Исследование оптимальных конструкций и схем размещения перфорационных отверстий в горизонтальных и пологих скважинах

Проблема наращивания дебита скважин в условиях падающей добычи остро стоит для большинства нефтедобывающих компаний. Поэтому арсенал применяемых технологий повышения нефтеотдачи пластов и ввода в эксплуатацию остаточных запасов нефти постоянно совершенствуется. Одной из перспективных технологий выработки запасов нефти является горизонтальное бурение. По прогнозам, в ближайшие годы, технологии горизонтального бурения приобретут статус технологий, обеспечивающих экономическую безопасность государства.

Несмотря на ряд преимуществ применения горизонтальных технологий, фактическая эффективность их значительно ниже теоретической возможной. Не всегда оправдываются ожидания по дебитам, в некоторых случаях происходит быстрое обводнение продукции скважин. В литературе выделяют следующие причины недостаточной эффективности ГС: особые условия вскрытия продуктивного пласта горизонтальным стволом, неоднородность геологического строения пласта-коллектора, несовершенство методов определения гипсометрического положения точки входа в продуктивный пласт, трещиноватость коллектора, влияние ствола скважины, отставание организации поддержания пластового давления и др. факторы. Практически отсутствуют исследования, посвященные изучению движения многофазного флюида в стволе скважины в зоне перфорации. Данная задача о потоке в стволе скважины при наличии распределенных источников имеет особое значение, так как ее решение позволит разработать новые виды перфорационных зон, способствующих увеличению продуктивности скважины.

Анализ показал, что в настоящее время не всегда используется весь потенциал горизонтальных технологий при освоении и разработке нефтяных месторождений. Результаты ряда работ подтверждают, что повышение эффективности разработки месторождений возможно на основе оптимального выбора местоположения, профиля и взаимной ориентации стволов горизонтальных скважин. Немаловажным также является исследование характера притока к стволу скважины с учетом течения пластовых флюидов внутри скважины. Поэтому продолжение данных исследований применительно к конкретным месторождениям остается актуальной задачей.

Актуальность проблемы.

Широкое использование технологий горизонтального бурения требует научного обоснования и поиска оптимальных условий строительства горизонтальных (ГС) и полого направленных скважин. Существующие методики расчета движения флюида в стволе скважины отличаются эмпирическим характером и условными зонами работы. Точность этих методик, основанных на эмпирических зависимостях, мала, что связано со схематическим рассмотрением структуры потока, а также с использованием коэффициентов корреляции. В связи с этим при решении задач, связанных с притоком нефти из пласта в горизонтальную скважину, всё большую актуальность приобретает использование программных продуктов, основанных на применении численных методов. Создание и применение математических моделей позволит наиболее эффективно использовать специфические характеристики потока флюидов в стволе скважины, начиная с локального уровня перфорационного отверстия до уровня окончательного дебита.

Цель работы — обоснование и разработка оптимальных конструкций и схем перфорации скважин на основе детального исследования процессов притока и движения пластовых флюидов в стволе скважины.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели и методики расчета профиля притока с учетом траектории ствола пологих и горизонтальных нефтяных скважин в продуктивном пласте;

2. Определение факторов, влияющих на профиль притока и дебит пологой скважины;

3. Поиск оптимальных схем расположения перфорационных отверстий на стволе горизонтальной скважины;

4. Разработка рекомендаций по повышению эффективности применения горизонтальных и полого направленных скважин.

Методы решения поставленных задач. Решение поставленных задач базируется на применении аналитических и численных методов решения уравнений Навье-Стокса, уравнений притока к стволу скважины, математического моделирования многофазных потоков в стволе скважины с использованием современных гидродинамических симуляторов.

Научная новизна результатов работы.

1. Показано, что при малых скоростях течения потока (малых числах Рейнольдса) в участках ствола горизонтальной скважины происходит накопление воды. При этом содержание воды в стволе скважины не соответствует реальной обводненности жидкости в коллекторе пласта, она значительно выше ее. Установлена зависимость обводненности добываемой продукции от числа Рейнольдса.

2. Энергетические характеристики потока жидкости в стволе ГС сильно зависят от того, под каким углом притекает пластовый флюид в скважину через перфорационные отверстия. Создание условий, когда продольная (то есть вдоль основного потока в стволе ГС) составляющая скорости жидкости, притекающей через перфорационные отверстия в скважину, имеет максимально возможное значение, позволит существенно снизить турбулентность потока, потери давления.

