Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)
На правах рукописи
ВОДОРЕЗОВ ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН С
ПРИМЕНЕНИЕМ АЗОТА
Специальность 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель – доктор техн. наук
Двойников М.В.
Тюмень – 2015
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................
4 1
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН АЗОТОМ С ПОМОЩЬЮ
КОЛТЮБИНГА ........................................................................................
10 1.1
Технология освоения скважин азотом с применением колтюбинга ...........................................................................................................
11 1.2
Анализ современных методов и средств контроля параметров азотного освоения колтюбингом. .........................................................................................
20 1.3.1
Анализ влияния технологических параметров на эффективность азотного освоения и существующие подходы к проектированию. ..................
25 1.3.2 Влияние технологических параметров на процессы, происходящие в скважине и пласте . ................................................................................................
28 11.3.3 Проектирование азотного освоения с применением колтюбинга.
37 1.3.4 Компьютерное моделирование процесса азотного освоения скважин ..................................................................................................
42 2
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ
СКВАЖИН АЗОТОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛТЮБИНГА .......................
54 2.1
Определение характеристик азота .........................................................
55 2.2
Стационарная модель течения азота по трубе колтюбинга ...............
60 2.2.1 Расчет коэффициента гидравлического сопротивления .................
65 2.2.2 Адаптация модели к условиям скважин со сложным профилем ...
68 2.2.3 Алгоритм решения задачи стационарного течения ........................
71 2.3 Нестационарная модель течения азота по трубе колтюбинга ..........
73 2.3.1 Этап предиктора ..................................................................................
74 2.3.2 Этап корректора ...................................................................................
81 2.3.3 Граничные условия задачи .................................................................
83 2.3.4
Устойчивость численного решения ...................................................
88 2
2.3.5
Алгоритм решения нестационарного течения газа методом характеристик ........................................................................................................
92 2.4
Модель многофазного течения газожидкостной смеси в затрубном пространстве колтюбинга и НКТ ........................................................................
94 2.4.1
Расчет реологических параметров компонентов многофазной смеси ........................................................................................................................
97 2.4.2 Расчет параметров газожидкостной смеси с помощью модифицированной модели Хэгдорна-Брауна ...................................................
102 3
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН АЗОТОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОЛТЮБИНГА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОЗДАВАЕМУЮ ДЕПРЕССИЮ ....
110 3.1 Оценка качества разработанных математических моделей ..............
110 3.2
Разработка и исследование метода контроля параметров азотного освоения с применением колтюбинга .........................................................
120 3.2.1
Исследование нестационарности параметров потока азота и времени перехода к установившемуся режиму течения ..........................................
122 3.3 Разработка и исследование метода проектирования параметров азотного освоения ........................................................................................
127 3.3.1 Исследование влияния технологических и геологических параметров азотного освоения на создаваемую депрессию ..........................................
127 4 4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АЗОТНОГО ОСВОЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОЛТЮБИНГА НА СКВАЖИНЕ №8420Г КРАСНОЛЕНИНСКОГО
МЕСТОРОЖДЕНИЯ .................................................................................
140 4.1 Исходные данные по скважине и ее конструкция ..............................
140 4.2 Расчет режимов освоения .......................................................................
143
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ .................................................
146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................
149
ПРИЛОЖЕНИЕ А ..................................................................................................
161 3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
В настоящее время добыча углеводородного сырья в Российской
Федерации является одним из краеугольных камней национальной экономики.
Сохранение высоких темпов добычи нефти и газа, это важная задача, в решении которой необходим комплексный подход. Ввиду того, что новые месторождения углеводородных ресурсов открываются все реже, дальнейшее развитие отрасли возможно только путем повышения эффективности эксплуатации уже открытых месторождений и широкого внедрения технологий, которые позволят добывать нефть и газ из истощенных залежей с аномально низкими пластовыми давлениями, а также из залежей с трудноизвлекаемыми запасами, которые характеризуются низкой проницаемостью коллекторов и сложными реологическими свойствами пластовых флюидов.
Эксплуатация таких залежей требует большого количества скважинных операций, которые сопровождаются глушением скважины. Последующий ввод скважины в эксплуатацию – освоение, в таких условиях становится критически важной операцией, от которой зависит продуктивность скважины после ремонтных работ и достигаемый эффект от мероприятий по интенсификации притока. Освоение скважин азотом с применением колтюбинга лучше всего подходит для решения данной задачи, так как позволяет производить вызов притока со стабильными и высокими значениями депрессии и минимальными негативными воздействиями на пласт. Тем не менее, существенным минусом этой технологии является сложность контроля величины депрессии на пласт в ходе освоения и отсутствие доступных и точных методов проектирования технологических параметров. Это делает невозможным предварительную оценку максимально достижимой депрессии на пласт, расчет режимов освоения и проведение операции с контролем забойного давления, что значительно снижает результат от применения рассматриваемой технологии.
4
Таким образом, актуальность решения задач разработки и исследования методов для контроля и проектирования параметров освоения скважин азотом с применением колтюбинга не вызывает сомнений, так как позволит повысить эффективность данной технологии, имеющей особое значение для эксплуатации залежей с низкими пластовыми давлениями и сложными геологическими условиями.
Степень разработанности
Проблемами освоения нефтяных и газовых скважин в разное время занимались многие отечественные и зарубежные авторы, среди них необходимо отметить Качмара Ю.Д., Басарыгина Ю.М., Зозулю Г.П.,
Овчинникова В.П., Кустышева А.В., Булатова А.И, Тагирова К.М., Шлеина
Г.А., Яремийчука Р.С., Hongren Gu, Yunxu Zhou, I.C. Wallton.Среди ученых, которые посвятили труды вопросам многофазных течений следует отметить
Марона В.И., Чисхолма Д., Лабунцова Д.А., Барнеа Д., Азиза Х., Тэйтела Е.
Цель работы
Повышение эффективности освоения скважин азотом с использованием колтюбинга путем разработки и внедрения методов проектирования и контроля параметров операции и исследования сопутствующих процессов, протекающих в скважине.
Основные задачи исследования
1.
Анализ технологии азотного освоения колтюбингом и подходов к проектированию и контролю параметров при проведении скважинной операции.
