Обоснование рациональных технологических параметров разработки горизонтальными скважинами нефтяных оторочек газоконденсатных залежей

В настоящее время становятся актуальными проблемы разработки нефтяных оторочек нефтегазовых залежей. Повышенный интерес к нефтяным оторочкам обоснован сокращением ресурсной базы страны и растущими потребностями в нефти. Развитие технологий разработки и бурения способствуют поиску новых методов эксплуатации нефтяных оторочек, рациональная разработка которых прежде оказывалась технологически невозможной или экономически не оправданной.

В отечественной нефтегазовой промышленности имеется опыт разработки нефтегазовых месторождений: Федоровское, Оренбургское, Урицкое, Степновское, Западно-Рыбушанское, Восточно-Сусловское и другие [23]. В условиях плановой экономики и острой необходимости газа на месторождениях с относительно небольшими запасами нефтяных оторочек решение принималось в пользу опережающей разработки газовой части, что часто приводило к расформированию запасов нефти и к ее безвозвратным потерям. Например, на Оренбургском месторождении нефтяная оторочка, размещенная в крыльевой части складки, разрабатывалась после начала разработки газовой части, что привело к расформированию оторочки и безвозвратным потерям части ее запасов.

Сегодня в условиях развития рыночной экономики необходимо рационально использовать геологические запасы нефти и газа, искать эффективные методы разработки нефтегазовых месторождений с целью максимизации прибылей предприятий от разработки месторождений, увеличения налоговых поступлений в бюджет страны, решения социальных задач регионов нефтегазодобычи.

ОАО «Газпром» обладает лицензиями на разработку 9 чисто нефтяных, 3 газонефтяных и 36 нефтегазоконденсатных месторождений, балансовые запасы которых превышают 4,9 млрд. тонн нефти [48]. Залежи, лицензиями на разработку которых обладает ОАО «Газпром», отличаются большим разнообразием условий залегания, соотношения запасов нефти и газа, коллектор-ских свойств продуктивных пластов, степенью изученности геологического строения. К наиболее сложным проблемам разработки нефтяных оторочек относят процессы образования газовых и водяных конусов, которые приводят к ухудшению технологических и технико-экономических показателей разработки, не позволяют достичь высоких значений коэффициента извлечения нефти (КИН). Кинетика образования конусов газа и воды зависит от множества факторов: режима разработки залежирежимов эксплуатации скважин и системы их размещенияфильтрационно-емкостных свойств пласта и физических свойств насыщающих флюидовзональных и слоистых не-однородностейзависимостей относительных фазовых проницаемостей трехфазной системы и др. Разнообразие факторов и сложность условий залегания обуславливают необходимость применения научного подхода при проектировании разработки и новых технологий при эксплуатации месторождений нефтяных оторочек для достижения высоких показателей эффективности.

Разработка нефтяных оторочек на естественных режимах, даже при благоприятных фильтрационно-емкостных свойствах пласта, занимает длительный период времени из-за необходимости вести разработку с небольшими депрессиями и, соответственно, малыми дебитами, и постепенно уменьшающейся толщины оторочки. Длительная разработка нефтяной оторочки приводит к длительной консервации запасов газовой части, а опережающая разработка газовой части — к расформированию нефтяной оторочки и низким значениям коэффициента извлечения нефти.

Поэтому совершенствование технологий разработки нефтяных оторочек газовых и газоконденсатных месторождений является актуальной и важной для нефтегазодобывающей отрасли задачей. Одним из путей решения указанной проблемы являются применение горизонтальных добывающих и нагнетательных скважин при разработке нефтяных оторочек с применением заводнения, что позволяет вовлечь в разработку значительную долю запасов 5 нефти и достичь высоких темпов отбора, и использование полимерных растворов при заводнении нефтенасыщенных пластов с целью увеличения их нефтеотдачи. Исследованию таких технологий посвящено основное содержание настоящей диссертации.

Значительный потенциал повышения эффективности разработки нефтяных оторочек кроется в применении методов оптимизации технологических параметров разработки и оптимального управления технологическими режимами скважин. Обоснование рациональных технологических параметров разработки горизонтальными скважинами нефтяных оторочек газо-конденсатных залежей — тема данной диссертационной работы.

Научный подход решения задач заключается в применении математического моделирования в паре с численными методами, позволяющими учитывать особенности залегания флюидов в пласте, эмпирические зависимости фазовых проницаемостей, свойства флюидов и пластов коллекторов, режимы эксплуатации скважин и их размещение. В работе рассматривается секторная модель разработки нефтяной оторочки с помощью заводнения с применением горизонтальных скважин.

