Исследование скважин по КВД

МОСКВА «НАУКА» 1998

УДК 622 32 ББК6530413 Ш15

Рецензенты:

доктор технических наук С.Н. Закиров, доктор технических наук В.А. Сахаров

Шагиев Р.Г.

Исследование скважин по КВД - М Наука, 1998 - 304 с ISBN 5-02-002520-8

В монографии впервые в отечественной теории и практике рассмотрены проблемы гидродинамических исследований нефтяных и газовых скважин, связанные с использованием нового поколения высокоточных глубинных приборов. Представлены теоретические и методические основы, техника и технология исследования вертикальных и горизонтальных скважин по кривым восстановления давления (КВД) с использованием при интерпретации диагностических графиков в условиях линейного упругого режима фильтрации. Обобщен современный отечественный и зарубежный опыт. На промысловых примерах проанализированы методы логарифмических производных давления при интерпретации данных. Приводятся результаты уникальных промысловых экспериментов по изучению неньютоновских свойств нефти в процессе разработки месторождений.

Книга рассчитана на сотрудников нефтяных и газовых компаний, специалистов по гидродинамическим исследованиям скважин, аспирантов и студентов.

Автору приятно опубликовать книгу к 50-летнему юбилею Уфимского государственного нефтяного технического университета и 30-летию кафедры «Разработка газовых месторождений»

Табл. 13 Ил 51 Библиогр. 276 назв.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет гидродинамических исследований скважин

Кривые восстановления (падения) забойных давлений (КВД-КПД) являются одним из известных и распространенных методов гидродинамических исследований скважин на неустановившихся режимах фильтрации.

Под гидродинамическими исследованиями скважин (ГДИС) понимается система мероприятий, проводимых на скважинах по специальным программам замер с помощью глубинных приборов ряда величин (изменения забойных давлений, дебитов, температур во времени и др., относящихся к продуктивным нефтегазовым пластам), последующая обработка замеряемых данных, анализ и интерпретация полученной информации о продуктивных характеристиках - параметрах пластов и скважин и т д.

За последние годы были разработаны дистанционные высокоточные глубинные электронные манометры с пьезокварцевыми датчиками давления и глубинные комплексы с соответствующим компьютерным обеспечением (так называемые электронные манометры второго поколения). Применение таких манометров и комплексов позволяет использовать при анализе новые процедуры, резко улучшающие качество интерпретации фактических данных и количественно определяемых параметров продуктивных пластов. Особо остро стоят эти вопросы при разработке сложно построенных месторождений, при бурении, эксплуатации и исследовании горизонтальных скважин.

Автор ставит своей задачей ознакомить читателя с теоретическими основами, техникой, технологией и промысловым опытом гидродинамических исследований вертикальных и горизонтальных скважин на неустановившихся процессах линейного упругого режима фильтрации по кривым падения - восстановления давления (КПД-КВД) с использованием современных приборов. На этой базе появляется возможность методически обосновать применение новых элементов анализа и интерпретации данных ГДИС при принятии промысловых решений.

Значительное внимание в книге уделяется методическим вопросам анализа, обработки и интерпретации кривых падения - восстановления давления. Кроме того, на опыте промысловых исследований, проведенных автором, показаны возможности рассмотренных методов, их преимущества и недостатки при интерпретации данных исследования вертикальных и горизонтальных скважин. Это определяет структуру и содержание книги.

В общем, комплексе проблем разработки месторождений углеводородов важное место занимает начальная и текущая информация о параметрах пласта - сведения о продуктивных пластах, их строении и коллекторных свойствах, насыщающих флюидах, геолого-промысловых условиях, добывных возможностях скважин и др. Объем такой информации о параметрах пласта весьма обширен. Так, в терминологическом справочнике [35] приводится более трех тысяч терминов, относящихся к параметрам пласта: строению, свойствам пластов-коллекторов и насыщающих их флюидов, вопросам подсчета запасов углеводородов, системам разработки залежей, контролю, анализу и регулированию процесса разработки, оптимизации эксплуатации скважин и др.

В свою очередь, в понятие параметров пласта входят:

• пространственно-геометрические размеры залежи - пласта, т.е. глубина и положение кровли и подошвы, водонефтяного и газонефтяного контактов, площадь пласта, насыщенная углеводородами;

• пластовые давление и температура - режим пласта;

• пористость, насыщенность, проницаемость и анизотропия пласта, кривые фазовых проницаемостей и капиллярного давления, сжимаемость пористой среды и флюидов;

• состав углеводородов и их физические свойства в зависимости от давления и температуры - уравнения состояния (PVT - плотность, вязкость, давления насыщения и критические, газовый фактор, усадка и т.п.);

• тип пласта-коллектора, его упругодеформационные свойства, тип пластовой фильтрационной системы;

• продуктивная характеристика скважин (коэффициенты продуктивности и приемистости, фильтрационных сопротивлений газовых скважин, состояние призабойных зон - скин-фактор).