3. Показано, что профиль притока к стволу пологой скважины сильно зависит как от плотности перфорационных отверстий, так и от расположения скважины относительно кровли и подошвы пласта. Дебит пологой скважины имеет экстремальную зависимость от плотности перфорационных отверстий.

4. Показано, что наилучшими показателями характеризуются распределенные схемы расположения перфорационных отверстий: по спирали и линейные сверху, сбоку, снизу. Схемы расположения перфорационных отверстий, условно называемые групповыми (три-четыре перфорационных отверстия на поперечном сечении), ввиду ударного характера впрыска жидкости через перфорационные отверстия в поток внутри ствола скважины обладают худшими показателями.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Увеличение скорости потока на входе в участок горизонтальной скважины приводит к непропорционально меньшему росту массового расхода жидкости на выходе, что связано с турбулентностью потока жидкости в стволе скважины;

2. Линейное распределенное расположение перфорационных отверстий по стволу горизонтальной скважины с типом перфорации «под углом к направлению потока» является предпочтительным;

3. Изменяя плотность перфорационных отверстий вдоль ствола скважины, можно регулировать интенсивность профиля притока пологой скважины. При этом наибольшим значением дебита жидкости обладает скважина с равномерным распределением перфорационных отверстий вдоль ствола;

4. Сформирован оптимальный набор конструктивного исполнения и схем расположения перфорационных отверстий, позволяющий с максимальным экономическим эффектом повысить продуктивность горизонтальных скважин.

Практическая ценность результатов работы.

1. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и внедрении геолого-технических мероприятий (ГТМ) на Ибряевском месторождении.

2. Внедрение новой схемы расположения перфорационных отверстий позволило дополнительно получить 12.951 тыс. т нефти с экономическим эффектом в 15.541 млн руб.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах, проведенных в ГУП «ИПТЭР», ООО НПО «Нефтегазтехнология», «РН-УфаНИПИнефть» (г. Уфа, 2006;2009 гг.), научно-технических советах ОАО «Оренбургнефть» (г. Бугуруслан, 2006;2008 гг.), нефтяной компании «ТНК-ВР» (г. Москва, 2008;2009 гг.).

Публикации и личный вклад автора.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в том числе 6 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

В рассматриваемых исследованиях автору принадлежит постановка задач, их решение, анализ полученных результатов и организация внедрения рекомендаций в промысловых условиях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 101 наименование. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 115 рисунков.

Основные выводы и рекомендации.

Представленные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. При рассмотрении течения жидкости в участке горизонтального ствола скважины сделано заключение, что при движении однородной жидкости в стволе скважины с распределенными источниками (перфорационными отверстиями) в режиме турбулентности образуется упорядоченная структура потока, линии тока которого представляют собой вытянутые по протяженности ствола спирали, закручивающиеся во взаимно противоположных направлениях.

2. Увеличение скорости потока на входе в модель приводит к непропорционально меньшему росту массового расхода жидкости на выходе из модели, что связано с турбулентностью потока жидкости в стволе скважины.

3. Рассмотренная серия задач с притоком обводненной жидкости позволяет заключить, что процесс накопления воды в участках ствола горизонтальной скважины зависит от скорости движения жидкости. При малых скоростях течения потока (малых числах Рейнольдса), что соответствует малодебитным скважинам, происходит формирование центров накопления воды и их последующее продвижение вдоль ствола скважины. Дальнейшее снижение скорости потока способствует все большему расслоению структуры потока на воду и нефть с последующим продвижением получившейся снарядной структуры по стволу скважины. Крайним случаем является заполнение ствола водой с пробулькиванием нефтяной фазы. Поэтому данные об обводненности поступающей из малодебитиой скважины продукции не являются достоверными, так как значение содержания воды в скважинной жидкости отличается от значения обводнения коллектора и зависит от скорости несущего потока. Большая скорость потока препятствует формированию зон концентрации воды, присутствующей в поступающей смеси, при этом вода оттесняется к стенкам ствола скважины и выносится вместе с нефтью.

