Теоретические основы термогидродинамических методов исследования нефтяных пластов

Одним из условий рациональной эксплуатации нефтяных залежей является эффективное геофизическое и гидродинамическое сопровождение на этапах освоения и эксплуатации скважин. Решаемыми при этом задачами являются: определение эксплуатационных характеристик продуктивного пластаконтроль технического состояния скважинконтроль за работой насосно-подъемного оборудования.

Самая актуальная из этих задач на сегодняшний день — определение эксплуатационных характеристик пласта. Важное место в комплексе геофизических методов при этом занимают термогидродинамические исследования, основанные на измерении давления, расхода и температуры в стволе скважины.

Термогидродинамические исследования в скважине делятся на два вида, основанных на: регистрации параметров вдоль ствола скважинырегистрации изменения параметров во времени на определенной глубине ствола скважины.

Первая технология исследований относится к обычным геофизическим исследованиям. Измерение распределения температуры, давления и расхода жидкости вдоль ствола скважины входит в обязательный комплекс геофизических методов исследования скважин в процессе их освоения и эксплуатации. По результатам этих исследований решают следующие задачи определения эксплуатационных характеристик пласта:

— выявление работающих пластов;

— определение границ интервалов притока;

— оценка состава флюида, определения интервалов притока нефти, воды и газа;

— определение дебита, обводненности;

— определение энергетических параметров пласта, пластового давления и пластовой температуры;

— определение коэффициента продуктивности пласта. Термогидродинамические исследования по второй технологии используют для зондирования пласта. Особая информационная ценность этих исследований обусловлена тем, что по их данным определяют параметры эксплуатируемых нефтяных пластов. Обычно при этом в качестве информативных параметров рассматривается пара зависимостей при постоянном третьем параметре: связь между расходом и давлением для изотермической фильтрации (ГДИ — гидродинамические исследования), изменением во времени температуры и давления при постоянном расходе (термогидродинамическое зондирование пласта по Э.Б. Чекалюку). По временным зависимостям давления и расхода, давления, температуры и расхода в скважине на основе решения соответствующих обратных задач определяют параметры пласта и призабойной зоны.

Применение ГДИ для зондирования пластов общеизвестно. Большой вклад в развитие метода в разные годы внесли Баренблатт Г. И., Басниев К. С., Борисов Ю. П., Бузинов С. Н., Вольпин С. Г., Каменецкий С. Г., Крылов А. П., Кульпин Л. Г., Мирзаджанзаде А. Х., Хасанов М. М., Умрихин И. Д., Чар-ный И.А., Чекалюк Э. Б., Шагиев Р. Г., Gringarten А.С., Bourdet D.P., Eaurlou-her C.R., Economiedes M, Horner R.N., Muskat M, Ramey HJ. и др. Разработаны методы решения прямых и обратных задач подземной гидромеханики, имеется большое количество алгоритмов обработки данных [30, 31, 34, 53, 61, 104, 120, 173, 209, 213 и др.]. Изменения здесь в последние годы произошли, в основном, в регистрации и обработке информации. Для регистрации кривых изменения давления используются дистанционные и автономные цифровые манометры [213,193]. Разработаны системы автоматизированной обработки данных [112, 101, 61, 141, 152 и др.]. Существующие в этой области проблемы связаны с тем, что в практике промыслово — геофизических исследований скважин в последние годы заметно увеличился объем новой информации, обрабатываемой как данные ГДИ. Это, прежде всего, большие объемы временных зависимостей термогидродинамических полей, зарегистрированных при освоении скважин по технологиям КВД (кривых восстановления давления) и КВУ (кривых восстановления уровня) с применением компрессора, сваба или струйного насоса [125]. Эти исследования нельзя отнести к стандартным (или специальным) ГДИ, они имеют свои особенности, которые необходимо учитывать при обработке данных, что важно для обеспечения достоверности получаемых результатов и повышения эффективности исследований [100, 148]. Необходимо, прежде всего, исследовать применимость для обработки этих данных классических алгоритмов ГДИ и разработать новые алгоритмы обработки, учитывающие специфические условия освоения скважины. Таким образом, в связи с большими объемами исследований, проблема определения гидродинамических параметров пласта (гидропроводности и скин-фактора) и параметров призабойной зоны (гидропроводность и радиус призабойной зоны) по данным термогидродинамических исследований при освоении скважин имеет особую актуальность.

Скважинная барометрия, измерение давления в скважине, сравнительно недавно стала обычным методом в комплексе промыслово-геофизических. Данные барометрии, кроме прямого определения давления в скважине, используются для расчета плотности флюида, расхода, идентификации процессов в пласте, режима работы скважины и др. [81, 100]. Знание забойного давления и характера его изменения во времени особенно важно при интерпретации данных термометрии.

Термометрия является одним из самых информативных методов при решении задач диагностики состояния пластов и скважины [38, 39, 64 — 69, 76, 86, 92, 92 — 103, 118, 121, 130, 186, 208 и др.]. Первые измерения температуры в скважинах были выполнены в начале двадцатого века профессором Д. В. Голубятниковым [64, 69]. В области теории температурных полей при фильтрации флюидов в пористой среде с учетом термодинамических эффектов первые исследования выполнены Б. Б. Лапуком. В 1940 году им были опубликованы 3 статьи об изменении температуры пласта при фильтрации в пласте сырой нефти, газа и газированной нефти [105−107]. Он рассматривал стационарную фильтрацию жидкости и газа в пористых горизонтальных пластах как дроссельный (изоэнтальпийный) процесс, т. е. показал, что установившееся изменение температуры флюида обуславливается проявлением эффекта Джоуля-Томсона. Вследствие малости величины температурных изменений, по результатам своих исследований Б. Б. Лапук сделал вывод о допустимости изотермической фильтрации нефти и газа в подземных коллекторах.