Источниками сведений о параметрах пласта служат как прямые, так и косвенные методы, основанные на интерпретации результатов исследований скважин: геолого-геофизических исследований, лабораторных изучений образцов породы (кернов, шлама) и проб пластовых флюидов при различных термобарических условиях (исследования PVT, изучаемой физикой пласта), данных бурения скважин и специального моделирования процессов фильтрации ГДИС.

Параметры пласта, полученные различными прямыми и косвенными методами (ГДИС, бурение, геолого-геофизические методы, PVT), имеют свои особенности и в силу этого характеризуют пласт в различной степени:

• по достоверности - точности найденного, подсчитанно­го числового значения того или иного параметра пласта (могущего, например, характеризоваться терминами «определено», «оценено», «подсчитано», «сопоставлено», «определенным образом интерпретировано» - с указанием границ применимости, рекомендациями о практическом использовании в расчетах, анализе и т.д.);

• по «качеству», «масштабности» информации - речь может идти как о дифференциальных (местных, локальных, частных), так и интегральных (общих, суммарных, средневзвешенных) значениях параметров во времени и пространстве (средневзвешенных по различным объемам пласта, приуроченных к определенным условиям, за определенный промежуток времени и т.д.). Например, коэффициенты проницаемости, найденные различными методами и основанные на различных физических процессах, происходящих при различных термобарических условиях (по геофизическим данным либо с помощью лабораторных методов по керну, по КВД или индикаторным диаграммам), по-разному характеризуют пласт. Их сопоставление и использование должно быть осознано с учетом особенностей найденных значений и их физической интерпретацией. Так, общеизвестно, что параметры пласта, полученные по данным бурения, геофизических и лабораторных исследований, при промысловых исследованиях скважин используются, как правило, при оценке запасов объемным методом. Параметры пласта по данным ГДИС и текущая промысловая информация в большинстве случаев используются для характеристики процессов разработки и добычи.

Обработка и интерпретация результатов ГДИС связана с решением прямых и обратных задач подземной гидромеханики. Учитывая, что обратные задачи подземной гидромеханики не всегда имеют единственные решения, существенно отметить комплексный характер интерпрета­ции данных ГДИС с широким использованием геолого-геофизических данных и результатов лабораторных исследований PVT.

Рассматривая комплекс информации о пласте по данным геологии, геофизики, PVT и ГДИС как взаимосвязанным элементам единой системы, можно составить представление о пласте (модели пласта) и модели пластовой фильтрационной системы (МПФС). МПФС - это систематизированная разнородная исходная информация о продуктивном пласте в виде геологических карт, профилей, описаний кернов, данных различных геофизических исследований скважин, экспериментальных зависимостей физических свойств пласта-коллектора и пластовых флюидов от давления (по данным PVT), таблиц или графиков, уравнений и формул, безразмерных зависимостей, описывающих поведение модели пласта.

МПФС является комплексным динамическим понятием, которое постоянно уточняется по мере бурения новых скважин и получения новой информации о процессе разработки залежи. Таким образом, целью ГДИС является получение информации о динамических фильтрационных характеристиках пласта для создания детерминированной МПФС, адекватной реальному пласту в результате комплексного использования промысловых геолого-геофизических данных и лабораторных исследований PVT (физики пласта).

Гидродинамические исследования скважин направ­лены на решение следующих задач:

• измерение дебитов (приемистости) скважин и определение природы флюидов и их физических свойств;

• измерение и регистрация во времени забойных и пластовых давлений, температур, скоростей потоков и плотности флюидов с помощью глубинных приборов (датчиков) и комплексов;

• определение (оценка) МПФС и параметров пластов -гидропроводности в призабойной и удаленных зонах пласта, скин-фактора, коэффициентов продуктивности (фильтрационных сопротивлений) скважин; пространственного распределения коллекторов, типа пласта коллектора (его деформационных свойств), положения экранов, сбросов и границ (зон пласта), взаимодействия скважин; распределения давления в пласте, типов фильтрационных потоков и законов фильтрации в пласте и других параметров - по результатам обработки и интерпретации данных измерений и регистрации давлений и дебитов различными типами и видами ГДИС;

• оценка полученных результатов, т.е. проверка на адекватной МПФС, и исходных замеренных данных.

Методически решение задач ГДИС относится к специальным задачам теории распознавания образов с использованием специальных приемов и процедур.

ГДИС относится к сфере научных услуг по получению информации о продуктивном пласте и может рассматриваться как слабоструктурированная проблема системного анализа [68, 161].

Проблема ГДИС является одной из актуальных и достаточно специфических и сложных научно-технических оставляющих в общем комплексе вопросов управления разработкой месторождений углеводородов и состоит в интегрированном, междисциплинарном подходе к решению проблем на основе современных научно-технических достижений геологии, геофизики, а также результатов исследований по подземной гидромеханике, математическому моделированию, компьютерным технологиям, отраслевой экономике с учетом политических, социальных, юридических, экологических, финансовых и других аспектов (за рубежом - Integrated Reservoir Management) [17, 69, 71, 175, 253].

