Закономерности развития нефтяной отрасли России таковы, что к настоящему времени сложилась крайне неблагоприятная структура нефтяной базы, в которой доля активных запасов (традиционных, технологически освоенных) не достигает и половины от общего объема остаточных запасов нефти /12, 102/.
Основная доля активных запасов России сегодня — трудноизвлекаемые запасы нефти (ТИЗ), основа перспективного развития нефтяной промышленности нашей страны. Текущая ситуация со структурой балансовых запасов нефти приведена на рис. 1. Очевиден рост доли трудноизвлекаемых запасов в остаточных балансовых и извлекаемых запасах как следствие первоочередной выработки наиболее доступных традиционных залежей. В общей же структуре трудноизвлекаемых запасов преобладающую, основную роль играют низкопроницаемые коллектора (рис. 2). На сегодня более 80% запасов нефти, уже вовлеченных в разработку на территории Западной Сибири, приурочены к категории трудноизвлекаемых в основном по причине низкой проницаемости коллекторов.
Отметим, что основные современные технологии разработки трудноизвлекаемых запасов является крайне малоэффективной по сравнению с методами извлечения традиционных запасов нефти: средний конечный коэффициент нефтеотдачи в традиционных условиях равен 38 -г 45% от геологических запасовсредний конечный коэффициент нефтеотдачи в низкопроницаемых коллекторах равен 10 -=-35%.
Разработка месторождений с низкопроницаемыми коллекторами в настоящее время осуществляется в большинстве случаев с применением заводнения /95/. При этом наблюдается значительное расхождение между средним проектным коэффициентом извлечения и фактическим — 29% и 6%, соответственно.
Трудноизвлекаемые запасы нефти характеризуются изначально более низкими дебитами скважин и сравнительно невысокими темпами отбора нефти. Уже сейчас более 70% запасов нефтяных компаний /12, 102, 136/ находятся в диапазоне низких дебитов скважин на грани рентабельности: если десять лет назад доля вовле.
Категория основных показателей текущей структуры балансовых запасов нефти России.
СЭ Активные запасы О ТИЗ.
Рис. I. Доля текущих активных и трудноизвлекаемых (ТИЗ) запасов России: / - в начальных балансовых запасах- 2 — в остаточных балансовых запасах- 3 — в начальных извлекаемых запасах- 4 — в остаточных извлекаемых запасах- 5 — в общей добыче нефти.
Категория структуры трудноизвлекаемых запасов нефти России.
Рис. 2. Текущая структура трудноизвлекаемых запасов нефти России: 1 — в низкопроницаемых коллекторах- 2 — остаточные запасы обводненных зон- 3 — подгазовые зоны- 4 — высоковязкие нефти- 5 — глубокие горизонты ченных в разработку запасов с дебитами скважин менее 25 т/сут составляла почти 55%, то сегодня такую долю (55%) составляют запасы с дебитами скважин до 10 т/сут.
По современной классификации к низкопроницаемым коллекторам относятся песчаники проницаемостью менее 0,05 мкм, т. е., собственно низкопроницаемые пластыглиносодержащие песчаникислабодренируемые зоны низкопроницаемого коллекторанизкодебитные пласты.
Становление работ по проблеме низкопроницаемых коллекторов связано в первую очередь с именем М. Л. Сургучева, по инициативе которого в середине 80 -ых г. г. были выполнены первые масштабные работы по изучению особенностей разработки таких объектов, в частности, совместно с Ю. П. Борисовым и Ю. В. Желтовым создана геолого — гидродинамическая модель низкопроницаемой залежи нефти баженовской свиты Салымского месторождения. В дальнейшем фундаментальные исследования проводили Б. Т. Баишев, С. Г. Вольпин, А. Т. Горбунов, Р. Н. Дияшев, Ю. В. Желтов, А. Г. Ковалев, А. X. Мирзаджанзаде, II. II. Михайлов, И. Т. Мищенко, Ю. А. Мясников, И. Д. Умрихин, А. Я. Хавкин и другие ученые и специалисты /2, 30 — 34, 40, 45 — 49, 63, 64, 69, 77, 81, 84 — 87, 89, 90, 95, 101 — 105, 111 — 113, 124, 129, 134- 136, 138 и др./.
При разработке нефтяных залежей в низкопроницаемых коллекторах зачастую отмечается существенное несоответствие фактических и проектных показателей вследствие того же подхода к проектированию, как к традиционным пластам, без учета их специфики. Несмотря на очевидные различия, гидродинамическое изучение и проектирование низкопроницаемых объектов основано на фильтрационных моделях традиционных пластов и законе Дарси.
Одна из основных стратегических задача научно — технического прогресса в нефтедобыче — кардинальное повышение эффективности освоения трудноизвле-каемых запасов нефти в сложнопостроенных низкопроницаемых коллекторах. Среди прочих мер, улучшить ситуацию в разработке таких залежей, принимаемых проектных решениях и контроле их реализации возможно путем более широкого проведения и совершенствования методов промысловых исследований. При этом возрастает значимость гидродинамических методов как основе определения потенциала малодебнтных скважин, фильтрационных параметров низкопроницаемых коллекторов, контроля и обеспечения эффективности разработки месторождения, а выполненное в диссертации научное обобщение проблемы гидродинамического изучения низко проницаемых пластов и малодебитных скважин представляется актуальной задачей.
Несмотря на явную важность проблемы, работ в этом направлении весьма мало / 2, 30 — 34, 45, 64, 77, 123/, вследствие этого для низкопроницаемых коллекторов применяются практически те же методики интерпретации, что и для обычных пластов. Отметим, что весьма спорным является использование при гидродинамических исследованиях низкопроницаемых коллекторов теоретической базы, разработанной для обычных традиционных пластов. В отсутствие каких —либо обоснований допускается, что при проведении гидродинамических исследований традиционная теория достоверно описывает течение в низкопроницаемых средах. В то же время многочисленные исследования показывают, что фильтрация в таких средах протекает по более сложным законам.
Диссертационная работа поставлена с целыо совершенствования методов гидродинамических исследований пизкопроницаемых пластов и малодебитных скважин путем более полного учета особенностей их филыпрационно — емкостных характеристик и течения флюида.
Основными задачами исследования являются:
1. Установить особенности фильтрационно — емкостных характеристик низкопроницаемых коллекторов и течения в них жидкости. Выделить факторы, которые оказывают основное влияние на пластовые процессы и необходимо учитывать при гидродинамическом изучении таких объектов.
2. Оценить соответствие моделей, применяемых при гидродинамическом изучении низкопроницаемых коллекторов, реальным пластовым процессам.
3. Создать модель, учитывающую особенности низкопроницаемых сред, получить решения, приемлемые для обратных задач подземной гидродинамики, и усовершенствовать методику гидродинамического изучения таких коллекторов.
Поставленные задачи решались как теоретически, так и экспериментально в промысловых условиях. При этом использовались обзоры публикаций по данной проблеме, методы геолого — промыслового анализа, численного моделирования, математической физики и подземной гидродинамики. Предложен новый подход /15, 20/ к математическому описанию процессов течения флюидов в низкопроницаемых средах. Достоинством предлагаемого подхода /15, 20/ является представление искомого решения (численного или аналитического) в виде суммы решений, при этом методы получения одного из них хорошо известны. В целом такой подход позволяет существенно упростить постановку и решение и может быть использован при рассмотрении сложных задач нелинейной фильтрации.
В отличие от традиционной модели, в предлагаемой фильтрационной модели /23/ учитывается, что ходе исследования скважины методом восстановления давления эффективная (работающая) толщина и гидропроводность пласта изменяются. В результате выполнено гидродинамическое моделирование нелинейной фильтрации флюида в сложнопостроенных неоднородных или низкопроницаемых коллекторах со структурно — механическими свойствами к добывающей скважине при нестационарном режиме ее эксплуатации скважины так, что эффективная (работающая) толщина и гидропроводность пласта изменяются /23/. Получены нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка, описывающие течение жидкости к скважине в пласте со структурно — механическими свойствами, приемлемые для решения обратных задач гидродинамики /23/.
Существенные математические трудности, возникшие в процессе теоретических исследований течения жидкости в низкопроницаемом коллекторе, привели к поиску наиболее эффективных подходов к решению поставленных задач, отраженных в учебном пособии «Теоретические основы приближенных методов решения уравнения пьезопроводности» /22/. Наиболее приемлемым нам показался метод интегральных соотношений, использованный для решения задачи о неустановившимся течении жидкости в сложнопостроенном пласта, вызванном изменением режима эксплуатации (остановкой) скважины.
Рассмотрена эксплуатация скважины в пласте со структурно — механическими свойствами последовательно на нескольких установившихся режимах /24/. При этом получены решения соответствующего дифференциального уравнения.
Проведен обзор известных способов определения изменений гидропроводности пласта по КВД. Разработан метод определения зависимости гидропроводности пласта со структурно — механическими свойствами от депрессии в ходе восстановления давления после остановки добывающей скважины. Метод признан изобретением и защищен патентом РФ /117/.
Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что разработанная модель низкопроницаемого пласта базируется на известных представлениях и промысловых экспериментах, реализована апробированными методами математического моделирования. Полученные на ее основе аналитические зависимости удовлетворяют краевым условиям, следовательно, являются решениями поставленных задач. В частном случае пласта с постоянной гидропроводностыо полученные зависимости совпадают с известными. Достоверность предлагаемых приближенных решений подтверждена сопоставлениями с точными частными решениями аналогичных задач. Погрешности определения при этом фильтрационных параметров пластовой системы оценены математическим моделированием, промысловогеофизическими и гидродинамическими исследованиями, сравнением прогнозных и фактических показателей эксплуатации скважин. Достоверность выводов диссертационной работы подтверждается практикой разработки залежей нефти в низкопроницаемых пластах.
Научная новизна исследований, выполненных в диссертации, состоит в том, что:
1. Выявлены основные особенности строения низкопроницаемого коллектора, их влияние на закономерности течение флюидов, продуктивные параметры пластов и скважин. Показано, что структурно-механические свойства низкопроницаемого пласта проявляются при отборе жидкости в виде конечной скорости передачи возмущения и нелинейности между градиентом давления и скоростью фильтрации.
2. Предложен подход к описанию нелинейной фильтрации, его достоинство — представление искомого решения суммой решений, методы получения их известны.
3. Создана гидродинамическая модель нелинейной фильтрации в низкопроницаемом пласте. Получены дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка, описывающие течение сжимаемой жидкости к скважине, при этом во времени эффективная толщина и гидропроводность пласта меняются.
4. Решена задача об эксплуатации скважины в низкопроницаемом пласте на установившихся режимах, при этом гидропроводность коллектора зависит от отбора.
5. Решена задача о неустановившемся течении упругой жидкости в возмущенной области низкопроницаемого пласта, вызванном изменением режима эксплуатации (остановкой) скважины, при этом гидропроводность пласта меняются во времени.
Основными защищаемыми положениями диссертационной работы являются:
1. Гидродинамическая модель и дифференциальные уравнения нелинейной фильтрации жидкости в пласте со структурно — механическими свойствами.
2. Решение задачи об эксплуатации скважины в низкопроницаемом пласте на установившихся режимах, при этом гидропроводность коллектора зависит от отбора.
3. Решение задачи о неустановившемся течении упругой жидкости в возмущенной области низкопроницаемого пласта, вызванном изменением режима эксплуата-, ции (остановкой) скважины, при этом гидропроводность пласта меняются во времени.
4. Способ определения зависимости гидропроводности низкопроницаемого пласта со структурно — механическими свойствами от депрессии в ходе восстановления давления после остановки добывающей скважины.
Практическая ценность диссертации состоит в то, что:
1. Проведен комплекс работ по совершенствованию методов гидродинамического изучения низкопроницаемых коллекторов, характеризуемых существенной неоднородностью с преобладанием низкопроницаемых пород, при этом фильтрационными параметрами служат коэффициент проницаемости и предельный градиент, при возмущении изменяются эффективная толщина и гидропроводность пласта.
2. Исследованы особенности пластовых процессов при эксплуатации скважины на установившихся режимах. Доказано, что в низкопроницаемом пласте оптимальной с позиций минимизации затрат пластовой энергии и максимального нефте-извлечения является непрерывная работа скважины с максимальным отбором, поскольку обеспечивается наибольший охват залежи дренированием.
3. Исследованы особенности процесса восстановления давления в низкопроницаемом пласте, в ходе которого эффективная толщина и гидропроводность изменяются во времени. Показано, что по внешнему виду КВД затруднительно судить о снижении при этом гидропроводности пласта. Необходима особая методика интерпретации КВД для раздельного учета влияния продолжающегося притока, скин — фактора и изменения гидропроводности пласта.
4. Разработан способ определения зависимости гидропроводности низкопроницаемого пласта со структурно — механическими свойствами от депрессии в ходе восстановления давления после остановки добывающей скважины. Для этого используются данные только одного исследования скважины методом восстановления давления. Применение способа повышает точность, сокращает время и упрощается процедуру такого определения, уменьшает потери нефтедобычи. Способ признан изобретением и защищен патентом РФ. Его применение позволило уточнить параметры пластов нефтяных залежей Саратовской и Волгоградской областей.