2.
Разработка и исследование модели многофазного течения газожидкостной смеси при освоении колтюбингом.
3.
Разработка и исследование стационарной и нестационарной моделей течения азота по трубе колтюбинга.
4.
Проведение вычислительных экспериментов и исследование влияния основных технических, технологических и геологических факторов на создаваемую при освоении депрессию на продуктивный пласт.
5
5.
Разработка алгоритмов расчета параметров освоения с помощью предлагаемых математических моделей и их практическое внедрение.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является процесс вызова притока в скважине, предметом исследования – освоение скважин азотом с применением колтюбинга.
Методология и методы исследования
Математическое моделирование изучаемых процессов, проведение вычислительных экспериментов и анализ графических и числовых результатов, а также общенаучные методы.
Научная новизна
1. Разработана модифицированная модель многофазного течения газожидкостной смеси на основе модели двухфазного течения
Хэгдорна-Брауна, учитывающая процессы образования эмульсии и дегазации нефти в стволе скважины. На основе данной модели разработан и исследован метод проектирования параметров освоения скважин азотом с применением колтюбинга.
2. Разработан метод контроля параметров азотного освоения колтюбингом, позволяющий осуществлять точный контроль за величиной создаваемой депрессии на пласт непосредственно в ходе скважинной операции без привлечения дополнительных технических средств.
3. С применением метода характеристик впервые решена задача неустановившегося течения азота по трубе колтюбинга, спущенной в добывающую скважину. Разработаны подходы к моделированию граничных условий исследуемой задачи. Исследовано время стабилизации параметров азота по трубе при изменении забойного давления, расхода азотного компрессора.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод моделирования процесса образования водонефтяной эмульсии при течении многофазной газожидкостной смеси по стволу скважины.
6
2. Существование для освоения скважины азотом предела величины депрессии на пласт при расходах азотного компрессора ниже технологического максимума.
3. Возможность точного определения величины забойного давления по устьевому манометру в трубе колтюбинга при азотном освоении.
4. Зависимость максимально достижимой депрессии на пласт при азотном освоении от реологических характеристик пластового флюида, конструкции скважины, коэффициентов продуктивности скважины и аномальности пластовых давлений
Теоретическая значимость работы
Разработаны и теоретически обоснованы методы определения технологических параметров азотного освоения с применением колтюбинга в нефтяных скважинах и их зависимость от геологических и технических факторов.
Математически описаны процессы течения сжимаемой жидкости, а также газожидкостной смеси в одномерном канале сложного сечения, имеющем сложное пространственное расположение, с граничными условиями в виде забоя добывающей скважины и азотного компрессора, либо штуцера на устье скважины. Составлены алгоритмы для расчета по предложенным математическим моделям, а также проанализированы методы их реализации.
Предложен метод математического описания процесса образования водонефтяной эмульсии в стволе скважины при течении газожидкостной смеси, а также учета дегазации нефти и участия попутного газа в процессе подъема пластового флюида по скважине. Доказана эффективность метода и значимость учета данных физических процессов при моделировании многофазного течения газожидкостной смеси.
Результаты исследования могут применяться для решения широкого спектра задач, связанных с течением пластового флюида в добывающих нефтяных и газовых скважинах и циркуляцией технологических жидкостей по трубам, спущенным в скважину при строительстве и ремонтных работах.
7
Практическая значимость работы
Результаты проведенного исследования позволяют проектировать и проводить азотное освоение на оптимальных режимах, при которых величина депрессии на пласт детерминирована, что дает возможность достичь максимальной эффективности, выраженной в восстановлении коэффициента продуктивности скважины после глушения и воздействия технологических жидкостей на пласт, наибольшего увеличения коэффициента продуктивности после проведения мероприятий по интенсификации притока. Также, проектирование и проведение азотного освоения при контролируемой депрессии на пласт ведет к снижению аварийности последующей эксплуатации скважин.
Исследование и определение технологических пределов азотного освоения позволяет совершать более обоснованный и корректный выбор способа освоения на скважине с определенными геолого-технологическими условиями. Результаты диссертационного исследования внедрены в рабочий процесс Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени.
Публикации
Результаты диссертационного исследования отражены в 7 печатных работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК.
Степень достоверности
Разработанные модели построены на известных законах гидродинамики, при составлении моделей анализировались и сравнивались данные из различных источников. Данные, полученные с помощью вычислительных экспериментов сравнивались с промысловыми данными, произведенный анализ подтвердил корректность составленных моделей. Полученные данные согласуются с результатами исследований других авторов, опубликовавших результаты своих научных исследований в авторитетных источниках, при анализе трудов по теме исследования использовались надежные,
8
авторитетные источники. Исследование проводилось с помощью высокоточной вычислительной техники и современных систем компьютерной алгебры.
Апробация результатов
Основные аспекты и положения диссертационного исследования докладывались на XIII Международной научно-практической конференции
INTECH-
ENERGY «Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века» (Москва, 2012), V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2012), V
Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, проводимой ИВТ СО РАН
(Тюмень, 2014), Девятой Международной научно-технической конференции
(посвященной 100-летию со дня рождения Протазанова Александра
Константиновича) «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, 2014), на заседаниях кафедры
«Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского Государственного
Нефтегазового Университета (Тюмень, 2014-2015).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности
25.00.15 –
Технология бурения и освоения скважин, а именно пункту 5 – «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 117 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц.
9
1.
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ
СКВАЖИН АЗОТОМС ПОМОЩЬЮ КОЛТЮБИНГА
Освоение нефтяных и газовых скважин, это комплекс мероприятий, направленных на вызов притока пластового флюида в скважину, восстановление проницаемости призабойной зоны пласта и установление режима эксплуатации скважины. Данная операция выполняется после бурения
(при вторичном вскрытии) и ремонта, когда скважина и призабойная зона пласта заполнены жидкостью глушения и другими жидкостями, и материалами, применявшимися при бурении и ремонте и препятствующими движению пластового флюида в скважину. Развитие технологий нефтяной и газовой промышленности ведет к тому, что в освоение скважин вовлекается решение разнообразных задач, таких, как исследование пластов непосредственно во время проведения данной операции, раздренирование прискважинной зоны для записи кривых восстановления давления/уровня/
Вопросы освоения скважин в своих работах рассматривали многие ученые и исследователи. Среди них необходимо отметить Качмара Ю.Д.,
Басарыгина Ю.М., Зозулю Г.П., Овчинникова В.П., Кустышева А.В., Булатова
А.И, Тагирова К.М., Грачева С.И., Шлеина Г.А., Яремийчука Р.С. и других [14-
22,25, 27, 28,29,37,38,40-43,55,67].