Под системой ГДИС понимается совокупность таких взаимосвязанных элементов, как теоретические основы (решения прямых и обратных задач подземной гидромеханики), техника и технология (приборы и оборудование, вплоть до использования спутниковых каналов связи для передачи показаний глубинных приборов), методы и процедуры обработки и интерпретации данных (в т.ч. с использованием ЭВМ, экспертных систем и элементов искусственного интеллекта) и др. Эта система обладает общим интегральным эффектом, эмержентными свойствами и позволяет создавать идеализированные, концептуальные модели пластовых фильтрационных систем (МПФС), отражающих реальные объекты - продуктивные пласты и скважины. Поэтому проблема ГДИС выделяется в междисциплинарную предметную область, тесно связанную с циклом нефтегазопромысловых дисциплин: геологией, геофизикой, физикой нефтегазового пласта, подземной гидромеханикой, техникой и технологией добычи, теорией проектирования разработки месторождений, а также высшей математикой и математическим моделированием, физикой, отраслевой экономикой, метрологией и экологией [5,11, 12, 15,23-25, 33, 35, 36,42,44,45,48, 49, 59, 70-73, 123, 129, 169, 209, 268 и др.].

Предметная область ГДИС (Well Testing) является объектом постоянного и активного изучения и развития, что находит отражение в многочисленных публикациях (статьях и монографиях) отечественных и зарубежных исследователей. Так, в монографии [71] список литературы включает 984 публикации, в [129] - 316, в [268] - 195 публикаций.

В мире систематически проводятся научные конференции, симпозиумы и семинары по различным аспектам ГДИС (теоретическим и практическим, горизонтальных скважин и т.д.), при проведении которых часто организуются краткосрочные (обычно однодневные) курсы с обзорами достижений в этой области [121, 240, 243, 257].

За последние годы были разработаны новые методы определения характерных особенностей и параметров сложнопостроенньгх залежей, горизонтальных скважин, трещиноватых коллекторов - на основе теоретических разработок по учету влияния ствола скважины и скин-фактора, использования диагностических билогарифмических графиков КВД и производных давления, широкого использования компьютерных технологий с соответствующим математическим обеспечением, применения глубинных высокоточных манометров и комплексов «второго» поколения и т.д.

В настоящее время предмет ГДИС стал оформляться в самостоятельную учебную и научную дисциплину -«Гидродинамические методы исследования скважин», специальные разделы ГДИС включаются в учебные курсы.

Стоимость такого обучения, по данным зарубежных обзоров, составляет до 400-600 долларов США (без учета проезда и проживания) для каждого участника. Например, плата за обучение на четырехдневных краткосрочных курсах по ГДИС на английском языке при Французском нефтяном институте [121] составляет 7500 французских франков (около 300 долларов США в день для каждого участника) смежных дисциплин. По тематике ГДИС выполняется значительный объем курсовых и дипломных проектов по специальности «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» в нефтегазовых университетах и вузах. В настоящей книге принята методически концептуальная форма изложения ГДИС с учетом как специальной читательской аудитории, так и студентов.

Поэтому теоретические основы ГДИС излагаются по возможности кратко, сжато и как можно проще - с минимальными математическими выводами, выкладками и получением соответствующих дифференциальных уравнений, анализом их решений и комментариями. Для более глубокого и детального изучения теоретических аспектов ГДИС, отечественного и зарубежного опыта и достижений, читатель может обратиться к специальной литературе (часть которой приведена в библиографии) и материалам соответствующих учебных курсов («Подземная гидромеханика» и др.).

Понимание же физической сущности используемых аналитических решений, их физическая интерпретация, обеспечивает их правильное использование. Подобное изложение ГДИС позволяет более ясно представлять различные способы обработки данных ГДИС, анализировать их, оценивать области их применения для правильной интер­претации результатов и их практического использования.

В книге рассматриваются только ГДИС на неустановившихся режимах фильтрации на базе линейной теории упругого режима. В свою очередь ГДИС входит в более общую группу промысловых исследований скважин (геофизических, физико-химических, термометрических и др.).

В научной литературе, руководствах и руководящих документах (РД), инструкциях по ГДИС, документации по глубинным приборам и оборудованию, в том числе и зарубежной, используются физические параметры в международной системе единиц измерений (СИ), а также в нефтепромысловой системе единиц измерений США.

В книге, учитывая все большее распространение на промыслах приборов, оборудования и технологий не только отечественного, но и зарубежного производства, используются терминология и обозначения, общепринятые в теории и практике ГДИС, нефтепромысловой лексике, что наглядно отражено как в отечественной, так и в зарубежной (американской) научно-технической литературе в области Well Testing-Reservoir Engineering.

Уравнения и нумерация формул с использованием нефтепромысловых единиц измерения США отличаются дополнительным знаком - апострофом ('), например: система СИ - формула (1), система единиц США - формула (Г). В Англии и США знаки десятичных дробей отделяют не запятой, а точкой. Номенклатура основных символов, параметров ГДИС и уравнения в различных системах измерений, принятых в изложении, дается после «Введения» отдельным разделом.

НОМЕНКЛАТУРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И УРАВНЕНИЙ ГДИС В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЙