Актуальность проблемы.
Вопрос увеличения добычи нефти в настоящее время не теряет своей актуальности. По мере разработки месторождений складываются условия, требующие массового перевода фонда скважин на механизированную добычу. Основным механизированным способом на большинстве месторождений РФ является эксплуатация скважин с помощью установок электроцентробежных насосов (УЭЦН).
Скважины, оборудованные данным типом установок, как правило, характеризуются наиболее экстремальными режимами работы — высокие дебиты по жидкости и депрессии на пласт, значительные темпы изменения забойного давления в процессе вывода на стационарный режим.
Вследствие этого в последнее десятилетие на скважинах, оборудованных УЭЦН, наметилась устойчивая тенденция увеличения отказов оборудования по причине высокого содержания в продукции мехпримесей, выносимых из пласта за счет техногенного воздействия. Существующие в настоящее время способы уменьшения количества взвешенных частиц (КВЧ) в продукции механизированных скважин недостаточно эффективны. Поэтому перспективными направлениями решения проблемы являются дальнейшее совершенствование разработки методов прогнозирования накопления мехпримесей в продукции и выбор технологий, направленных на минимизацию КВЧ.
Цель работы.
Повышение эффективности эксплуатации скважин, добывающих нефть с высокой концентрацией твердых частиц, путем совершенствования методов прогнозирования накопления мехпримесей и создания новых технологий их выноса.
Основные задачи исследований.
1. Анализ причин отказов в работе скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов. Обзор существующих научно-технических решений по прогнозированию накопления, а также защите внутрискважинного оборудования от влияния мехпримесей в продукции. Анализ механических свойств горных пород и обзор современных механико-математических моделей, описывающих поведение пористых сред, насыщенных жидкостью.
2. Исследование состава и свойств находящейся в продукции скважин твердой взвеси и влияние их характеристик на работоспособность скважинного оборудования.
3. Разработка модели разрушения коллектора и переноса твердой взвеси жидкостью в пористой среде.
4. Разработка рекомендаций по выбору технологического режима работы скважин, обеспечивающего минимальное содержание мехпримесей в продукции, выносимых потоком жидкости.
Методы решения поставленных задач.
При теоретическом анализе в работе использовались методы математической физики, подземной и трубной гидравлики, теории вычислений и программирования, а также общие методы математического моделирования, в том числе с применением ПЭВМ. Отдельные задачи подземной гидравлики и геомеханики решались численными методами. При исследовании образцов мехпримесей, отобранных из скважин, применялась рентгеновская дифракция и гранулометрия. Теоретические исследования подтверждены вычислительными экспериментами и статистическим геолого-промысловым материалом об эксплуатации добывающих нефтяных скважин.
Научная новизна.
1. Разработана расчетная схема определения количества взвешенных частиц в продукции добывающей скважины по изменению численного значения коэффициента распора (X,).
2. Уточнен механизм транспортировки твердой взвеси по стволу скважины в интервале «перфорация — прием насоса». Доказано данными промысловых исследований, что вся масса твердых частиц, выносимых на забой скважин, способна транспортироваться до приема при режимах отбора жидкости любым типоразмером электроцентробежного насоса.
3. Разработана гидродинамическая нестационарная инерционная модель фильтрации жидкости в пористой среде призабойной зоны скважины. Доказано, что на процесс перераспределения давления при фильтрации упругой вязкой жидкости в упругой пористой среде влияет ее инерционность. Создана модель перемещения твердых частиц в потоке жидкости, фильтрующейся через пористую среду. Модель учитывает адсорбцию взвеси на поверхности коллектора, приводящую к изменению проницаемости пористой среды из-за уменьшения эффективной пористости и позволяет получить изменение концентрации твердой фазы в пластовом флюиде во времени и пространстве.
4. Создана система управления процессом освоения и эксплуатации скважин, исключающая разрушение коллектора путем регулирования предельно допустимых значений расхода жидкости, пластового и забойного давлений, а также характеристик центробежного насоса.
Основные защищаемые положения.
1. Методика определения количества взвешенных частиц в продукции скважин по коэффициенту распора (А,).
2. Механизм движения твердых частиц по стволу скважины, учитывающий скорости потока флюида, соответствующие режимам работы электроцентробежных насосов, и физико-химические свойства откачиваемой жидкости.
3. Модель перемещения твердых частиц в потоке жидкости, фильтрующихся через пористую среду.
4. Система управления процессом освоения скважины с УЭЦН, откачивающей жидкость с допустимым содержанием механических примесей.
Практическая ценность.
Разработанные рекомендации по расчету режимов работы скважин в настоящее время применяются в следующих предприятиях — операторах добычи нефти: ОАО «Самаранефтегаз», ООО «Сибнефть-Хантос». Их промышленное использование позволило значительно снизить концентрацию взвешенных частиц в продукции ряда скважин, тем самым повысить наработку подземного оборудования на отказ и межремонтный период работы скважин. В результате реализации разработанных рекомендаций на Приобском месторождении в промысловых условиях получено дополнительно 15 000 т нефти, со снижением себестоимости нефти на 2.7%.
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усачева «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск: ТПУ, 2002) — техническом совещании в ООО «Нефтехимсервис — Самара» (г. Самара, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции ученых, аспирантов и представителей предприятий «Ашировские чтения» (г. Самара: СамГТУ, 2006 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе одна статья в издании, входящем в перечень ВАК. Три статьи опубликованы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка задач, участие в теоретических и промысловых исследованиях, обобщение полученных результатов.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Текст диссертации изложен на 107 страницах и содержит 40 рисунков, 2 таблицы.
Список использованных источников
включает в себя 102 наименования.
3.4 Выводы.
1. Исследование процесса переноса механической взвеси по стволу скважины позволяет предположить, что скважина, оборудованная практически любой установкой ЭЦН (вплоть до минимальной производительности ЭЦН-18−1200), способна транспортировать основной объем мехчастиц с забоя до приема насоса. Максимальный размер частиц, способных быть поднятыми до приема насоса составляет 0.6 мм (при вязкости нефти 2 мПа-с). С повышением вязкости жидкости ее несущая способность улучшается.
2. Разработана гидродинамическая инерционная модель фильтрации упругой жидкости в поровом пространстве призабойной зоны скважины. Данная модель позволяет рассчитывать воронку депрессии, в том числе и ее формирование, в процессе эксплуатации оборудованной УЭЦН скважины с заданным технологическим режимом работы — дебит жидкости, забойное давление.
3. Анализ гидродинамической модели показал незначительное влияние инерции на процесс перераспределения давления при радиальной фильтрации упругой жидкости в изотропном осесимметричном поровом пространстве со свойствами реального нефтенасыщенного коллектора. Это связано с относительно низкими значениями коэффициентов пьезопроводности и упругоемкости пласта, а также невозможностью мгновенного создания имеющимися техническими средствами значительных градиентов давления в прискважинной зоне.
4. Доказана аналогия процесса распространения твердой механической взвеси в жидкости, насыщающей пористую среду, явлению диффузии. Подобность рассматриваемых процессов позволила использовать законы, описывающие диффузию, для создания модели миграции мехвзвеси.
5. Разработана физико-математическая модель перемещения твердых частиц потоке жидкости, фильтрующейся через пористую среду. Модель учитывает такие явления как изменение проницаемости пористой среды из-за уменьшения эффективной пористости и адсорбцию взвеси на поверхности коллектора. Решение реализовано в виде конечно-разностной схемы и позволяет получить изменение концентрации твердой фазы в пластовом флюиде во времени и пространстве.
6. Описанные в разделе физико-математическая и гидродинамическая модели позволяют получить функцию изменения КВЧ в продукции скважины в процессе ее эксплуатации.
4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ КВЧ В ПРОДУКЦИИ.
Практическим применением решенных в работе механико-математических и гидродинамических задач является разработка рекомендаций по эксплуатации скважин с высоким содержанием мехпримесей в продукции.
Как отмечалось выше, процесс вывода скважины на стационарный режим, а также ее установившаяся эксплуатация могут сопровождаться различными осложнениями. Этому способствует множество причин, связанных как с технологией и техникой добычи нефти, так и с материально-финансовым состоянием оператора добычи, производящего эксплуатацию скважин:
• отсутствие необходимого типоразмера насосного оборудования и т. п.;
• ограничения на гидродинамический режим коллектора в призабойной зоне, связанные с потерей прочности породы и началом выноса песка.
В связи с этим требуют ответа следующие вопросы. Какова вероятность эксплуатации без осложнений скважины, оборудованной заданной компоновкой «глубина спуска оборудования — насос», отличной от рекомендованной методикой подбора, а также полученной в результате подбора по методикам, не учитывающим нестационарные гидродинамические процессы и условие прочности породы пласта? Сколько продлится освоение скважины, при каких условиях этот процесс будет оптимальным? Если невозможна непрерывная работа скважины, как рассчитать режим периодической эксплуатации?
Возникает задача об управлении процессом освоения и эксплуатации скважины. В случае оборудования скважины электроцентробежным насосом, такое управление можно осуществить регулированием [95, 96] параметров работы, целью которого является обеспечение близости текущих значений параметров системы «Пласт — Скважина — УЭЦН» к их требуемым значениям. Рассмотрим подробнее такую систему управления, схематически изображенную на рис. 4.1.
Объектом управления является призабойная зона скважины, возмущающим (входным) воздействием — изменение давления на забое, а реакцией — приток жидкости. Одна из главных ролей в такой системе отводится регулятору, с которым связана выработка и осуществление управляющих воздействий, а именно:
1. Отслеживание реакции системы па управляющее воздействие: сбор, передача и обработка информации о текущем состоянии. Реакцией системы на возмущающее воздействие является приток жидкости из пласта, вследствие чего происходит изменение КВЧ в продукции. Значит, в качестве У^) можно использовать именно количество взвешенных твердых частиц в продукции. В промысловых условиях наблюдение за этим параметром может производится, например, с помощью датчика КВЧ [48].
2. Принятие решения о корректировке текущего управляющего воздействия. Необходимость корректировки управляющего воздействия возникает при угрозе возникновения факторов, осложняющих процесс эксплуатации: превышение КВЧ предельно допустимого значения, снижение давления на забое скважины ниже предельного значения, приводящего к деструкции коллектора, и т. д.
3. Передача управляющего воздействия и преобразование его в форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления. Призабойной зоной скважины воспринимается изменение давления на забое скважины, которое, в соответствии с уравнением (3.9), зависит от производительности центробежного насоса. Значит С>НАС (0 можно принять за опосредованное возмущающее воздействие Х^). Это воздействие, на основе принятого решения, регулятор и должен соответствующим образом изменить до значения Х*^). У.
Рис. 4.1 Система управления процессом освоения скважины, оборудованной УЭЦН: X — первоначальное входное воздействиеX* - откорректированное входное воздействие;
У — реакция системыР — регулятор
Реально на скважине изменение производительности пасоса производится различными способами: от примитивного включения и выключения УЭЦН в заданные промежутки времени, а также штуцирования потока жидкости в выкидной линии, до технологически и технически сложных конструкций, некоторые из которых рассматривались выше.
Описанную систему управления можно распространить и на случай оперативной корректировки режима эксплуатации скважины, связанной с изменением режима работы залежи, таким как отключение системы поддержания пластового давления, остановка или ввод в эксплуатацию близлежащих добывающих скважин и т. д.
Решение сформулированной задачи управления сводится к отысканию разности дх (0=х (0-х'(0, для определения которой необходимо знать следующие отображения х (0->у (0- у (0->х'(0.
Другими словами необходимо иметь представление о том, какова реакция объекта управления на возмущающее воздействие и как должно измениться это воздействие в связи с полученной реакцией.
Классическая математическая теория управления поставленную задачу предлагает решать с помощью введения передаточных функций соответственно объекта управления и регулятора, представленного как звено обратной связи [95,96]: где х (р), у (р), х'(р)-отображения по Лапласу функций Х^), У^) и Х'^).
Такой подход достаточно трудоемок, поскольку предполагает не только решение дифференциальный уравнений в отображениях, но и обратное преобразование Лапласа из отображений в оригиналы, что зачастую вызывает затруднения.
Применим другой способ. Понимая под У (У) дебит скважины, а под Х^) — депрессию на пласт, вместо отображения х (0->у (0 будем использовать функцию дебита скважины (притока жидкости из пласта) от депрессии — (¿-пл = /(ДР (0) или, с учетом уравнения работы скважины (3.9), от производительности центробежного насоса 0Ш[ = /((ЗнасО)) — А это есть разработанная в предыдущей главе гидродинамическая модель системы «Пласт — Скважина — УЭЦН» — разностные схемы (3.39), (3.31). Вместо отображения у (0->х'(0, требуемого для определения величины ДХ^) можно записать в явном виде условия необходимости корректировки Х^). Так как управляющее воздействие регулируется в зависимости от вероятности угрозы возникновения осложнений, то под такими условиями можно понимать критерий сохранения механической прочности коллектора (2.15).
4−1) где Рзаб, [р] - давление соответственно забойной и допустимое, не приводящее к разру.
94 шению коллектора.
То есть в зависимости от выполнения условий (4.1) и текущего значения Х^) делается заключение о необходимости корректировки. Возможны следующие варианты: корректировка не нужна.