Однако развитие техники скважинных измерений, методов исследования скважин и пластов к 60-м годам позволило сделать доступными для изучения температурные аномалии величиной порядка десятых долей градуса. Толчком к более глубокому изучению температурных явлений в нефтяных пластах послужили теоретические и экспериментальные работы Э. Б. Чекалюка [207, 208]. Им впервые было получено уравнение сохранения энергии для потока сжимаемой жидкости в пористой среде с учётом термодинамических эффектов, которое легло в основу практически всех дальнейших исследований в теории термометрии скважин [85, 208]. Возможность регистрации и использования температурных аномалий, обусловленных термодинамическими эффектами при фильтрации нефти в пласте, было подтверждено В. Ф. Кондрашкиным, Г. В. Кострюковым, А. Х. Фаткуллиным экспериментальными исследованиями на Ромашкинском месторождении [93,.

97, 98]. В дальнейшем, в период 1960;1970 годов, исследованиями Ю. В. Капырина, А. И. Маркова, Н. Н. Непримерова, Л. З. Позина, М.Д. Розенбер-га, Е. В. Теслюка, Г. Ф. Требина и др. были разработаны основы теории и методики термометрии скважин, определён круг основных геолого-промысловых задач, решаемых термометрией [86, 121, 130, 176].

Фактически с этого периода начинается развитие, так называемой высокочувствительной термометрии (или термометрии действующих скважин). В 1978 году в промышленности появляется малогабаритный термометр СТЛ-28 (А.С.Буевич, И. Л. Дворкин и др.). Большой вклад в развитие скважинной термометрии на этапе опытно — промышленного опробования метода (после 1970 года) внесли Я. Н. Басин, А. Г. Степанов, Б. М. Бикбулатов, М. А. Дубина, Г. А. Закусило, В. Н. Расторгуев, В. П. Толстолыткин, Л. Е. Швецова, А. С. Буевич, И. Л. Дворкин, В. С. Дорофеев, В. М. Коханчиков, Ю. Н. Кухаренко, А. И. Филлипов.

В середине 80-х годов получает развитие в теоретическом и методическом плане новое направление в скважинной термометрии — термометрия скважин при их освоении и опробовании после бурения и капитального ремонта (И.Л.Дворкин, А. И. Филиппов, Р. А. Валиуллин, А.Ш.Рамазанов). Информативность этих исследований основана на использовании нестационарных полей, обусловленных переходными режимами работы скважины. Обосновывается необходимость комплексных термогидродинамических исследований. В скважинной термометрии регистрируются и анализируются температурные аномалии, обусловленные термодинамическими эффектами при движении флюида в пласте и в скважине. Поэтому, даже если анализируется только температурное поле, ясно, что оно обусловлено конкретной гидродинамической ситуацией в пласте и скважине, и не может интерпретироваться в отрыве от полей давления и расхода. Анализ результатов термических исследований показал, что при интерпретации нестационарных термограмм, в первую очередь, необходимы данные барометрии [14, 37, 40, 140, 186].

Развитие термометрии в России осуществлялось в рамках нескольких научных групп, находящихся в МИНХ и ГП, КГУ, ВНИЯГГ, БашГУ, ВНИИ-нефть и опытно-методических (тематических) партий в производственных геофизических предприятиях. Разработаны теоретические и методические основы метода, определен круг решаемых задач [39, 65, 102, 134, 186,].

Основной задачей в теории скважинной термометрии является прямая задача о температурном поле при фильтрации флюида в пласте для заданного режима эксплуатации скважины. Э. Б. Чекалюком она решена для однофазной адиабатической фильтрации жидкости и газа в режиме заданного постоянного дебита жидкости из пористого пласта [207]. В результате решения задачи была установлена связь между изменением температуры во времени в скважине T (t) и распределением давления в пласте p (r, t), что послужило теоретической основой разработанного им метода термодинамического зондирования пластов. Правильнее будет назвать его методом термогидродинамического зондирования, т.к. он основан на регистрации изменения во времени температуры и давления в скважине при постоянном дебите жидкости из пласта.

В.М.Зайцевым основная задача была распространена на случай стационарной фильтрации жидкости в трещиновато-пористой среде [73,74]. А. И. Филипповым учтён процесс теплопроводности в пласте и теплоотдачи в окружающую среду при стационарной фильтрации жидкости [185]. В. Е. Карачинский получил приближенные формулы для термогидродинамического зондирования пластов при переменном дебите после пуска скважины [88, 89] Работы B.C. Бойко, В. М. Дорошенко, Г. Д. Савенкова, О. М. Чарыева посвящены исследованию установившихся температурных полей с учетом разга-зирования и других фазовых превращений при фильтрации нефти в пласте [166, 204−206]. Из работ по лабораторному экспериментальному исследованию температурных явлений при фильтрации жидкости в пористой среде можно отметить работы Ю. А. Балакирева, Ю. В. Капырина, О. Г. Лиманского, В. Н. Петухова, Г. Ф. Требина, Р. Эседуллаева и др. [19, 179, 180, 217].

В зарубежной литературе первые работы, посвященные учету и использованию при термогидродинамических исследованиях скважин изменения температуры потока в пласте и стволе скважины за счет термодинамических эффектов, появились в начале 70-х годов [221, 222, 224, 229, 233, 237, 244]. Как отмечает Paul Е. Wages [233], первыми были Smith.