Целью исследований является создание методики формирования и выбора рациональных технологических параметров разработки нефтяных оторочек газоконденсатных залежей.

Задачами настоящих исследований являются:

1) изучение влияния основных технологических параметров (плотности сетки скважин и размещения горизонтальных стволов добывающих и нагнетательных скважин относительно водонефтяного и газонефтяного контактов (ВНЕС и ГНК, соответственно)) на показатели разработки при эксплуатации нефтяных оторочек;

2) поиск значений указанных технологических параметров, оптимальных по критерию максимума прибыли от разработки нефтяной оторочки;

3) изучение закономерностей выработки запасов нефти при разработке нефтяных оторочек с применением заводнения полимерными растворами и выбор оптимальных объемов вытесняющего агента;

4) формирование оптимальных технологических режимов эксплуатации скважин при разработке нефтяной оторочки с применением барьерного заводнения;

5) создание методики оценки экономической эффективности полимерного заводнения.

Основное содержание работы состоит из пяти глав. В первой главе даны: анализ состояния проблемы, литературный обзор предшествующих исследований, основные понятия, существующая классификация систем разработок и их краткие описания. Во второй главе приводятся: описание и обоснование модели, постановка задачи и методика численного решения. В третьей главе исследуются вопросы влияния различных технологических параметров системы разработки на КИН и технологические показатели разработки. Также приведен пример решения задачи оптимизации набора технологических параметров при заданных экономических факторах. В четвертой главе рассмотрена технология закачки полимерного раствора при заводнении нефтяной оторочки, показана технологическая эффективность и приведен пример выбора оптимального объема полимерного раствора. Там же предложена методика оценки экономической эффективности данного метода воздействия на пласт. Пятая глава посвящена оптимальному управлению технологическими режимами эксплуатации скважин. Задача управления заключается в определении динамики изменения режима эксплуатации скважины, которая обеспечивает выполнение критерия максимум прибыли. В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

В рамках работы в среде Matlab создана программа моделирования элемента разработки нефтяной оторочки. Результаты вычислительных экспериментов третьей и четвертой глав получены с помощью программы автора.

Для решения задачи оптимального управления в среде Matlab создана про7 грамма оптимизации, в качестве прибора гидродинамического моделирования применялся программный комплекс Eclipse.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1) предложены постановка и алгоритм решения задачи выбора оптимальных технологических параметров (плотности сетки скважин и их размещение относительно ВНЕС и ГНК) при разработке нефтяной оторочки;

2) создана и апробирована численная модель вытеснения нефти водой и полимерными растворами, которая, в отличие от традиционных моделей, с большей точностью учитывает сжимаемость флюидов и условия непроницаемости на границах;

3) предложены постановка и алгоритм решения задачи выбора оптимальных технологических режимов эксплуатации скважин при разработке нефтяной оторочки по критерию максимума прибыли;

4) предложена методика оценки экономической эффективности применения полимерных растворов в качестве вытесняющих агентов.

Практическая ценность работы обусловлена следующим:

1) созданные численная модель и программа расчета значений технологических параметров позволяют прогнозировать величину КИН и других показателей разработки нефтяной оторочки;

2) методика формирования рациональной стратегии разработки нефтяной оторочки позволяет выбрать оптимальные технологические режимы эксплуатации скважин;

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались численные методы решения систем нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, методы оптимизации и статистические методы.

Достоверность полученных результатов подтверждается теоретическим обоснованием предлагаемых моделей и методов и их численными исследованиями.

Апробация работы. Работа выполнялась в рамках договора № 0060−062 от 28.08.2006 г. «Разработка методов моделирования, оптимизации и оценки эффективности воздействия на нефтяные оторочки газоконденсатных месторождений с целью повышения компонентоотдачи».

Результаты работы были представлены на следующих конференциях:

1) 7-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». (Москва, 2007);

2) 7-ая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2007);

3) Научный семинар Российского государственного университета нефти и газа с Международным научно-исследовательским институтом Ставан-гера (International Research Institute of Stavanger), (Берген, Норвегия 2007);

4) III Всероссийская молодежная конференция по проблемам управления 2008 (Москва, 2008);

5) Школа-семинар Проблемы управления и информационные технологии 2008 (Казань, 2008).

6) 11-th European Conference on Mathematics of Oil Recovery (Bergen, Norway, September 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 7 статей, в том числе, 2 — в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация включает 115 страниц, 40 рисунков, 11 таблиц, состоит из введения, пяти глав и заключениябиблиография состоит из 105 наименования.

4.5 Выводы к главе 4.

В данной главе исследована технология полимерного заводнения нефтяной оторочки. Численные эксперименты показали целесообразность применения полимерных растворов для создания водных барьеров и решения оптимизационной задачи. Изучено влияние времени проведения метода воздействия на пласт на технологические показатели разработки.

Результаты экспериментов показали следующее:

1. Полимерное заводение позволяет улучшить технологические показатели разработки нефтяной оторочки за счет снижения потоков воды через газовую часть и водяную подушку.

2. Основная часть полимерного раствора попадает в газовую часть (водяной барьер) благодаря чему проявляется эффект аккумулирования примеси в связанной воде при разработке нефтяной оторочки с применением полимерного заводнения.

3. Экономический эффект от применения полимерного заводения может быть отрицательным при выборе недостаточного объема полимерного раствора, в то время как существует оптимум.

4. В ряде случаев экономический эффект от применения полимерного заводнения может быть отрицательным при выборе любого объема полимерного раствора в зависимости от экономических факторов.

5. Применение полимерных растворов эффективно на всех стадиях разработки нефтяных оторочек.

6. Закачка полимерного раствора в начальный период разработки позволяет сократить сроки эксплуатации месторождения.

7. Достигаемый технологический эффект, выражаемый в дополнительной добыче нефти, не сохраняется на длительный срок, а исчезает по мере прекращения действия эффекта от метода воздействия на пласт, что обусловлено выносом полимерной добавки из пласта.

На основе полученных результатов получена и предложена методика оценки экономического эффекта от проведения метода воздействия на пласт, учитывающий реальный рост нефтеотдачи и сокращение эксплуатационных затрат.

ГЛАВА V.

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН ПРИ РАЗРАБОТКЕ НЕФТЯНОЙ.

ОТОРОЧКИ.

5.1 Постановка задачи и методика решения.

В предыдущих главах рассматривались варианты разработки нефтяной оторочки сводового типа при постоянных забойных давлениях на всем периоде разработки. Такой подход позволял выдерживать квазистатическое состояние конусов газа и воды и избежать резких изменений давления, что могло произойти при использовании заданных значений расхода жидкости на скважинах из-за неблагоприятных соотношений вязкостей нефти, воды и газа и нелинейного характера кривых фазовых проницаемостей. Расчет технологических показателей разработки и решение задачи оптимизации технологических параметров при постоянных забойных давлениях на всем периоде разработки было обосновано наличием неопределенностей и недостаточной информацией о пласте. Задачу выбора оптимальных технологических режимов эксплуатации скважин следует решать отдельно, привлекая к этому всю доступную информацию об объекте после обустройства участка месторождения. Данная глава посвящена формированию оптимальной стратегии управления технологическими режимами эксплуатации скважин при разработке нефтяной оторочки.

Оптимальному управлению технологическими режимами скважин посвящено множество работ. Методики управления принято классифицировать по группам: активное и реактивное управление. Реактивное управление задает режим эксплуатации скважины в зависимости от текущих эксплуатационных показателей. Например, режим эксплуатации скважины при заданном газовом факторе, предложенный в работе [93], относиться ко второй группе. В данной главе рассматривается активное управление, отличие которого от реактивного будет объяснено ниже.

Под решением задачи управления понимается определение зависимости дебита по жидкости или забойного давления добывающей скважины от времени на весь период разработки элемента, обеспечивающий выполнение заданного критерия. В качестве критерия оптимальности выбран максимум прибыли от разработки. Забойное давление нагнетательной скважины задавалось постоянным, что обусловлено спецификой НТК залежей. Поскольку сохранение давления в газовой части постоянным и близким к начальному значению на всем периоде разработки нефтяной оторочки является предпочтительным, то целесообразно поддерживать постоянное давление на забое нагнетательной скважины. Выбор оптимального забойного давления (режима эксплуатации) нагнетательной скважины в данной работе не рассматривается.

Рассмотрено два варианта постановки и решения задачи. В первом варианте параметром управления является изменение во времени забойного давления добывающей скважины, а во втором — изменение дебита жидкости.

Для отыскания оптимальной стратегии разработки нефтяной оторочки (оптимальной динамики дебита или забойного давления) применяется метод наискорейшего подъема и статистический метод оценки градиента целевой функции [93]. На каждой итерации генерируется множество стратегий разработки, подчиняющихся нормальному распределению. Для каждой стратегии рассчитывается значения показателей разработки с помощью гидродинамического симулятора (использовался Eclipse), что позволяет оценить значения целевой функции и ее градиента.

Метод наискорейшего подъема может быть представлен следующей итерационной процедурой:

U/+l =U/ + ^/Сц§-/> (5Л) где u = ti (tx), u (t2),., u{tK) — вектор управленияК — число контрольных периодов (шагов управления) — / - номер итерацииai — настраиваемый параметр шагаСи — ковариационная матрица вектора иматрица чувствительности целевой функции к возмущениям вектора и. Аппроксимации ковариационной матрицы Си и матрицы чувствительности g, имеют вид [93]: cu =T7^-rS (u/j -«/)("/J (5.2).

Ne — 1 y=i g/ «ттЦхк, — JMl (5-З).

We -1 -=i где Ne — число элементов множестваjNe u, — медиана множества щ }-=1- j (u,) — медиана множества.

Алгоритм расчета:

I. Инициализация базовой стратегии и расчет соответствующих технологических показателей разработки на симуляторе. Вычисление значения целевой функции.

II. Цикл оптимизации:

1. Формирование множества стратегий путем сложения текущего вектора управления с Ne сгенерированными векторами, подчиняющихся Гаусовскому распределению с нулевой медианой.

2. Расчет на симуляторе основных технологических показателей разработки и соответствующих значений целевой функции для всех вариантов множества.

3. Расчет матриц ковариации Си и чувствительности целевой функции g по формулам (5.2) и (5.3).

4. Формирование нового вектора управления по формуле (5.1), расчет технологических показателей и вычисление нового значения целевой функции. Проверка условия: если полученное значение целевой функции меньше предыдущего, то необходимо уменьшить параметр а1- если полученное значение целевой функции больше предыдущего, то повторить шаг 4- при достаточно малой величине а1 перейти к шагу 5.

5. Проверка условия: если значение целевой функции, полученное на шаге 4 текущей итерации, больше значения с предыдущей итерации, то необходимо перейти к новой итерации. завершить цикл оптимизации при достаточно малом приращении целевой функции, т. е. выполнении условия выхода из итерации (например, относительное приращение целевой функции менее 0,05%).

III. Сохранение результатов и завершение расчетов.

Для реализации данного алгоритма создана программа в среде Matlab с использованием гидродинамического симулятора Eclipse. Результаты оптимизации технологических режимов эксплуатации добывающей скважины, дренирующей нефтяную оторочку, представлены ниже.

5.2 Пример расчета оптимальных технологических режимов эксплуатации скважины при разработке нефтяной оторочки.

В данном примере, в отличие от рассмотренных ранее задач оптимизации, задано ограничение периода разработки нефтяной оторочки по времени. Как было сказано ранее, разработку нефтяной оторочки НТК залежи следует проводить в заданный (ограниченный) период времени, чтобы избежать длительной консервации газовых запасов.

Целевая функция (прибыль) определяется следующим образом: к=1 СнЧн, к (U) — Сдп (Чн, к (U) + Я*, к (U)) ~^звЧзв (и) шах. и.

5.4).

1+ъук.

Здесь к — индекс отчетного периода (отчетный период может составлять месяц, квартал, год и др. по выбору);

К — общее число отчетных периодов;

Чи к' Чъ к' <7зв к — добыча нефти, воды и закачка воды в текущем отчетном периоде к;

Ъ — индекс дисконтированияак — число лет, соответствующее отчетному периоду к.

Задача управления, состоящая в максимизации функционала (5.1) решена для следующих исходных данных: С&bdquo-=220 усл. ед./м, Сдп=7 усл. ед./м, Сзв=5 усл. ед./м3, Ь=0- vnp=95%, Г = 10 лет.

Результаты расчетов приведены в таблице 5.1 (абсолютные значения технологических и экономических показателей приведены к единице длины горизонтального ствола).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования диссертационной работы посвящены проблеме повышения эффективности разработки нефтяных оторочек сводового типа. Эксплуатация таких объектов усложнена проблемами конусообразования, обусловленные наличием в непосредственной близости газовой шапки и водяной подушки. В диссертации рассмотрена технология разработки нефтяных оторочек небольшой толщины методом искусственного заводнения с применением горизонтальных скважин. Такая технология являлась предметом исследований настоящей работы, при решении задач которой рассматривался элемент разработки нефтяной оторочки. Для описания процессов многофазной фильтрации предложена математическая модель, учитывающая гравитационный фактор и сжимаемость флюидов, для численного решения которой создана программа в среде Matlab.

Результаты численных экспериментов показали высокую эффективность искусственного заводнения с использованием горизонтальных скважин при разработке тонких нефтяных оторочек, залегающих в пологих пластах. Выделены два принципиально различных периода разработки нефтяной оторочки: до создания водяного барьера и после. Очевидно благоприятное действие водяного барьера на основные технологические показатели разработки, которое заключается в улучшении динамики дебита нефти и уменьшении притока газа.