ДХ (0 = Отребуется корректировка входного воздействия на величину дх (0=/(х (0,у (0).
В простейшем случае в качестве такой функции можно использовать выражения.
ДХ (0 = Х (0- Х*(0 = <2нас=О> что интерпретируется как выключение центробежного насоса или дх (0=х (0-х'(0- х'(0=дНАС (0=ь-а.рНАС (0, что трактуется как его включение и работа (аппроксимация гидравлическая характеристика центробежного насоса прямой, в соответствии с (3.12)).
Под режимом освоения и эксплуатации скважины будем понимать ту последовательность управляющих воздействий {ДХ,}, вырабатываемых звеном обратной связи, к поиску которых и сводится задача. Причем важна не только величина управляющего воздействия, но и последовательность моментов времени {1,}, на которые приходятся эти воздействия.
Рассмотренную систему управления можно трансформировать в задачу оптимального управления процессом эксплуатации скважины, заключающуюся в отыскании оптимума целевой функции. В качестве такой функции принимается или величина КВЧ в продукции скважины или число управляющих воздействий, что соответствует в некоторых случаях задаче минимизации количества пусков УЭЦН.
Описанная система управления позволяет составить режим эксплуатации скважины, расчет которого сводится к последовательности действий.
1. Оценка добывных возможностей скважины и задание необходимого (проектного) дебита.
2. Подбор установки электроцентробежного насоса по одной из известных методик [64,65, 97,98,99,100,101 и т. п.], не учитывающих нестационарные гидродинамические и механические процессы, происходящие при освоении и эксплуатации скважины.
3. Оценка вероятности разрушения продуктивного коллектора в процессе освоения и эксплуатации скважины с заданным дебитом. Используем в качестве критерия предотвращения разрушения пласта условие (4.1). Достаточно точно забойное давление в скважине, оборудованной УЭЦН, можно определить пересчетом из давления на приеме цен.
95 тробежного насоса (в случае оборудования установки термо-манометрической системой).
Рзаб (0=Рпр (0+Р-§-(ЬсквЬнасос) (4.2) где Рпр (0 -замеренное давление на приеме УЭЦН (в районе картера погружного электродвигателя) на момент времени I, создаваемое столбом жидкости Ьскв-Ьнасос со средней 2 плотностью рg = 9.81 м/с — Ьскв, Ьнасос — вертикальная глубина соответственно скважины и спуска УЭЦН.
Способ расчета средней плотности газожидкостной смеси на интервале «забой — прием оборудования» (р) рассмотрен в работах [49,98, 100,102,103].
Расчетные значения функции РЗАБ0) определим по разностной схеме (3.39), в обозначениях которой:
РзабОЬРО'.
Перед проведением расчета по схеме (3.39) необходимо определить коэффициенты аппроксимации гидравлической характеристики центробежного насоса. Для получения характеристики, отвечающей откачке реальной газонефтеводяной смеси, пересчитаем по методике из работы [49] паспортную характеристику, снятую на воде:
П 09 Н°пт дннас = ' нас (4.3) 3.9+ 0.023-<325 где , — паспортные значения напора и производительности насоса на оптимальном режиме работы.
Затем по пересчитанной с использованием (4.3) гидравлической характеристики по (3.12) определяем коэффициенты а, Ь для интервала оптимальной производительности и участка характеристики, описывающей изменение параметров насоса в процессе освоения и эксплуатации скважины.
Далее выполняется расчет по разностной схеме (3.39) совместно с условием (4.1), в котором Рзаб определяется выражением (4.2).
Результатами такого расчета являются последовательности {ДХ (} и {I,}, а так же функция Опл =/(1).
Если ДХ (= 0, то вероятность разрушения коллектора минимальна. В противном случае получены вполне определенные рекомендации: в какой момент времени после включения установки и на сколько |ДХ-} изменить производительность УЭЦН во избежание разрушения продуктивного пласта.
4. Оценка количества взвешенных частиц в потоке добываемой жидкости.
Используя функцию = /(1) по механическим моделям (3.31) и (3.36) производится расчет величины КВЧ в потоке жидкости заданной динамики дебита (<3ПЛ = /(ДР^))) при имеющемся гидродинамическом режиме работы скважины.
Если в результате расчетов КВЧ превышает предельно допустимое значение, то последовательности {АХ (.} и соответствующим образом корректируются.
В качестве примера приводятся пример расчета по описанной выше модели для скв. 13 121 ЮЛТ Приобского месторождения эксплуатирующей пласт АСп (рис. 4.2). Для заданной динамики дебита рассчитано среднемесячное забойное давление, а также среднее КВЧ в продукции. Адаптация осуществлялась изменением параметра О. В результате получено, что на скважине дебит завышен, т. е. созданы условия для разрушения коллектора. Также по настроенной на факт модели выполнялись прогнозные расчеты КВЧ исходя из заданной динамики дебита. Рекомендацией по данной скважине является ее эксплуатация с дебитом жидкости не превышающем 24 м3/сут, что приведет к снижению КВЧ в продукции до 20 мг/л.
При расчетах использованы следующие данные: Ок =0.146 мОикт =0.073 мР = 0.8 — Рпл= 200-Ю5 Па Нпл = 11мх = 0.024 м2/ск = 1.9 мкм2.
На графике рис. 4.3 приведено распределение давление в ПЗС скв. 13 121, получаемое при решении модели (3.29).
Всего выполнен расчет по 25 скважинам данного месторождения, предложены рекомендации по изменению технологических режимов их работы.
Дата.
Динамика технологических параметров работы скв. 13 121 ЮЛТ Приобского месторождения (точки — фактические значения): — дебит жидкости- — КВЧзабойное давление Рис. 4.2 а) разрез по линии скв. 13 121 б) вил в плане Распределение давления в призабойной зоне скв. 13 121.
Рис. 4.3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Твердые взвеси в продукции скважин являются проблемой для нефтяной отрасли в течение многих десятилетий. Задача заключается не только в предупреждении или остановке поступления песка, но и в необходимости поддержания рентабельного дебита скважин.
Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи.
1. Установлено, что доля ремонтов скважин с УЭЦН, связанная с наличием в продукции мехпримесей, составляет 10-И 5%- за последние 10 лет количество отказов по данной причине возросло в 2 раза. Скважины с высоким КВЧ составляют основу часто ремонтируемого фонда (МРП < 180 сут). Анализ современных способов прогнозирования мехпримесей и технологий эксплуатации скважин с большим КВЧ показал, что решения сводятся к поиску корреляций между КВЧ и параметрами работы скважин. Наиболее развитыми являются методы защиты от песка штанговых насосов, а эффективных технологий эксплуатации скважин с УЭЦН в настоящее время нет.
2. Исследование минералогического состава мехпримесей показало, что более 30% из них приходится на частицы породы. Потеря коллектором прочности происходит, в основном, за счет разрушения пластового цемента. Прочность образцов керна на 25-г30% выше прочности пород в массиве, что приводит к неверной оценке предельного давления флюида в пористой среде. Исследования по коэффициенту Пуассона, зависящего от состава породы и упаковки зерен, показали его определяющую роль в значении допустимого давления флюида, не приводящего к разрушению пористой среды. Сравнение фактических забойных давлений скважин с предельно-допустимыми расчетными значениями (исходя из лабораторных исследований предела прочности керна) подтверждает вероятность разрушения породы коллектора в ПЗС под действием высокой сжимающей нагрузки от вышележащих пород.
3. Установлено, что максимальный размер частиц, способных быть поднятыми до приема УЭЦН, составляет 0.6 мм при скорости потока выше 0,2 м/с (при вязкости нефти 2 мПа-с). С повышением вязкости жидкости ее несущая способность улучшается.
4. Разработана гидродинамическая инерционная модель фильтрации упругой жидкости в поровом пространстве ПЗС. Анализ модели показал незначительное влияние инерции на процесс изменения давления при радиальной фильтрации упругой жидкости. Это связано с относительно низкими значениями коэффициентов пьезопроводности и упругоемкости коллекторов, а также невозможностью мгновенного создания.
100 имеющимися техническими средствами значительных градиентов давления. Доказана аналогия между распространением твердой взвеси в жидкости, насыщающей пористую среду, и диффузией. Это позволило разработать физико-математическую модель миграции твердых частиц в потоке жидкости, фильтрующейся через пористую среду. Модель учитывает адсорбцию взвеси на поверхности коллектора (изменение проницаемости среды из-за уменьшения эффективной пористости) и позволяет получить изменение КВЧ в пластовом флюиде во времени и пространстве.
5. На базе модели составлены рекомендации по выбору режима эксплуатации скважин с высоким содержанием КВЧ в продукции. Промысловые испытания рекомендаций по скважинам №№ 12 173, 15 483, 16 014, 13 193, 13 180 подтверждают возможность продолжительной работы и увеличения дебита скважин, эксплуатирующих, предрасположенный к разрушению коллектор (в том числе стимулированный гидроразрывом).