R.C. и Steffensen P.J., которые подняли вопрос о необходимости учета при к термометрии нагнетательных скважин дроссельного разогрева закачиваемой в пласт воды [244]. Они показали необходимость учета эффекта Джоуля — Томсона при интерпретации термограмм в тех случаях, когда температура закачиваемой воды близка к пластовой температуре, особенно, при анализе термограмм после прекращения закачки воды в скважину. В [222] исследовано влияние эффекта Джоуля — Томсона при закачке газа в пласт. Отмечается, что доминирующая роль эффекта дросселирования сказывается в распределении температуры вблизи скважины. В работе [221] Ahluwalla J.S., Wilkes J.O. исследовали механизм изменения температуры газа в пласте и в стволе скважины. Показано значительное влияние эффекта Джоуля — Томсона на температуру газа в пласте вблизи скважины, что является следствием больших градиентов давления. Здесь также обсуждается вопрос о влиянии изменения температуры газа на процесс восстановления давления после остановки скважины. В работе [224] Dias S.G., Bannwart А.С., Serra K.V. исследовали влияние изменения температуры газа в пласте за счет эффекта Джоуля — Томсона на нестационарное поле давления при гидродинамических испытаниях скважин. В работе [237] Rajiv Sagar, Dale R. Doty, Zelimir Schmidt исследовали распределение температуры газо-жидкостного потока в стволе скважины с учетом эффекта Джоуля — Томсона. По результатам исследований сделан вывод о значительном влиянии на величину и знак температурных изменений в скважине весовой доли газа в смеси.

Несмотря на значительные объемы теоретических и практических исследований, к началу работ по теме диссертации (середина 80-х годов) основной объем применения термометрии на практике был связан, прежде всего, с контролем технического состояния скважины. При исследовании перфорированных пластов термометрия использовалась лишь для выявления работающих пластов, границ интервалов притока и — в отдельных благоприятных случаях — для определения интервалов притока нефти и воды.

Низкая эффективность термометрии при определении эксплуатационных характеристик пласта имеет объективные причины, связанные с влиянием на регистрируемое в скважине температурное поле многих факторов и недостаточной теоретической изученностью термогидродинамических полей в пласте для переходных режимов, характерных пуску, остановке и освоению скважин.

Метод термогидродинамического зондирования Э. Б. Чекалюка не нашел широкого применения на практике по причине отсутствия аппаратуры, сложности обеспечения постоянного дебита жидкости из пласта и длительности исследований. В настоящее время в арсенале геофизиков и нефтяников имеется целый набор автономной аппаратуры, предназначенной для длительной (до нескольких месяцев) регистрации давления и температуры в скважине [193]. Длительность регистрации может быть сокращена, если ограничиться определением параметров призабойной зоны. Поэтому актуальной, в плане изучения пластов, остается оценка возможностей зондирования призабойной зоны по данным термогидродинамических исследований для режимов работы скважины, отличных от режима постоянного дебита, и при освоении скважин.

В реальных системах разработки нефтяных месторождений используется вытеснение нефти из пласта водой. В связи с этим необходимо изучить особенности формирования температурного поля при вытеснении нефти водой. Особый практический интерес представляет оценка возможности раннего диагностирования приближения фронта нагнетаемых вод к добывающей скважине на основе мониторинга температурных изменений.

Особенно актуальными в последние годы стали вопросы изучения нефтяных пластов на основе мониторинга температурных полей в связи с началом применения в скважинной термометрии распределенных температурных датчиков на основе волоконно-оптических линий связи [230−232].

Теоретические основы термометрии, теоретическое обоснование термогидродинамических методов исследования пластов разработаны, в основном, для случая однофазной фильтрации флюида в пласте. Для реальных процессов фильтрации в нефтяных пластах более адекватной будет модель многофазной неизотермической фильтрации нефти, воды и газа. Фильтрация флюидов в пласте сопровождается изменением температуры не только за счет баротермического эффекта, но и за счет теплоты фазовых переходов при разгазировании пластовых жидкостей. В большинстве случаев практика нефтедобычи имеет дело с многофазными потоками. Многофазная фильтрация в пласте с фазовыми переходами встречается при исследовании нефте-насыщенных пластов с давлением насыщения, близким к пластовому давлению, а также при освоении и испытании пластов со снижением забойного давления ниже давления насыщения. Анализ материалов скважинных исследований показывает, что ранее разработанные методики исследований и интерпретации данных термогидродинамических исследований однофазных потоков для случаев разгазирования нефти в пласте напрямую использованы быть не могут.

Учитывая вышесказанное можно сказать, что на практике возникла реальная необходимость в развитии и совершенствовании теоретических основ термогидродинамических методов исследования нефтяных пластов.

Цель работы.

Повышение эффективности термогидродинамических исследований нефтяных пластов за счет создания и развития теоретических основ термогидродинамических методов, научно-обоснованных методик исследований и алгоритмов обработки данных. Основные задачи:

1. Анализ состояния теоретических и практических исследований термогидродинамических полей нефтяных пластов при эксплуатации и освоении скважин по различным технологиям.

2. Исследование возможности использования известных стандартных и разработка новых алгоритмов для определения параметров пласта и приза-бойной зоны по данным гидродинамических исследований при освоении скважин.

3. Разработка и исследование математических моделей термогидродинамических полей в нефтяных пластах для различных краевых условий, характерных пуску, остановке и освоению скважин: исследование вклада различных физических процессов в температурное поле пласта при неустановившейся однофазной фильтрации слабосжимаемой жидкости для переходных режимов после пуска в эксплуатацию, остановки и освоения скважиныисследование особенностей формирования температурного поля в пласте при вытеснении нефти водойисследование особенностей термогидродинамических полей при фильтрации в пласте газированной нефтипостановка и решение обратных задач об определении параметров пласта и призабойной зоны по результатам исследования.

14 термогидродинамических полей в скважинах.

4. Разработка технологий термогидродинамических исследований характеристик нефтяных пластов после пуска, остановки и при освоении скважин.