Содержание работы докладывалось на 55 — ой Юбилейной межвузовской студ. научной конференции (лауреат по секции 2 «Разработка нефтяных и газовых месторождений, бурение скважин», г. Москва, 2001), 56 — ой межвузовской студ. научной конференции (секция 2 «Разработка нефтяных и газовых месторождений», г. Москва, 2002), 57 — ой межвузовской студ. научной конференции (секция 2 «Разработка нефтяных и газовых месторождений», г. Москва, 2003), научных семинарах кафедры РиЭНМ РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (2005, 2006, 2007 гг.).
Основное содержание диссертации отражено в патенте РФ и 8 печатных работах (одна в соавторстве), из них 2 статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Работа состоит из 6 глав, введения и заключения. Содержание диссертации изложено на 220 страницах, содержит 150 текстовых машинописных страниц, 67 рисунков и 2 таблицы. Библиография насчитывает 168 наименований.
Автор благодарен научному руководителю профессору Мищенко И. Т. за постоянное внимание к работе и предоставленную возможность ее обсуждения на всех этапах выполнения.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1. Рассмотрены характеристики и особенности строения низкопроницаемого коллектора, их влияние на закономерности течение флюидов, продуктивные параметры пластов и скважин. Показано, что структурно — механические свойства пласта проявляются при нефтеизвлечении в виде конечной скорости передачи возмущения и нелинейности между градиентом давления и скоростью фильтрации.
2. При ГДИС в низкопроницаемых коллекторах следует учитывать, что пласты имеют существенную неоднородность с преобладанием доли низкопроницаемых породфильтрационными параметрами служат коэффициент проницаемости и предельный градиент, отражающий структурно — механические свойства системы жидкость — горная породапри изменении режима эксплуатации скважины с перераспределением давления происходят изменения эффективной толщины и гидро-проводности пласта.
3. В связи с математическими трудностями моделирования течения в коллекторе предложен новый подход к описанию нелинейной фильтрации, при этом векторное поле скорости фильтрации, определяемое скалярным полем давления, является результатом наложения полей давлений Р{ и Р2. Поле функции давления Рх обусловлено вязкостными потерями при течении по линейному закону, инерционные потери или структурно — механические свойства пласта проявляются как дополнительные сопротивления потоку и обусловили поле функции давления Р2. Достоинством предлагаемого подхода является представление искомого решения (численного или аналитического) в виде суммы решений. Это упрощает решение и может быть использовано при рассмотрении задач нелинейной фильтрации.
4. Предлагается учитывать особенности сложнопостроеиного коллектора многослойной моделью как естественное обобщение нелинейного закона фильтрации в тонких слоистых пластах. При этом модель пласта представляется набором тонких горизонтальных прослоев с различной проницаемостью, предельным градиентом и толщиной, течение жидкости здесь подчиняется нелинейному закону. На основе такого представления пласта выполнено гидродинамическое моделирование нелинейной фильтрации флюида к добывающей скважине в сложнопостроенных неодпородных или низкопроницаемых коллекторах со структурно — механическими свойствами, при этом эффективная (работающая) толщина и гидропроводность пласта изменяются.
Получены нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка, описывающие течение слабосжимаемой жидкости к скважине в пласте со структурно — механическими свойствами, при этом эффективная толщина и гидропроводность пласта изменяются. Полученные уравнения приемлемы для решения задач гидродинамики.
5. Рассмотрена эксплуатация скважины в пласте со структурно — механическими свойствами последовательно на нескольких установившихся режимах, при этом получены аналитические решения соответствующего дифференциального уравнения. Для их анализа проведено математическое моделирование процесса эксплуатации скважин на установившихся режимах, при этом установлено, что: индикаторные линии (ИЛ) скважин в низкопроницаемом пласте с переменной гидропроводностыо, зависящей от режима эксплуатации, имеют криволинейную форму, вогнутую по отношению к оси дебитов. Однако вследствие смыкания трещин в призабойной зоне с ростом депрессии ИЛ могут быть как прямолинейными, так и иметь достаточно сложные искривленные формы, а коэффициент продуктивности малодебитной скважины может быть как постоянным, так и существенно изменяться в зависимости от депрессии на пластуменьшение гидропроводности работающего интервала в зависимости от отбора из пласта и обусловленные этим дополнительные фильтрационные сопротивления существенно снижают забойного давления и увеличивают градиент давления на стенке скважины по сравнению с пластом постоянной гидропроводностыо, не зависящей от режима эксплуатации. Отсюда для пласта с гидропроводностыо, зависящей от режима работы, оптимальной с позиции затрат пластовой энергии является эксплуатация с максимальным отбором- => структурно — механические свойства пласта, проявляющиеся как нелинейность закона фильтрации и наличие предельного градиента давления, наиболее существенно влияют на распределение пластового давления в области низких скоростей течения на удалении 20 30 метров от скважины и далее, вплоть до контура питания. Потери давления в этой области обусловлены низкими градиентами давления, соизмеримыми с предельным градиентом сдвига, так что основные затраты давления здесь расходуются не на вязкостное трение слоев жидкости, а на преодоление начального напряжения сдвигауменьшение гидропроводности работающего интервала в зависимости от отбора вызывает дополнительные вязкостные потери напора в потоке жидкости. Отсюда эксплуатация добывающей скважины с максимальным отбором обеспечивает наиболее полный охват дренированием эффективной толщины пласта, т. е., максимальную гидропроводностьс уменьшением отбора из пласта радиус области стационарного течения уменьшается, форсированный режим способствует вовлечению в разработку удаленных областей пласта. Отсюда, для пласта с гидропроводностыо, зависящей от режима работы, оптимальной с позиции наиболее полного нефтеизвле-чения является эксплуатация добывающих скважин с максимальным отбором, обеспечивающим наибольший охват дренированием по площади залежи.
6. Методом интегральных соотношений решена задача о плоскорадиальном неустановившимся течении упругой жидкости, вызванном изменением режима эксплуатации (остановкой) малодебитной скважины, в возмущенной области низкопроницаемого пласта со структурно — механическими свойствами, при этом эффективная толщина и гидропроводность пласта изменяются. Полученные зависимости удовлетворяют заданным краевым условиям, следовательно, являются решением поставленной задачи. В частном случае пуска скважины в невозмущенном пласте постоянной гидропроводности полученные зависимости совпадают с известными.
7. Результаты математического моделирования нестационарной фильтрации в низкопроницаемом пласте со структурно — механическими свойствами после остановки добывающей скважины показали, что: предлагаемое решение позволяет решать прямую задачу определения поведения забойного давления при переменной гидропроводности коллектора по известным свойствам пласта и затухающему притоку в ствол. В различных частных случаях результаты предлагаемого решения совпадают с известнымиснижение гидропроводности пласта после остановки добывающей скважины проявляется в отставании роста забойного давления. Аналогичный вид имеют КВД в скважинах как в условиях продолжающегося притока, так и с загрязненной призабойной зоной- © по виду КВД затруднительно судить о снижении при этом гидропроводности пласта. Для раздельного учета влияния продолжающегося притока, неоднородной призабойной зоны и снижения при этом гидропроводности пласта необходима соответствующая методика интерпретации КВД. 8. Установлено весьма ограниченное число способов и методов определения по результатам ГДИС зависимости гидропроводности пласта от дебита и депрессии на пласт, при этом существующие способы имеют определенные ограничения, затрудняющие их широкое использование. В этой связи разработан способ определения зависимости гидропроводности низкопроницаемого пласта со структурно — механическими свойствами от дебита и депрессии на пласт в ходе восстановления давления после остановки добывающей скважины. Для этого используются кривая восстановления забойного давления и соответствующая ей кривая продолжающегося притока жидкости в ствол, полученные в ходе только одного исследования скважины методом КВД. Способ признан изобретением и защищен патентом РФ. Основой предлагаемого способа являются предлагаемые модель низкопроницаемого пласта, дифференциальные уравнения течения здесь жидкости к добывающей скважине и их решения.
Изложена процедура обработки КВД и КПП для определения зависимости гидропроводности пласта от дебита и депрессии на пласт, даны примеры применения способа в практике ГДИС на месторождениях Поволжья. Установлено, что предлагаемый способ позволяет определять изменения гидропроводности пласта с точностью, приемлемой для нефтепромысловой практики, погрешности такого определения не превышают в среднем 10%.
В целом применение предлагаемого способа повышает точность, сокращает время и упрощает процедуру определения зависимости коэффициента гидропроводности от дебита и депрессии на пласт, уменьшает потери добычи нефти за счет сокращения простоев скважин, поскольку требует только одного исследования КВД.