На этапе анализа научных трудов было выявлено, что вопросы азотного освоения скважин с помощью колтюбинга не исследованы так же тщательно и полно, как другие, более традиционные методы освоения. Вопрос азотного освоения скважин с помощью колтюбинга поднимается только в нескольких работах [6,34,67,92]. Применение колтюбинга имеет свои технологические особенности, без учета которых эффективное применение и тем более развитие данной технологии осложняется. Учитывая все большее внедрение
10
колтюбинговых технологий в нефтяную и газовую отрасль России, это создает предпосылку для проведения исследования.
1.1
Технология освоения скважина азотом с применением
колтюбинга
Существует большое количество технических подходов для проведения освоения. Имеющиеся в настоящее время технические подходы можно разделить на следующие методы[15]:
1.Снижения уровня жидкости глушения в скважине;
2. «
мгновенной» депрессии,
3.
замены или облегчения жидкости глушения более легкой.
К последнему можно отнести освоение скважин азотом с помощью колтюбинга.
Существование различных способов освоения нефтяных и газовых скважин обусловлено тем, что в современной нефтяной и газовой промышленности существует огромное разнообразие технико-геологических условий, для которых не существует однозначного экономического и технологического оптимума. Тем не менее, технология азотного освоения с применением колтюбинга не имеет конкурентов в плане минимизации негативных влияний на пласт и поэтому эффективнее других технологических подходов при освоении скважин с низкими пластовыми давлениями. А в некоторых случаях, например при освоении после ГРП, колтюбинг является наиболее приемлемым технологическим решением при освоенииеще и с точки зрения последующей эксплуатации скважины УЭЦН[5].
Технологические рамки применения освоения компрессированием достаточно широки, что позволяет использовать его в различных геолого- технических условиях. Данным способом можно осваивать скважины с
11
нормальным и аномальными давлениями[14,55], так как создаваемая депрессия на пласт может варьироваться в широких пределах.
Колтюбинг, или гибкая насосно-компрессорная труба (ГНКТ), прочно вошел в современную нефтегазовую промышленность. Данная технология является альтернативой традиционным техникам ремонта, где рабочая колонна дискретна и собирается из отдельных труб. В мире насчитывается около 2000 установок колтюбинга, из числа которых более 200 находятся в России [1].
Колтюбинговые установки широко применяются при самых разнообразных операциях цикла строительства скважин. Опыт применения колтюбинга в нашей стране весьма широк. Он включает проведение операций промывки и освоения скважин, бурения, цементирования, изоляции притока, спуска приборов геофизических исследований скважин (ГИС) и гидродинамических исследований скважин (ГДИС), различных операций по стимуляции притока, перфорации, ловильных работ и прочие [2,8,48,51,88].
Основное применение данной технологии, это ремонт скважин, в частности, работы на депрессии, что обусловлено главной технологической особенностью колтюбинга, понятной из названия (coiled tubing – с англ. гибкая труба) - непрерывной (безмуфтовой) гибкой насосно-компрессорной трубой.
Благодаря этой особенности, спускоподъемные операции (СПО) проходят без свинчивания муфтовых соединений НКТ, что позволяет постоянно контролировать давления и осуществлять закачку и циркуляцию рабочих жидкостей, как в течение самой операции, так и при СПО.
Принципиальная схема установки колтюбинга показана на рисунке 1.1.
Барабан колтюбинга может быть размещен на базе мобильной установки, либо на прицепе. При бурении колтюбингом также используются стационарные установки.
Трубы колтюбинга выпускаются различных типоразмеров. Для освоения скважин в основном применяются трубы диаметром от 1 дюйма до двух (25,4 –
50,8 мм). По длине трубы также различны и ограничены вместимостью
12
барабана колтюбинга (рисунок 1.1). Обычно на барабан колтюбинга наматывают трубу максимально возможной длины. Это связано с тем обстоятельством, что одной и той же трубой колтюбинга работают на достаточно большом количестве скважин и ее перемотка осуществляется тогда, когда труба выработала свой ресурс.
Таким образом, труба колтюбинга, помещенная на барабан установки должна быть максимальной длины, чтобы иметь возможность работать на всех предполагаемых глубинах, на которых может осуществляться внутрискважинная операция. Помимо этого, нужно учитывать, что при осуществлении работ по промывке и освоению нижняя часть трубы (от нескольких метров, до нескольких десятков метров), отрезается после проведения небольшого количества операций (количество операций и длина отрезаемого участка рассчитывается исходя из модели надежности трубы).
Компании-производители также изготавливают трубы с переменным внутренним диаметром. Это позволяет увеличить максимальную глубину спуска колтюбинга, и повышает надежность при проведении работ на глубоких скважинах. Трубы, изготовленные по такой технологии, имеют постоянный внешний диаметр, но переменную толщину стенки – чем ближе к сердечнику барабана, тем толще стенка и меньше внутренний диаметр.
Таким образом, при увеличении глубины и, как следствие, растягивающих нагрузок, вес воспринимается более прочной секцией трубы.
Данный фактор необходимо учитывать при расчетах и составлении математической модели, потому что градиент потерь давления на трение зависит от диаметра как ΔP
2
/
ΔP
1
(Ø
1
/ Ø
2
)
5
, исходя из формулы Дарси-
Вейсбаха.
Инжектор, показанный на рисунке 1.1, осуществляет функцию спускоподъемной системы, вытаскивая, либо заталкивая трубу в скважину.
Инжектор использует гидравлическую энергию для удерживания и движения трубы. Под цепями инжектора расположено герметизирующее устройство -
13
стриппер, являющееся первичным барьером. Стриппер позволяет надежно герметизировать межтрубное пространство при спуске, подъеме и проведении внутрискважинных операций. Вторичным и третичным барьерами является блок превенторов, установленный ниже стриппера.
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема установки колтюбинга
Блок превенторов может компоноваться по-разному, в зависимости от скважинных давлений и сложности операции. Минимальная компоновка превентора включает в себя два комбинированных блока. Нижний блок оснащен трубными/удерживающими плашками, верхний блок оснащен срезными/глухими плашками. При больших ожидаемых давлениях на устье используют сборку из, как минимум, четырех блоков, оснащенных некомбинированными плашками. При сложных работах с помощью колтюбинга, в зависимости от регламентов сервисного предприятия, может устанавливаться третичный барьер – безопасная головка, включающая в себя срезной/глухой превентор, устанавливаемый непосредственно над фонтанной арматурой [26,46]. Промывка и освоение скважин, как правило, проводится при
14
использовании комбинированной сборки превенторов. Оборудование колтюбинга может монтироваться на работающую, или по каким-либо причинам простаивающую скважину [57].
Кроме возможности работы на незаглушенных скважинах, важным преимуществом колтюбинга над традиционной технологией ремонта является возможность гибкого регулирования глубины скважинных операций непосредственно во время их проведения, то есть, при циркуляции рабочей жидкости можно производить СПО. Данный фактор играет большую роль при работах на незаглушенных скважинах, а также при циркуляции рабочей жидкости в скважинах с пластами большой мощности. При различных видах работ, это позволяет осуществить точную доставку рабочего агента в определенный интервал по глубине скважины.
Колтюбинг обладает и другими технологическими преимуществами, такими, как мобильность, безопасность, расширенные возможности контроля технологических параметров, минимальные погрешности при расчете количества рабочих жидкостей и меньший их потребный объем.
В итоге, совокупность всех вышеперечисленных преимуществ обеспечивает менее значительное негативное воздействие на продуктивный пласт при ремонтных операциях с колтюбингом по сравнению с традиционными технологиями ремонта и, как следствие, большую экономическую эффективность при применении на скважинах с низкими пластовыми давлениями.
Несмотря на разнообразие возможного применения данной технологии, основной вид работ, осуществляемый с помощью колтюбинга, это промывка и освоение скважины после гидравлического разрыва пласта (ГРП). В мировой практике использования колтюбинга эти работы составляют около 70% от общего числа [3], в России данный показатель еще выше. Применяется освоение азотом в основном на скважинах с низкими пластовыми давлениями, где для создания депрессии требуется значительное облегчение столба
15
жидкости в скважине и другие методы, такие, как замена жидкости, неэффективны.
Преимущественное применение технологии колтюбингового освоения после ГРП обусловлено как экономическими, так и технологическими аспектами обозначенными выше.
В настоящее время подавляющее количество операций ГРП проводится через спущенную в скважину насосно-компрессорную трубу, на низ которой установлено соответствующее оборудование (пакер, воронка, клапана, узлы безопасности и т.д.). После проведения ГРП, НКТ оказывается заполненной песком в той или иной степени, в зависимости от успешности и правильности операции[4,36].
Это обуславливает технологическую необходимость промывки скважины. После промывки необходимо произвести освоение. В данном случае возможен подъем НКТ для ГРП и спуск рабочей компоновки капитального ремонта для промывки и последующего освоения (в случае, если освоение будет также проводиться компрессорным способом). Колтюбинг позволяет очищать и осваивать скважину за одну скважинную операцию через компоновку ГРП, как показано на рисунке 1.2.
Это позволит в значительной степени снизить негативные воздействия на пласт в силу того, что колтюбинг, как уже было отмечено, может работать на
«живой» скважине, а спуско-подъемные операции занимают меньше времени и физический объем спускаемого оборудования значительно меньше. Это особенно важно при освоении пластов после проведения работ по стимуляции притока – соляно-кислотных обработках (СКО) и ГРП. В скважинах после проведения работ по стимуляции индекс продуктивности увеличивается. При создании репрессии в такую скважину уйдет больший объем жидкости глушения так как увеличится и приемистость.
При освоении после ГРП оборудование ГНКТ монтируется на арматуру
ГРП, труба колтюбинга спускается внутрь НКТ, через которую проводился
16
гидроразрыв. Циркуляция и подъем пластового флюида осуществляются через внутритрубное и затрубное пространство ГНКТ. При прямой циркуляции закачка рабочего агента ведется в трубу колтюбинга, при обратной – в затрубуное пространство ГНКТ. Использование колтюбинга в комплексе работ после проведения ГРП позволяет проводить промывку скважины от незакрепленного проппанта, а после нормализации забоя скважины сразу начинать освоение скважины азотом.
Рисунок 1.2 – Применение колтюбинга после проведения ГРП
В рамках настоящего диссертационного исследования освоение скважин азотом, или, говоря иначе, азотное освоение с помощью колтюбинга необходимо максимально подробно исследовать именно как часть комплекса операций после ГРП. Это связано не только с тем, что данное применение колтюбинга для вызова притока является наиболее распространенным в нашей стране, но и с тем, что этот вид операций включает в себя максимальный спектр технологических задач и нюансов, которые связаны с выносом твердых частиц,
17
вымыванием реагентов ГРП, подъемом многокомпонентной смеси по стволу скважины, раздренированием ПЗП для проведения исследования скважины и т.д. [5]. В случае традиционной технологии промывка скважин после ГРП осуществляется с помощью гидравлических желонок. Недостатками данного метода является создание депрессии, близкой по величине пластовому давлению. При такой разнице давлений из трещины ГРП выносится даже закрепленный проппант, таким образом трещина повреждается, нарушается ее стабильность. Помимо прочего спуск и подъем желонки происходит на репрессии, что чревато поглощением и, как следствие увеличением времени освоения и снижением коэффициента восстановления проницаемости ПЗП (в данном случае под коэффициентом восстановления следует понимать разницу между потенциальной проницаемостью ПЗП с трещиной ГРП и фактической).