4. При движении двухфазной жидкости в стволе полого направленной скважины с распределенными источниками (перфорационными отверстиями) в режиме турбулентности образуется сложно-упорядоченная структура потока. Происходит градация параметра концентрации по сечению с преобладанием нефтяной фазы у верхней стенки и фазы воды у нижней стенки.

5. Энергетические характеристики потока жидкости в стволе ГС сильно зависят от того, под каким углом притекает пластовый флюид в скважину через перфорационные отверстия. Создание условий, когда продольная (то есть вдоль основного потока в стволе ГС) составляющая скорости жидкости, притекающей через перфорационные отверстия в скважину, имеет максимально возможное значение, позволит существенно снизить турбулентность потока, потери давления.

6. Профиль притока к стволу пологой скважины сильно зависит как от плотности перфорационных отверстий, так и от расположения скважины относительно кровли и подошвы пласта. Дебит пологой скважины имеет экстремальную зависимость от плотности перфорационных отверстий. Для рассмотренной в работе задачи максимальный дебит нефти скважины наблюдается при плотности элементарных стоков от 2 до 3 штук на метр длины ствола. Относительное уменьшение дебита скважины, связанное с расположением ствола возле непроницаемой границы (кровли или подошвы пласта), также зависит от плотности перфорационных отверстий и достигает максимального по абсолютной величине значения при плотности элементарных стоков от 2 до 3 штук на метр длины ствола. Для условий рассмотренной задачи ошибки в проводке ствола пологой скважины в толще пласта могут привести к снижению потенциального дебита скважины на 14. 15%.

7. Показано, что, изменяя плотность перфорационных отверстий вдоль ствола скважины, можно регулировать интенсивность в профиле притока пологой скважины. При этом влияние на суммарный дебит разных распределений перфорационных отверстий не велико, то есть дебит скважины, в основном, определяется числом перфорационных отверстий. Однако наибольшим значением дебита жидкости обладает скважина с равномерным распределением перфорационных отверстий вдоль ствола.

8. Рассмотренные типы перфорационных отверстий и положения их размещения на стволе горизонтальной скважины показали, что наилучшими характеристиками обладают типы отверстий, позволяющие потоку жидкости из коллектора входить в скважинный поток под острым углом (между векторами скорости притекающей жидкости и направлением движения потока в стволе скважины). При этом наилучшим расположением перфорационных отверстий в стволе горизонтальной скважины является расположение «сверху» или «сбоку».

9. Проведенные расчеты показывают, что наилучшими показателями характеризуются распределенные схемы расположения перфорационных отверстий: по спирали и линейные сверху, сбоку, снизу. Схемы расположения перфорационных отверстий, условно называемые групповыми (три-четыре перфорационных отверстия на поперечном сечении), ввиду ударного характера впрыска жидкости через перфорационные отверстия в поток внутри ствола скважины обладают худшими показателями.

10. Линейное распределенное расположение перфорационных отверстий по стволу горизонтальной скважины с типом перфорации «под углом к направлению потока» является предпочтительным.

11. Практическая реализация полученных в работе выводов в области оптимизации размещения ствола наклонно направленной скважины и расположения перфорационных отверстий на Ибряевском месторождении позволила получить технологический эффект в размере 12.951 тыс. т дополнительно, добытой нефти с соответствующим экономическим эффектом 15.541 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в работе было показано, что в настоящее время не всегда используется весь потенциал горизонтальных технологий при освоении и разработке нефтяных месторождений. Повышение эффективности применения полого направленных или горизонтальных стволов скважин возможно на основе исследования характера притока с учетом течения пластовых флюидов внутри скважины. Поэтому продолжение данных исследований применительно к конкретным месторождениям остается актуальной задачей.

На сегодняшний момент нет универсальных методик, позволяющих производить проектирование и разработку новых конструкций как горизонтальных, так и вертикальных скважин. Существующие методики расчета движения флюида в стволе скважины отличаются ярко выраженным эмпирическим характером с условными зонами работы. Точность этих методик основанных на эмпирических зависимостях мала, что связано со схематическим рассмотрением структуры потока, а так же использованием коэффициентов корреляции. Создание методики основанной на использовании численных алгоритмов позволит наиболее эффективно использовать специфические характеристики потока скважины, начиная с локального уровня перфорационного отверстия до уровня окончательного дебита.