Итогом результатов исследований должны стать научное обоснование технологий скважинных исследований, система автоматизированной обработки данных термогидродинамических исследований пластов с алгоритмами обработки данных. Объект и предмет исследования.

Объект исследований — нефтяной пласт.

Необходимо определить его характеристики в процессе освоения и эксплуатации скважины: работающие толщины, интервалы притока нефти и воды, пластовые давление и температура, фазовые дебиты, фактический и потенциальный коэффициенты продуктивности, скин-фактор пласта и его составляющие. Для отдельной оценки составляющих скин-фактора необходимо определить гидропроводность пласта и призабойной зоны, радиус при-забойной зоны, качество вторичного вскрытия пласта.

Предмет исследований — термогидродинамические поля в нефтяных пластах при освоении и эксплуатации скважин и оценка возможности определения по ним эксплуатационных характеристик пластов. Для решения поставленных задач необходимо исследовать термогидродинамические поля в пластах, насыщенных нефтью и водой, при вытеснении из пласта нефти водой, для забойных давлений выше и ниже давления насыщения нефти газом. Методы исследования. Аналитическое и численное исследование математических моделейскважинные экспериментыанализ и обобщение результатов термогидродинамических исследований при освоении скважин по различным технологияманализ отечественных и зарубежных публикаций.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная математическая модель нестационарного поля давления в радиально-неоднородном пласте с учетом влияния процессов в скважине, характерных для гидродинамических исследований по технологиям КВД (кривых восстановления давления) и КВУ (кривых восстановления уровня) при освоении нефтяных скважин, и на их основе созданы диалоговые программы расчета модельных данных ГДИ на ЭВМ.

2. Показано, что основные особенности температурных полей, обусловленных баротермическим эффектом при однофазной фильтрации жидкости, при вытеснении нефти водой и при фильтрации газированной нефти, могут быть исследованы на моделях без учета процесса теплопроводности.

3. Теоретическими исследованиями обнаружено и объяснено явление инверсии дроссельных температурных аномалий в пласте в интервалах притока нефти и воды. Определены условия, при которых инверсия температурных аномалий наблюдается в стволе скважины после смешивания потоков.

4. Разработаны и исследованы математические модели нестационарных термогидродинамических полей в пористой среде при вытеснении нефти водой. Показано, что из-за различия подвижностей воды и нефти приближение фронта воды к выходу из пористой среды приводит к искажению темпа изменения температуры, характерного для однофазной фильтрации нефти.

5. Разработаны математические модели термогидродинамических полей при фильтрации газированной нефти к скважине с забойным давлением ниже давления насыщения нефти газом. На основе аналитических решений для стационарных полей получены оценки условий наблюдения в скважине положительных и отрицательных температурных аномалий. На численных моделях показана возможность наблюдения для малых времен отрицательных температурных аномалий при газовых факторах, меньших инверсных.

6. Показана возможность определения параметров призабойной зоны пласта по данным термогидродинамических исследований при освоении и эксплуатации скважин с постоянным забойным давлением. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Использование классических алгоритмов КВД-КВУ для обработки данных ГДИ при освоении нефтяных скважин имеет ограничения, обусловленные тем, что на достоверность определяемых параметров пласта влияют условия возмущения при освоении скважины, неадекватные принятым в математических моделях этих алгоритмов.

2. Установленные закономерности термогидродинамических полей в нефтяных пластах при однофазной фильтрации жидкости, при вытеснении нефти водой, при снижении забойного давления ниже давления насыщения и разработанные на их основе технологии определения эксплуатационных характеристик пластов.

3. Теоретическое обоснование возможности зондирования призабойной зоны пласта по данным термогидродинамических исследований в скважине с постоянным забойным давлением после ее пуска в эксплуатацию или при ее освоении.

4. Система автоматизированной обработки данных термогидродинамических исследований пластов.

Практическая ценность работы.

Диалоговая компьютерная программа на основе решения прямых задач для уравнения пьезопроводности с краевыми условиями, характерными для освоения и испытания нефтяных пластов по различным технологиям, позволяет получать теоретические (модельные) данные ГДИ. Она используется при обработке и интерпретации данных ГДИ и при тестировании различных компьютерных программ обработки данных.

Результаты теоретических исследований термогидродинамических полей способствуют повышению достоверности определения эксплуатационных характеристик нефтяных пластов в условиях однофазного и многофазного потоков. Диалоговые компьютерные программы (т.н. калькуляторы), созданные на основе разработанных математических моделей прямых задач подземной термогидродинамики, могут быть использованы на практике при планировании скважинных исследований, интерпретации данных и при обучении студентов и специалистов.

Разработанная под руководством автора автоматизированная система обработки данных термогидродинамических исследований пластов облегчает обработку данных и позволяет повысить эффективность определения параметров пласта.

В конечном итоге, применение результатов теоретических исследований, использование разработанных технологий и системы автоматизированной обработки данных позволяют повысить эффективность термогидродинамических исследований нефтяных пластов при освоении и эксплуатации скважин.

Реализация в промышленности.

Разработанные технологии термогидродинамических исследований нефтяных пластов в настоящее время внедрены в основных нефтедобывающих районах страны или обоснованы теоретически и готовы для опытно-промышленного опробования.

Для обеспечения внедрения результатов исследований автором и при его непосредственном участии подготовлены и переданы в геофизические предприятия методические руководства: «Оценка качества первичного и вторичного вскрытия продуктивных пластов по комплексу геофизических и гидродинамических исследований» (Уфа, ВНИИНПГ, 1989 г.), «Руководство по методике исследований и интерпретации данных геофизических исследований действующих скважин Талинского нефтяного месторождения» (Нягань, 1991 г.), «Диагностика состояния нефтяных пластов и скважин геофизическими методами» (Повх, КУГР, 1998 г.), «Термометрия в комплексе с другими геофизическими методами для диагностики скважин» (Бугульма, 2000 г.), «Методическое руководство по работе в системе „Гидрозонд“ и описание алгоритмов» (Уфа, 2000 г.).