Другим видом стимуляции притока, которому также очень часто сопутствует азотное освоение колтюбингом, является соляно-кислотная обработка пласта (СКО). Это опять же связано с тем фактом, что технология колтюбинга позволяет проводить СКО и освоение за одну скважинную операцию без глушения, минимизировав вред, наносимый пласту. Колтюбинг также позволяет проводить СКО максимально эффективно за счет того, что труба может двигаться в процессе проведения операции и обработка пластов большой мощности при этом становится более эффективной, так как гидромониторная насадка колтюбинга, через которую выходит реагент, обрабатывает пласт по всей его мощности.
Важнейшим техническим агрегатом при азотном освоении, помимо колтюбинга, является азотная компрессорная установка (газификатор). Ее основное предназначение, это создание и подача необходимого объема газообразного азота в трубу колтюбинга. Основными параметрами азотной установки являются максимальный расход и давление азота на выходе.
Существует два основных типа компрессоров – установки, преобразующие жидкий азот в газообразный при помощи тепла, и установки
18
мембранного типа, являющиеся мини-заводами и получающие азот из воздуха.
Установки мембранного типа не желательны для применения в колтюбинге, так как они не очищают азот до достаточной степени. Азот, полученный с помощью мембранной установки, содержит до 1,9 % кислорода. В итоге, их применение вкупе с колтюбингом ведет к быстрому коррозионному износу дорогостоящей ГНКТ. Также существуют установки, которые позволяют закачивать газы сгорания топлива ДВС [60], но они обладают рядом недостатков – требуют систему очистки, загрязняют внутреннюю полость трубы, обладают ограниченной производительностью.
Установки, преобразующие жидкий азот в газообразный, также делятся на два типа. Первые используют тепло от сжигания топлива. Данные установки имеют очень высокую производительность и используются в основном при строительстве трубопроводов, однако, они небезопасны. Установки второго типа используют тепло внешней среды для газификации жидкого азота. Данные установки безопасны, используют очищенный жидкий азот и являются оптимальными для применения в различных внутрискважинных операциях, в том числе и освоении. Максимальное рабочее давление таких азотных установок может превышать 100 МПа, а расход может быть выше 80 м
3
/мин.
Столь широкие технические характеристики позволяют применять их практически при любых скважинных условиях.
Схема азотной установки, использующей тепло внешней среды, показана на рисунке 1.3.
Жидкий азот из емкости поступает в криогенный насос высокого давления. Плунжеры этого насоса способны прокачивать жидкий азот к теплообменнику высокого давления. В теплообменнике жидкий азот разогревается и обращается в газообразное состояние, преодолевая критическую точку. При фазовом переходе объемный расход азота увеличивается во много раз. Газ под давлением поступает в нагнетательную линию, ведущую к вертлюгу колтюбинга, далее по ГНКТ идет к забою.
19
Рисунок 1.3 – Схема азотной установки, использующей тепло внешней среды
Освоение может проводиться с применением пенных систем, газожидкостной смеси, или облегченной жидкости. В таком случае помимо компрессора в работе также участвует обыкновенная насосная установка, ее задачей является подача обработанной жидкости в нагнетательную линию.
Общая технологическая схема оборудования показана далее на рисунке 1.5.
Выбор оптимальных характеристик закачиваемого флюида, давления и расхода, а также других факторов составляют суть проектирования операции по азотному освоению с помощью колтюбинга. Существующие решения и исследования в данном направлении требуют тщательного обзора и анализа.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
скачати
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)
На правах рукописи
ВОДОРЕЗОВ ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН С
ПРИМЕНЕНИЕМ АЗОТА
Специальность 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель – доктор техн. наук
Двойников М.В.
Тюмень – 2015
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................
4 1
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН АЗОТОМ С ПОМОЩЬЮ
КОЛТЮБИНГА ........................................................................................
10 1.1
Технология освоения скважин азотом с применением колтюбинга ...........................................................................................................
11 1.2
Анализ современных методов и средств контроля параметров азотного освоения колтюбингом. .........................................................................................
20 1.3.1
Анализ влияния технологических параметров на эффективность азотного освоения и существующие подходы к проектированию. ..................
25 1.3.2 Влияние технологических параметров на процессы, происходящие в скважине и пласте . ................................................................................................
28 11.3.3 Проектирование азотного освоения с применением колтюбинга.
37 1.3.4 Компьютерное моделирование процесса азотного освоения скважин ..................................................................................................
42 2
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОСВОЕНИЯ
СКВАЖИН АЗОТОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛТЮБИНГА .......................
54 2.1
Определение характеристик азота .........................................................
55 2.2
Стационарная модель течения азота по трубе колтюбинга ...............
60 2.2.1 Расчет коэффициента гидравлического сопротивления .................
65 2.2.2 Адаптация модели к условиям скважин со сложным профилем ...
68 2.2.3 Алгоритм решения задачи стационарного течения ........................
71 2.3 Нестационарная модель течения азота по трубе колтюбинга ..........
73 2.3.1 Этап предиктора ..................................................................................
74 2.3.2 Этап корректора ...................................................................................
81 2.3.3 Граничные условия задачи .................................................................
83 2.3.4
Устойчивость численного решения ...................................................
88 2
2.3.5
Алгоритм решения нестационарного течения газа методом характеристик ........................................................................................................
92 2.4
Модель многофазного течения газожидкостной смеси в затрубном пространстве колтюбинга и НКТ ........................................................................
94 2.4.1
Расчет реологических параметров компонентов многофазной смеси ........................................................................................................................
97 2.4.2 Расчет параметров газожидкостной смеси с помощью модифицированной модели Хэгдорна-Брауна ...................................................
102 3
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН АЗОТОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОЛТЮБИНГА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОЗДАВАЕМУЮ ДЕПРЕССИЮ ....
110 3.1 Оценка качества разработанных математических моделей ..............
110 3.2
Разработка и исследование метода контроля параметров азотного освоения с применением колтюбинга .........................................................
120 3.2.1
Исследование нестационарности параметров потока азота и времени перехода к установившемуся режиму течения ..........................................
122 3.3 Разработка и исследование метода проектирования параметров азотного освоения ........................................................................................
127 3.3.1 Исследование влияния технологических и геологических параметров азотного освоения на создаваемую депрессию ..........................................
127 4 4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АЗОТНОГО ОСВОЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОЛТЮБИНГА НА СКВАЖИНЕ №8420Г КРАСНОЛЕНИНСКОГО
МЕСТОРОЖДЕНИЯ .................................................................................
140 4.1 Исходные данные по скважине и ее конструкция ..............................
140 4.2 Расчет режимов освоения .......................................................................
143
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ .................................................
146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................
149
ПРИЛОЖЕНИЕ А ..................................................................................................
161 3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
В настоящее время добыча углеводородного сырья в Российской
Федерации является одним из краеугольных камней национальной экономики.
Сохранение высоких темпов добычи нефти и газа, это важная задача, в решении которой необходим комплексный подход. Ввиду того, что новые месторождения углеводородных ресурсов открываются все реже, дальнейшее развитие отрасли возможно только путем повышения эффективности эксплуатации уже открытых месторождений и широкого внедрения технологий, которые позволят добывать нефть и газ из истощенных залежей с аномально низкими пластовыми давлениями, а также из залежей с трудноизвлекаемыми запасами, которые характеризуются низкой проницаемостью коллекторов и сложными реологическими свойствами пластовых флюидов.
Эксплуатация таких залежей требует большого количества скважинных операций, которые сопровождаются глушением скважины. Последующий ввод скважины в эксплуатацию – освоение, в таких условиях становится критически важной операцией, от которой зависит продуктивность скважины после ремонтных работ и достигаемый эффект от мероприятий по интенсификации притока. Освоение скважин азотом с применением колтюбинга лучше всего подходит для решения данной задачи, так как позволяет производить вызов притока со стабильными и высокими значениями депрессии и минимальными негативными воздействиями на пласт. Тем не менее, существенным минусом этой технологии является сложность контроля величины депрессии на пласт в ходе освоения и отсутствие доступных и точных методов проектирования технологических параметров. Это делает невозможным предварительную оценку максимально достижимой депрессии на пласт, расчет режимов освоения и проведение операции с контролем забойного давления, что значительно снижает результат от применения рассматриваемой технологии.
4
Таким образом, актуальность решения задач разработки и исследования методов для контроля и проектирования параметров освоения скважин азотом с применением колтюбинга не вызывает сомнений, так как позволит повысить эффективность данной технологии, имеющей особое значение для эксплуатации залежей с низкими пластовыми давлениями и сложными геологическими условиями.
Степень разработанности
Проблемами освоения нефтяных и газовых скважин в разное время занимались многие отечественные и зарубежные авторы, среди них необходимо отметить Качмара Ю.Д., Басарыгина Ю.М., Зозулю Г.П.,
Овчинникова В.П., Кустышева А.В., Булатова А.И, Тагирова К.М., Шлеина
Г.А., Яремийчука Р.С., Hongren Gu, Yunxu Zhou, I.C. Wallton.Среди ученых, которые посвятили труды вопросам многофазных течений следует отметить
Марона В.И., Чисхолма Д., Лабунцова Д.А., Барнеа Д., Азиза Х., Тэйтела Е.
Цель работы
Повышение эффективности освоения скважин азотом с использованием колтюбинга путем разработки и внедрения методов проектирования и контроля параметров операции и исследования сопутствующих процессов, протекающих в скважине.
Основные задачи исследования
1.
Анализ технологии азотного освоения колтюбингом и подходов к проектированию и контролю параметров при проведении скважинной операции.
2.
Разработка и исследование модели многофазного течения газожидкостной смеси при освоении колтюбингом.
3.
Разработка и исследование стационарной и нестационарной моделей течения азота по трубе колтюбинга.
4.
Проведение вычислительных экспериментов и исследование влияния основных технических, технологических и геологических факторов на создаваемую при освоении депрессию на продуктивный пласт.
5
5.
Разработка алгоритмов расчета параметров освоения с помощью предлагаемых математических моделей и их практическое внедрение.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является процесс вызова притока в скважине, предметом исследования – освоение скважин азотом с применением колтюбинга.
Методология и методы исследования
Математическое моделирование изучаемых процессов, проведение вычислительных экспериментов и анализ графических и числовых результатов, а также общенаучные методы.
Научная новизна
1. Разработана модифицированная модель многофазного течения газожидкостной смеси на основе модели двухфазного течения
Хэгдорна-Брауна, учитывающая процессы образования эмульсии и дегазации нефти в стволе скважины. На основе данной модели разработан и исследован метод проектирования параметров освоения скважин азотом с применением колтюбинга.
2. Разработан метод контроля параметров азотного освоения колтюбингом, позволяющий осуществлять точный контроль за величиной создаваемой депрессии на пласт непосредственно в ходе скважинной операции без привлечения дополнительных технических средств.
3. С применением метода характеристик впервые решена задача неустановившегося течения азота по трубе колтюбинга, спущенной в добывающую скважину. Разработаны подходы к моделированию граничных условий исследуемой задачи. Исследовано время стабилизации параметров азота по трубе при изменении забойного давления, расхода азотного компрессора.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод моделирования процесса образования водонефтяной эмульсии при течении многофазной газожидкостной смеси по стволу скважины.
6
2. Существование для освоения скважины азотом предела величины депрессии на пласт при расходах азотного компрессора ниже технологического максимума.
3. Возможность точного определения величины забойного давления по устьевому манометру в трубе колтюбинга при азотном освоении.
4. Зависимость максимально достижимой депрессии на пласт при азотном освоении от реологических характеристик пластового флюида, конструкции скважины, коэффициентов продуктивности скважины и аномальности пластовых давлений
Теоретическая значимость работы
Разработаны и теоретически обоснованы методы определения технологических параметров азотного освоения с применением колтюбинга в нефтяных скважинах и их зависимость от геологических и технических факторов.
Математически описаны процессы течения сжимаемой жидкости, а также газожидкостной смеси в одномерном канале сложного сечения, имеющем сложное пространственное расположение, с граничными условиями в виде забоя добывающей скважины и азотного компрессора, либо штуцера на устье скважины. Составлены алгоритмы для расчета по предложенным математическим моделям, а также проанализированы методы их реализации.
