьезопроводности с целью определения емкостных характеристик трещиновато-пористого пласта.

Осложняют проблемы решения гидродинамических задач фильтрации физико - химические свойства фильтрующегося флюида. Пластовая нефть, как жидкость, представляет собой многокомпонентную систему (смесь), каждый компонент которой, при определенных термобарических условиях, представляет собой независимую фазу. В статических условиях это замкнутая в поровом пространстве горной породы равновесная система. При: разработке нефтяного месторождения (отбор пластовой жидкости путем снижения давления в пласте) система становится открытой и без обратной связи. Понижение (повышение) давления в пласте нарушает начальные термобарические условия и, на наш взгляд, тем самым равновесное состояние системы. В этой связи, обеспечивает ли фактор снижения давления в пласте синхронность фильтрации каждому из независимых компонентов, исследователями практически не рассматривается. В то же время многие исследователи, практика разработки обращают внимание на изменчивость физико-химических свойств многокомпонентных флюидов в процессе их движения по пласту. Обобщение изменчивости физико-химических свойств пластовой нефти проведено А. В. Сорокиным и В. Д. Сорокиным в двух томной монографии (Тюмень, «Вектор Бук», 2003 и 2004).

В этом же ряду стоит задача фильтрации газоконденсатных систем, целостность которых обуславливают критические параметры системы. Определение критических параметров таких систем и в особенности газоконденсатных систем с кислыми компонентами ведут, как правило, по приближенным аналитическим зависимостям, и, в связи с этим, экспериментальная оценка таких параметров становится практической задачей исследования.

Разработка нефтяных месторождений нефти в осложненных геологических условиях, возрастающие глубины залегания продуктивных горизонтов, высокие темпы отбора продукции, массовое использование закачки различного рода вытеснителей как природных, так и искусственных, интенсификация гидродинамических процессов, способствуют:

- проявлению внутренних свойств фильтрующихся флюидов при отборе жидкости из пласта, например, изменчивость физико-химических свойств пластовой нефти в процессе разработки месторождения;

- возможному отрицательному воздействию как на состояние самого флюида - его «перерождение» в пластовых условиях (изменение подвижности, компонентного состава), так и на геологическую обстановку в целом (от уровня дневной поверхности до нижележащих горизонтов) в силу действия стабильного внешнего фактора - снижение (повышение) давления и замещения природного вмещающего вещества вытесняющим агентом;

- изменению гидрогеологической обстановки не только в зоне воздействия, но и в примыкающей гидрогеологической системе;

- усилению техногенного влияния на вмещающие породы и гидрогеологическую систему.

Цель работы. Развитие научных основ процессов разработки нефтяных месторождений путем уточнения задач, связанных с фильтрацией пластовых флюидов в терригенных и трещиновато-пористых коллекторах.

Задача исследований.

1. Получить численное решение функции профессора А. П. Телкова как фактический материал исследования распределения давления в пласте в зависимости от геометрии притока и времени наблюдения. Обобщить полученные результаты. Разработать алгоритм численного решения.

2. Исследовать геометрию притока к горизонтальной скважине. Оценить возможность определения дебита горизонтальной скважины и радиуса дренирования.

3. Провести анализ аналитических решений нестационарного притока в трещиновато-пористом пласте с целью обоснования возможности определения емкостных характеристик пласта.

4. Рассмотреть фильтрацию многокомпонентной системы с целью обоснования изменчивости физико-химических свойств пластовой нефти в процессе разработки.

5. Исследовать математическую модель прогнозной добычи нефти в условиях малоизученности месторождения на основе минимального числа известных параметров.

6. Разработать мероприятия по предотвращению отрицательных факторов снижения (повышения) давления в пласте с целью повышения эффективности воздействия.

Работа выполнена на кафедре «Разработка и эксплуатация газовых и газоконд енсатных месторождений».

Автор благодарен наставнику и научному руководителю профессору А. П. Телкову, зав. кафедрой «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений», профессору М. JI. Карнаухову за совместный труд в работе над рукописью.