Полученные результаты использовались автором при проведении занятий на школах-семинарах для работников геофизических и нефтедобывающих предприятий (Нефтекамск — 1975,1997; Октябрьский — 1976, 1997; Дюр-тюли — 1981; Бугульма — 1982, 1998; Уфа — 1985, 1998 — 2003; Москва, ВДНХ СССР — 1985; Когалым — 1986, 1997; Нягань — 1989; Отрадный — 1989; Радужный — 1994; Сургут- 1995, 2004; Актюбинск -1996, 2002; Чернушка -2000, Урай, Покачи, Повх -2001; Алматы — 2002). ч.

За разработку и внедрение новых способов скважинной термометрии автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР.

Автоматизированная система обработки данных «Гидрозонд» используется на геофизических предприятиях основных нефтедобывающих регионов России и Казахстана (Башнефтегеофизика, Татнефтегеофизика, Кога-лымнефтегеофизика, Нижневартовскнефтегеофизика, Сургутнефтегеофизи-ка, Ноябрьскнефтегазгеофизика, Оренбурггеофизика, Казпромгеофизика и др.).

Математические модели термогидродинамических полей использованы в модуле геофизического калькулятора автоматизированной системы «Прайм», разработанной на кафедре геофизики БашГУ.

Полученные результаты использованы в спецкурсах и методических пособиях при подготовке студентов на кафедре геофизики Башгосуниверси-тета.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлялись и обсуждались на научнотехнических советах ОАО Башнефтегеофизика (1976;1998гг.), Управления Запсибнефтегеофизика (1977; 1979гг.), ОАО Красноленинскнефтегео-физика (1989 -1992гг.), ВНИГИК (1981;1985гг.) — на 1-ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Миннефтепрома (Краснодар, 1980 г.) — на 14-ой конференции молодых исследователей Института теплофизики СО АН СССР (Новосибирск, 1981 г.) — на 2-й Всесоюзной конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1981 г.) — на 14-м Всесоюзном семинаре по гидродинамическим и промыслово — геофизическим методам исследования скважин (Гомель, 1983 г.) — на Всесоюзном семинаре «Современные проблемы и математические методы теории фильтрации» (Москва, 1984) — на научных конференциях КГУ (1978;1986гг.) — на Всесоюзных семинарах «Состояние и перспективы развития геофизических исследований скважин» (Уфа, 1984 г.) и «Геофизические и гидродинамические методы исследования действующих скважин при контроле за разработкой нефтяных месторождений» (Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.) — на Всероссийской научной конференции «Вычислительные средства регистрации и интерпретации геофизических исследований скважин (Краснокамск, 1992) — на научно — практической конференции «Компьютерные технологии ГИС» (Тверь, 1996 г.) — на Международной конференции и выставке по геофизическим исследованиям скважин (Москва, 1998 г.) — на научно — технической конференции «Геофизические технологии 2000 года» (Оренбург, 1999 г.) — на международной геофизической конференции «300 лет горно — геологической службе России» (Санкт-Петербург, 2−6 окт. 2000 г.) — на Международной конференции «International Conference on Multiphase Systems, ICMS» (Уфа, 2000 г.) — на научном семинаре ВНИИЦ Нефтегазтехнология под руководством профессора Хаса-нова М.М. (Уфа, 2002 г.) — на семинарах кафедры геофизики под руководством профессора Валиуллина Р. А. в период 1986;2004гг.

Достоверность результатов исследований и научных выводов обеспечивается использованием при построении математических моделей методов сплошных и гетерогенных сред, использованием для аналитических исследований математических моделей известных методов матфизики, сравнением численных решений с тестовыми задачами, экспериментальными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 2 монографии, 16 авторских свидетельств и 1 патент на изобретение. Материалы диссертации отражены в научных отчетах, переданных с 1976 по 2002 гг. в фонды БашГУ, БНГФ, Управления Запсибнефтегеофизика, ВНИГИК, ВНИИНПГ, КрасноленинскНГФ, ЕАГО и др.

Исходный материал. В основу диссертации положены результаты исследований, выполненных в различные годы на специализации «Геофизика» Башгосуниверситета по договорам со следующими предприятиями: Башнеф-тегеофизика (г.Уфа), ВНИИНПГ (г.Уфа), Башгеолком (г.Уфа), ВНИГИК (г.Тверь), Запсибнефтегеофизика (г.Тюмень), Красноленинскнефтегеофизика (г. Нягань), Московский научный центр фирмы Шлюмберже. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, под его руководством и при его непосредственном участии.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Содержит 269 стр., включая 105 рисунков.

Список литературы

содержит 250 наименований.

Во введении изложены обзор работ по теории термогидродинамических исследований скважин, актуальность темы, цель, основные задачи исследований, предмет исследований, научная новизна, защищаемые положения и результаты.

Первая глава посвящена постановке проблемы. Приводятся примеры скважинных термогидродинамических исследований при освоении скважин свабированием, компрессированием и с использованием струйного насоса. Дано описание обобщенной математической модели нестационарного поля давления в пласте для краевых условий, характерных освоению скважин по различным технологиям. Проанализированы и конкретизированы основные уравнения термогидродинамики насыщенных пористых сред при однофазной фильтрации слабосжимаемой жидкости и многофазной фильтрации флюида с фазовыми переходами. Дается определение баротермиче-ского эффекта и излагается методика аналитического и численного решения прямых задач об изменении температуры нефтяного пласта вследствие проявления баротермического эффекта. Применение методики расчета иллюстрируется на примере плоскопараллельной фильтрации под действиеим постоянной депрессии. Итогом работ в первой главе являются постановка проблемы, основные уравнения и методика теоретического исследования термогидродинамических полей в нефтяных пластах.