Предложен метод математического описания процесса образования водонефтяной эмульсии в стволе скважины при течении газожидкостной смеси, а также учета дегазации нефти и участия попутного газа в процессе подъема пластового флюида по скважине. Доказана эффективность метода и значимость учета данных физических процессов при моделировании многофазного течения газожидкостной смеси.
Результаты исследования могут применяться для решения широкого спектра задач, связанных с течением пластового флюида в добывающих нефтяных и газовых скважинах и циркуляцией технологических жидкостей по трубам, спущенным в скважину при строительстве и ремонтных работах.
7
Практическая значимость работы
Результаты проведенного исследования позволяют проектировать и проводить азотное освоение на оптимальных режимах, при которых величина депрессии на пласт детерминирована, что дает возможность достичь максимальной эффективности, выраженной в восстановлении коэффициента продуктивности скважины после глушения и воздействия технологических жидкостей на пласт, наибольшего увеличения коэффициента продуктивности после проведения мероприятий по интенсификации притока. Также, проектирование и проведение азотного освоения при контролируемой депрессии на пласт ведет к снижению аварийности последующей эксплуатации скважин.
Исследование и определение технологических пределов азотного освоения позволяет совершать более обоснованный и корректный выбор способа освоения на скважине с определенными геолого-технологическими условиями. Результаты диссертационного исследования внедрены в рабочий процесс Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени.
Публикации
Результаты диссертационного исследования отражены в 7 печатных работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК.
Степень достоверности
Разработанные модели построены на известных законах гидродинамики, при составлении моделей анализировались и сравнивались данные из различных источников. Данные, полученные с помощью вычислительных экспериментов сравнивались с промысловыми данными, произведенный анализ подтвердил корректность составленных моделей. Полученные данные согласуются с результатами исследований других авторов, опубликовавших результаты своих научных исследований в авторитетных источниках, при анализе трудов по теме исследования использовались надежные,
8
Апробация результатов
Основные аспекты и положения диссертационного исследования докладывались на XIII Международной научно-практической конференции
INTECH-
ENERGY «Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века» (Москва, 2012), V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2012), V
Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, проводимой ИВТ СО РАН
(Тюмень, 2014), Девятой Международной научно-технической конференции
(посвященной 100-летию со дня рождения Протазанова Александра
Константиновича) «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, 2014), на заседаниях кафедры
«Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского Государственного
Нефтегазового Университета (Тюмень, 2014-2015).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности
25.00.15 –
Технология бурения и освоения скважин, а именно пункту 5 – «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 117 наименований. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц.
9
1.
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ
СКВАЖИН АЗОТОМС ПОМОЩЬЮ КОЛТЮБИНГА
Освоение нефтяных и газовых скважин, это комплекс мероприятий, направленных на вызов притока пластового флюида в скважину, восстановление проницаемости призабойной зоны пласта и установление режима эксплуатации скважины. Данная операция выполняется после бурения
(при вторичном вскрытии) и ремонта, когда скважина и призабойная зона пласта заполнены жидкостью глушения и другими жидкостями, и материалами, применявшимися при бурении и ремонте и препятствующими движению пластового флюида в скважину. Развитие технологий нефтяной и газовой промышленности ведет к тому, что в освоение скважин вовлекается решение разнообразных задач, таких, как исследование пластов непосредственно во время проведения данной операции, раздренирование прискважинной зоны для записи кривых восстановления давления/уровня/
Вопросы освоения скважин в своих работах рассматривали многие ученые и исследователи. Среди них необходимо отметить Качмара Ю.Д.,
Басарыгина Ю.М., Зозулю Г.П., Овчинникова В.П., Кустышева А.В., Булатова
А.И, Тагирова К.М., Грачева С.И., Шлеина Г.А., Яремийчука Р.С. и других [14-
22,25, 27, 28,29,37,38,40-43,55,67].
На этапе анализа научных трудов было выявлено, что вопросы азотного освоения скважин с помощью колтюбинга не исследованы так же тщательно и полно, как другие, более традиционные методы освоения. Вопрос азотного освоения скважин с помощью колтюбинга поднимается только в нескольких работах [6,34,67,92]. Применение колтюбинга имеет свои технологические особенности, без учета которых эффективное применение и тем более развитие данной технологии осложняется. Учитывая все большее внедрение
10
1.1
Технология освоения скважина азотом с применением
колтюбинга
Существует большое количество технических подходов для проведения освоения. Имеющиеся в настоящее время технические подходы можно разделить на следующие методы[15]:
1.Снижения уровня жидкости глушения в скважине;
2. «
мгновенной» депрессии,
3.
замены или облегчения жидкости глушения более легкой.
К последнему можно отнести освоение скважин азотом с помощью колтюбинга.
Существование различных способов освоения нефтяных и газовых скважин обусловлено тем, что в современной нефтяной и газовой промышленности существует огромное разнообразие технико-геологических условий, для которых не существует однозначного экономического и технологического оптимума. Тем не менее, технология азотного освоения с применением колтюбинга не имеет конкурентов в плане минимизации негативных влияний на пласт и поэтому эффективнее других технологических подходов при освоении скважин с низкими пластовыми давлениями. А в некоторых случаях, например при освоении после ГРП, колтюбинг является наиболее приемлемым технологическим решением при освоенииеще и с точки зрения последующей эксплуатации скважины УЭЦН[5].
Технологические рамки применения освоения компрессированием достаточно широки, что позволяет использовать его в различных геолого- технических условиях. Данным способом можно осваивать скважины с
11
Колтюбинг, или гибкая насосно-компрессорная труба (ГНКТ), прочно вошел в современную нефтегазовую промышленность. Данная технология является альтернативой традиционным техникам ремонта, где рабочая колонна дискретна и собирается из отдельных труб. В мире насчитывается около 2000 установок колтюбинга, из числа которых более 200 находятся в России [1].
Колтюбинговые установки широко применяются при самых разнообразных операциях цикла строительства скважин. Опыт применения колтюбинга в нашей стране весьма широк. Он включает проведение операций промывки и освоения скважин, бурения, цементирования, изоляции притока, спуска приборов геофизических исследований скважин (ГИС) и гидродинамических исследований скважин (ГДИС), различных операций по стимуляции притока, перфорации, ловильных работ и прочие [2,8,48,51,88].