Проведены исследования влияний технологических параметров разработки на эксплуатационные показатели, по результатам которых обоснована необходимость постановки и решения задачи оптимизации технологических параметров разработки на этапе проектирования системы разработки. Предложена методика поиска оптимального набора технологических параметров: расстояние между скважинами, расположение добывающей и нагнетательной скважин относительно ВНК и ГНК.

Как показали результаты, основной проблемой разработки нефтяных оторочек методом заводнения является высокая обводненность скважинной продукции. В связи с этим исследована и предложена технология полимерного заводнения нефтяной оторочки. Для описания фильтрации активной примеси в составе различных фаз система основных дифференциальных уравнений дополнена уравнением, описывающим распределение концентрации примеси в пласте и ее изменение во времени. Результаты показали высокую технологическую эффективность от применения такой технологии. Эффективность достигается за счет снижения потоков воды через газовую и водяную части. Основная доля полимерного раствора попадает в газовую часть в составе водяного барьера, незначительные доли — в нефтяную и водяную части. Численный метод решения задачи позволил выявить аккумулирующий эффект связанной воды, приводящий к продлению действия эффекта. Решена задача выбора оптимального объема полимерного раствора, который зависит от соотношения ее стоимости и эксплуатационных затрат. Применение полимерных растворов приводит к технологическому эффект, но не гарантирует положительного экономического эффекта. Полимерное заводнение позволяет сократить период эксплуатации залежи. Предложена методика оценки экономического эффекта от применения полимерного заводнения, учитывающая реальный прирост нефтеотдачи и сокращение эксплуатационных затрат.

В диссертации решена задача оптимизации технологических режимов эксплуатации добывающей скважины элемента разработки. Протестированная методика показала свою эффективность. Задача управления решена с учетом ограничения на длительность разработки нефтяной оторочки в двух различных постановках: в первом параметром управления является дебит скважины по жидкости, во втором — забойное давление. При оптимальной стратегии дебит жидкости на поздней стадии существенно возрастает, что обусловлено действием ограничения по времени разработки и большим отношением вязкостей нефти и воды.

По данной работе получены следующие основные результаты:

1. Исследована технология разработки горизонтальными скважинами нефтяных оторочек сводового типа с применением заводнения. Показана возможность повышения эффективности разработки нефтяных оторочек такой технологией за счет дренирования основных запасов нефти без разрушения оторочки. Высокая эффективность обусловлена также созданием водного барьера над нефтяной оторочкой.

2. Изучено влияние на основные показатели разработки (КИН, прибыль) технологических параметров: плотности сетки скважин, расположения горизонтальных стволов добывающей и нагнетательной скважин относительно ВНК и ГНК, режимов эксплуатации скважин. Наибольшее влияние оказывает расстояние между скважинами и режимы их эксплуатации. Положение скважин относительно контактов (ВНК и ГНК) в большей степени влияет на динамику показателей и в меньшей степени на конечные технологические показатели разработки.

3. Предложены модель и метод оптимизации технологических параметров разработки нефтяной оторочки методом покоординатного поиска. Проведенные расчеты подтвердили применимость и работоспособность метода.

4. Исследована и предложена технология нагнетания полимерного раствора для создания водяного барьера и вытеснения нефти при разработке нефтяной оторочки. Разработан алгоритм выбора оптимального объема полимерного раствора. Численные эксперименты показали, что полимерный раствор в большем объеме попадает в газовую часть и тем самым снижает неэффективный поток (расход) воды через газовую часть, что способствует созданию устойчивого водяного барьера. Применение полимерного заводнения не всегда гарантирует экономическую эффективность, которая во многом зависит от соотношения цены нефти, затрат на реализацию системы ППД, затрат на добычу скважинной продукции и стоимости полимерного раствора.

5. Исследовано влияние времени проведения метода воздействия на пласт (полимерного заводнения) на основные показатели разработки нефтяной оторочки. Наилучший результат достигается при осуществлении метода воздействия на начальной стадии разработки.

6. Предложена методика оценки экономической эффективности метода воздействия на пласт (полимерного заводнения).

7. Предложен метод оптимизации технологических режимов эксплуатации скважин, дренирующих нефтяную оторочку.

8. Для численного исследования разработанных алгоритмов созданы программы в среде Matlab.

9. Для численного решения задач подземной гидромеханики предложены методы нормировки решения после каждого временного шага, учета сжимаемости флюидов и гравитационного фактора.

10. Разработанные модели, алгоритмы и программы составляют основное содержание методики формирования и выбора рациональных технологических параметров разработки нефтяных оторочек газоконденсатных залежей.