Во второй главе на основе разработанной математической модели нестационарного поля давления смоделированы кривые изменения забойного давления при освоении скважины по технологиям КВУ и КВД. В качестве модели пласта взят ограниченный круговым контуром питания пласт, имеющий кольцевую призабойную зону. Поставлены и решены обратные задачи об определении параметров пласта и призабойной зоны по данным гидродинамических исследований при освоении скважин методом линейной анаморфозы и методом подбора. Показаны ограничения классических алгоритмов обработки при решении этих задач и сделан вывод о необходимости исследования в дополнение к гидродинамическим и температурных полей в испытуемых пластах.

В третьей главе исследованы температурные поля в нефтяных пластах при однофазной фильтрации слабосжимаемой жидкости. Получены оценки сверху и снизу влияния теплообмена с окружающими породами. Для оценки вклада горизонтальной теплопроводности в температурное поле пласта рассматривается задача о температурном поле в теплопроводящей среде с учетом теплопроводности, конвекции и термодинамических эффектов. Получены аналитические решения этих задач и на их основе оценены границы применимости моделей расчета баротермического эффекта. Исследовано формирование температурного поля при притоке жидкости в скважину с постоянным забойным давлением из неоднородного пласта. Получены приближенные формулы для термогидродинамического зондирования пласта и призабойной зоны. Для оценки влияния сжимаемости пласта на температурное поле исследована численная модель. Исследуется явление инверсии во времени температурных аномалий в интервалах притока нефти и воды. Определены условия инверсии в пласте, получены формулы для оценки времени инверсии с учетом несовершенства скважины и неоднородности пласта. Разработан алгоритм расчета времени инверсии дроссельных температурных аномалий с учетом смешивания потоков в стволе скважины. Исследуется восстановления температуры нефтяного пласта с учетом продолжающегося притока жидкости после мгновенного снижения уровня жидкости в скважине, после кратковременной и длительной эксплуатации скважины. Результаты расчетов по упрощенным моделям сравниваются с численными решениями. Проведенные в данной главе исследования составляют теоретическую основу термогидродинамических исследований нефтяных пластов при однофазной фильтрации жидкости для переходных режимов, характерных освоению и эксплутации скважины.

Четвертая глава посвящена исследованиютермогидродинамиче-ских полей в пласте при вытеснении нефти водой. Для приближения поршневого вытеснения задача о температурном поле для плоскопараллельной и плоскорадиальной фильтрации решена аналитически методом характеристик. В рамках модели двухфазной фильтрации расчеты термогидродинамических полей выполнены численно. Исследуется влияние приближения фронта воды к добывающей скважине на температурное поле баротермического эффекта. Обсуждается возможность практического применения выявленных особенностей температурного поля.

В пятой главе разработаны математические модели термогидродинамических полей в пористом пласте при фильтрации газированной нефти к скважине с забойным давлением ниже давления насыщения. Для стационарного случая получены аналитические решения. Для исследования нестационарных полей разработана численная модель неизотермической двухфазной фильтрации с фазовым переходом. По результатам исследований выявлены закономерности в формировании температурного поля при разгазировании нефти в пласте. Обсуждаются пути практического использования выявленных закономерностей при разработке методики исследований и интерпретации термогидродинамических полей для процессов освоения и эксплуатации скважин с разгазированием нефти в пласте.

Шестая глава посвящена разработке технологий определения характеристик нефтяных пластов при освоении и эксплуатации скважин, на основе результатов изучения термогидродинамических полей, приведенных в предыдущих главах:

— определение параметров пласта и призабойной зоны по данным гидродинамических исследований при освоении скважин, т. е. по результатам анализа нестационарных полей давления и расхода в скважине при постоянной температуре в пласте. На практическом примере демонстрируется методика определения гидропроводности пласта и скин-фактора по кривым притока, реализованная в системе «Гидрозонд»;

— выявление интервалов притока воды в исследуемом пласте. В качестве информативных признаков используется инверсия во времени величины изменения температуры нефти и воды. Приводится примеры сква-жинных исследований;

— технологии термогидродинамических исследований в скважинах с целью оценки характера насыщения исследуемых перфорированных пластов и состава притекающего флюида, основанные на регулировании процесса разгазпрованпя нефти в пласте путем изменения давления в скважине. Приводятся примеры скважинных исследований;

— термогидродинамическое зондирование путем регистрации температуры и объема отобранной жидкости во времени при постоянном давлении в скважине. Метод может быть использован и при освоении скважин струйными насосами для зондирования ближней зоны;

— диагностика приближения фронта вытесняющей воды к добывающей скважине, основанная на мониторинге изменения температуры и производных температуры во времени.

В заключении сформулированы основные выводы по работе. Благодарност и.

Я с благодарностью вспоминаю моих учителей в университете и аспирантуре Дворкина И. Л. и Пудовкина М. А. Признателен своему первому научному руководителю Филиппову А. И., привившему интерес к математическому моделированию и определившему выбор тематики исследований. Я благодарен Валиуллину Р. А. за интересную совместную работу.

Признателен коллегам Буевичу А. С., Назарову В. Ф., Шарафутдинову Р. Ф., Пацкову Л. Л., Пшеничнюку А. И., Ремееву И. С., Яруллину Р. К., Федотову В. Я., Сафаровой Г. К., Хабибуллину И. Л., Ковалевой Л. А., Булгаковой Г. Т., Вахитовой Г. Р., Абдуллину Р. А. за помощь и полезные обсуждения работы. В разработке системы «Гидрозонд» принимали активное участие Булгаков Р. Б. и Юсим Ю. М. Реализация программного обеспечения системы «Гидрозонд» выполнена Ремеевым И. С., Гумеровым И. Р. и Абдуллиным Р. А. под руководством автора. Разработка и исследование численных моделей неизотермической двухфазной фильтрации с разгазированием проведены Садретдиновым А. А. под руководством автора и Шарафутдинова Р.Ф.

Большое положительное влияние на формирование диссертационной работы оказали дискуссии и творческие контакты автора с Чекалюком Э. Б., Непримеровым Н. Н., Марковым А. И., Саламатиным А. Н., Чугуновым В. А.,.

Костериным А.В., Волковым Ю. А., Волковым И. К., Конюховым В. М., Егоровым А. Г., Резвановым Р. А., Кременецким М. И., Капыриным Ю. В., Кнел-лером JI.E., Шакировым Р. А., Пустовым В. В., Теслюком Е. В., Хасано-вым М.М., Адиевым Я. Р., Шиловым А. А., Кошляком А. А., Рябовым Б. М., Антоновым К. В., Булгаковым Р. Б., Белышевым Г. А., Шандрыгиным А. Н., Тертычным В.В.

Внедрение результатов работы на геофизических предприятиях было бы невозможно без помощи Усманова М. Г., Осипова A.M., Брехова JI.A., Га-лявича А.Ш., Дорофеева B.C., Нуретдинова Я. К., Аглиуллина М. Я., Мухама-диева Р.С., Бикбулатова Б. М., Швецовой JI.E., Поздеева Ж. А., Соковой К. И., Сорокиной В. А., Расторгуева В. Н., Закусило Г. А., Осадчего В. М., Теленко-ваВ.М., Саулея В. И., Лиховола Г. Д., Глебочевой Н. К., Ахметова К. Р., Ази-зова Ф.Ф., Романовой Т.Д.

Выражаю глубокую благодарность всем этим ученым и производственникам, а также многим другим специалистам научных и производственных геофизических и нефтяных организаций, с которыми я с большим удовольствием сотрудничал в ходе работы.

Основные результаты проделанной работы заключаются в следующем: 1. На основе анализа практических материалов показано, что данные ГДИ, полученные при освоении скважин существенно отличаются от данных специальных гидродинамических исследований. Использование стандартных алгоритмов обработки для определения гидродинамических параметров пласта в процессе освоения скважин имеет существенные ограничения. Разработана унифицированная математическая модель нестационарного поля давления в пласте n скважине при ее освоении, пригодная для генерирования модельных данных для различных технологий освоения скважин. Исследованиями на модельных данных показано, что по результатам ГДИ при освоении скважин можно определить скин-фактор пласта, являющийся интегральной характеристикой призабойной зоны пласта. Гидродинамические исследования лишь в некоторых благоприятных случаях позволяют определить отдельно гидропроводность и радиус призабойной зоны. Ограничения гидродинамических методов при определении параметров призабойной зоны пласта обусловлены объективными причинами (большая скорость зондирования пласта гидродинамическими методами и влияние процессов в стволе скважины) и свидетельствуют о необходимости применения других методов для определения этих параметров.

2. Для оценки возможности изучения нефтяных пластов на основе регистрации термогидродинамических полей в скважине при ее освоении и эксплуатации конкретизированы основные уравнения термогидродинамики насыщенных пористых сред при однофазной и многофазной фильтрации флюида. Дано определение баротермического эффекта и разработана методика аналитического и численного исследования температурных полей в пласте, обусловленных баротермическим эффектом.

3. Для оценок сверху и снизу влияния вертикальной и горизонтальной теплопроводности в пласте на температурное поле баротермического эффекта получены аналитические решения. Анализ результатов расчетов показал возможность пренебрежения теплопроводностью в пласте при расчете температурных полей, определены границы применимости математических моделей расчета баротермического эффекта при фильтрации жидкостей в нефтяных пластах.

4. На основе аналитических и численных решений задач о нестационарном температурном поле баротермического эффекта в неоднородном пласте показана возможность термогидродинамического зондирования призабойной зоны пласта. Решены обратные задачи об определении удельного дебита жидкости, скин-фактора, гидропроводности и радиуса призабойной зоны.

5. На основе теоретических исследований баротермического эффекта установлено, что зависимость от времени величины изменения температуры в пласте в интервалах притока воды и нефти имеет инверсионный характер. Определены условия инверсии в пласте, получены формулы для оценки времени инверсии с учетом несовершенства скважины и неоднородности пласта. Разработан алгоритм расчета времени инверсии температурных аномалий в стволе скважины с учетом смешивания потоков. На основе исследований разработан способ выделения интервалов нефтеводопритоков в пласте.

6. Разработаны и исследованы аналитические и численные модели восстановления температуры нефтяного пласта с учетом продолжающегося притока жидкости после остановки добывающей скважины и для условий, характерных освоению скважин. Расчетами установлено, что различие в темпах изменения температуры в различных пластах, в основном, зависит от подвижности флюида в пласте и это может приводить к инверсии температурных аномалий после остановки скважины.

7. Разработаны и исследованы математические модели температурного поля, обусловленного баротермическим эффектом при вытеснении нефти водой. Для приближения поршневого вытеснения задача о температурном поле для плоскопараллельной и плоскорадиальной фильтрации решена аналитически. В рамках модели двухфазной фильтрации расчеты термогидродинамических полей выполнены численно. Показано, что в начальный период вытеснения формирование температурного поля в добывающей скважине происходит как в случае однофазной фильтрации нефти, а с приближением фронта вытеснения характерный для однофазной фильтрации темп изменения температуры нарушается. Выявлены и исследованы диагностические признаки приближения фронта нагнетаемой воды к скважине. Показано, что двухфазность фильтрации, теплообмен между пластом и окружающими породами, начальное обводнение пласта не нарушают выявленных на аналитических моделях закономерностей в изменении температурного поля при вытеснении нефти. Дано обоснование возможности прогнозирования положения фронта вытесняющей воды на основе мониторинга изменения температуры и производных температуры в добывающей скважине.

8. Разработаны и исследованы математические модели термогидродинамических полей в пористом пласте при фильтрации газированной нефти, когда забойное давление снижается ниже давления насыщения нефти газом. Для стационарного случая получены аналитические решения, для исследования особенностей формирования температурного поля в скважине во времени разработана численная модель неизотермической двухфазной фильтрации с фазовыми переходами. В результате исследования моделей показано, что:

— величина и знак температурной аномалии зависят от пластового давления, давления насыщения, забойного давления и от газового фактора;

— основной вклад в отрицательную температурную аномалию вносит теплота разгазирования нефти. Дроссельным эффектом при фильрации выделившегося из нефти газа для перепадов давления в зоне разгазирования нефти до 25 ат можно пренебречь;

— имеются критические значения газового фактора такие, что при газовых факторах, меньше критического, на величине и характере зависимости температуры от забойного давления не сказывается разгазирование нефти в пласте. При этом температурная аномалия положительна и растет с уменьшением забойного давления как в случаях однофазной фильтрации жидкости;

— при газовых факторах, больших критического, но меньших инверсного газового фактора, температурная аномалия на забое скважины положительна, но с уменьшением забойного давлкения она уменьшается',.

— при газовых факторах, больших инверсного, температурная аномалия на забое скважины отрицательна и растет по абсолютной величине с уменьшением забойного давления;

— наличие воды в пласте вместе с разгазирующейся нефтью уменьшает влияние эффекта разгазирования нефти. С ростом обводненности продукции увеличивается значение инверсного газового фактора. При обводненности более 60% отрицательные температурные аномалии за счет разгазирования нефти в пласте для реальных на практике газовых факторов и забойных давлений не наблюдаются;

— в нестационарном поле давления после пуска скважины в работу с забойным давлением ниже давления насыщения вначале наблюдается понижение температуры, обусловленное адиабатическим эффектом и теплотой разгазирования нефти. С увеличением времени растет вклад дроссельного разогрева жидкой фазы и дроссельного охлаждения газовой фазы. Возможен переход во времени от отрицательной аномалии, сложившейся в начальные моменты времени, к положительной. В результате, даже если величина газового фактора в скважине ниже инверсного, для малых времен эксплуатации скважины на забое скважины в течение некоторого времени может наблюдаться отрицательная температурная аномалия.

На основе выявленных закономерностей разработана технология выделения нефтенасыщенных и водонасыщенных перфорированных пластов, основанная на регулировании температурных аномалий изменением давления в скважине.

7. Разработаны технологии определения характеристик нефтяных пластов при освоении и эксплуатации скважин, основанные на результатах исследования термогидродинамических полей:

— определение параметров пласта и призабойной зоны по данным гидродинамических исследований при освоении скважин. Для технологии КВУ при освоении скважин разработана методика определения гидропровод-ности пласта и скин-фактора;

— выявление интервалов притока воды в исследуемом пласте. В качестве информативных признаков используется инверсия во времени величины изменения температуры нефти и воды. Способ осуществляется путем замера серии термограмм после пуска скважины в эксплуатацию, после снижения уровня жидкости и вызова притока из пласта. Эта технология признана изобретением и используется на практике при освоении скважин;

— технология термогидродинамических исследований в скважине с целью оценки характера насыщения перфорированных пластов и состава притекающего флюида. В основе методики исследований — регулирование процесса разгазирования нефти в пласте путем изменения давления в скважине и регистрации величины изменения температуры притекающего в скважину флюида. Давление в скважине изменяют таким образом, чтобы был переход через давление насыщения нефти газом. Данная технология внедрена и используется при исследовании фонтанных скважин с большим газовым фактором и нефтяных скважин при их освоении. Установлено, что технология эффективна при обводненности продукции пласта менее 60−70%;

— методика термогидродинамического зондирования пласта и призабойной зоны путем регистрации температуры и объема отобранной жидкости во времени при постоянном давлении в скважине. Метод может быть использован в процессе освоения скважин струйными насосами;

— технология прогнозирования подхода фронта обводнения к добывающей скважине, основанная на выявленных особенностях термогидродинамических полей при вытеснении нефти водой. Метод может использоваться в системах с распределенными датчиками температуры и с применением обычных методов скважинной термометрии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе выполненных исследований развиты теоретические основы методов термогидродинамических исследований нефтяных пластов.

Исследованы алгоритмы определения параметров пласта и призабойной зоны по данным гидродинамических исследований при освоении скважин на основе разработанной математической модели, описывающей связь между давлением в скважине и расходом жидкости из пласта в условиях изотермической фильтрации.

Разработаны и исследованы математические модели прямых задач: -о нестационарном температурном поле в неоднородном пласте при однофазной неизотермической фильтрации слабосжимаемой жидкости с учетом термодинамичеких эффектов;

— для расчета термогидродинамических полей в пласте при вытеснении нефти водой;

— для изучения особенностей термогидродинамических полей при притоке из пласта газированной нефти в скважину с забойным давлением ниже давления насыщения нефти газом.

На основе проведенных исследований разработаны научно обоснованные технологии для изучения нефтяных пластов термогидродинамическими методами в процессе освоения и эксплуатации скважин. Для автоматизированной обработки данных термогидродинамических исследований скважин разработана и внедрена система «Гидрозонд».