Основное применение данной технологии, это ремонт скважин, в частности, работы на депрессии, что обусловлено главной технологической особенностью колтюбинга, понятной из названия (coiled tubing – с англ. гибкая труба) - непрерывной (безмуфтовой) гибкой насосно-компрессорной трубой.
Благодаря этой особенности, спускоподъемные операции (СПО) проходят без свинчивания муфтовых соединений НКТ, что позволяет постоянно контролировать давления и осуществлять закачку и циркуляцию рабочих жидкостей, как в течение самой операции, так и при СПО.
Принципиальная схема установки колтюбинга показана на рисунке 1.1.
Барабан колтюбинга может быть размещен на базе мобильной установки, либо на прицепе. При бурении колтюбингом также используются стационарные установки.
Трубы колтюбинга выпускаются различных типоразмеров. Для освоения скважин в основном применяются трубы диаметром от 1 дюйма до двух (25,4 –
50,8 мм). По длине трубы также различны и ограничены вместимостью
12
Таким образом, труба колтюбинга, помещенная на барабан установки должна быть максимальной длины, чтобы иметь возможность работать на всех предполагаемых глубинах, на которых может осуществляться внутрискважинная операция. Помимо этого, нужно учитывать, что при осуществлении работ по промывке и освоению нижняя часть трубы (от нескольких метров, до нескольких десятков метров), отрезается после проведения небольшого количества операций (количество операций и длина отрезаемого участка рассчитывается исходя из модели надежности трубы).
Компании-производители также изготавливают трубы с переменным внутренним диаметром. Это позволяет увеличить максимальную глубину спуска колтюбинга, и повышает надежность при проведении работ на глубоких скважинах. Трубы, изготовленные по такой технологии, имеют постоянный внешний диаметр, но переменную толщину стенки – чем ближе к сердечнику барабана, тем толще стенка и меньше внутренний диаметр.
Таким образом, при увеличении глубины и, как следствие, растягивающих нагрузок, вес воспринимается более прочной секцией трубы.
Данный фактор необходимо учитывать при расчетах и составлении математической модели, потому что градиент потерь давления на трение зависит от диаметра как ΔP
2
/
ΔP
1
(Ø
1
/ Ø
2
)
5
, исходя из формулы Дарси-
Вейсбаха.
Инжектор, показанный на рисунке 1.1, осуществляет функцию спускоподъемной системы, вытаскивая, либо заталкивая трубу в скважину.
Инжектор использует гидравлическую энергию для удерживания и движения трубы. Под цепями инжектора расположено герметизирующее устройство -
13
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема установки колтюбинга
Блок превенторов может компоноваться по-разному, в зависимости от скважинных давлений и сложности операции. Минимальная компоновка превентора включает в себя два комбинированных блока. Нижний блок оснащен трубными/удерживающими плашками, верхний блок оснащен срезными/глухими плашками. При больших ожидаемых давлениях на устье используют сборку из, как минимум, четырех блоков, оснащенных некомбинированными плашками. При сложных работах с помощью колтюбинга, в зависимости от регламентов сервисного предприятия, может устанавливаться третичный барьер – безопасная головка, включающая в себя срезной/глухой превентор, устанавливаемый непосредственно над фонтанной арматурой [26,46]. Промывка и освоение скважин, как правило, проводится при
14
Кроме возможности работы на незаглушенных скважинах, важным преимуществом колтюбинга над традиционной технологией ремонта является возможность гибкого регулирования глубины скважинных операций непосредственно во время их проведения, то есть, при циркуляции рабочей жидкости можно производить СПО. Данный фактор играет большую роль при работах на незаглушенных скважинах, а также при циркуляции рабочей жидкости в скважинах с пластами большой мощности. При различных видах работ, это позволяет осуществить точную доставку рабочего агента в определенный интервал по глубине скважины.
Колтюбинг обладает и другими технологическими преимуществами, такими, как мобильность, безопасность, расширенные возможности контроля технологических параметров, минимальные погрешности при расчете количества рабочих жидкостей и меньший их потребный объем.
В итоге, совокупность всех вышеперечисленных преимуществ обеспечивает менее значительное негативное воздействие на продуктивный пласт при ремонтных операциях с колтюбингом по сравнению с традиционными технологиями ремонта и, как следствие, большую экономическую эффективность при применении на скважинах с низкими пластовыми давлениями.
Несмотря на разнообразие возможного применения данной технологии, основной вид работ, осуществляемый с помощью колтюбинга, это промывка и освоение скважины после гидравлического разрыва пласта (ГРП). В мировой практике использования колтюбинга эти работы составляют около 70% от общего числа [3], в России данный показатель еще выше. Применяется освоение азотом в основном на скважинах с низкими пластовыми давлениями, где для создания депрессии требуется значительное облегчение столба
15
Преимущественное применение технологии колтюбингового освоения после ГРП обусловлено как экономическими, так и технологическими аспектами обозначенными выше.
В настоящее время подавляющее количество операций ГРП проводится через спущенную в скважину насосно-компрессорную трубу, на низ которой установлено соответствующее оборудование (пакер, воронка, клапана, узлы безопасности и т.д.). После проведения ГРП, НКТ оказывается заполненной песком в той или иной степени, в зависимости от успешности и правильности операции[4,36].
Это обуславливает технологическую необходимость промывки скважины. После промывки необходимо произвести освоение. В данном случае возможен подъем НКТ для ГРП и спуск рабочей компоновки капитального ремонта для промывки и последующего освоения (в случае, если освоение будет также проводиться компрессорным способом). Колтюбинг позволяет очищать и осваивать скважину за одну скважинную операцию через компоновку ГРП, как показано на рисунке 1.2.
Это позволит в значительной степени снизить негативные воздействия на пласт в силу того, что колтюбинг, как уже было отмечено, может работать на
«живой» скважине, а спуско-подъемные операции занимают меньше времени и физический объем спускаемого оборудования значительно меньше. Это особенно важно при освоении пластов после проведения работ по стимуляции притока – соляно-кислотных обработках (СКО) и ГРП. В скважинах после проведения работ по стимуляции индекс продуктивности увеличивается. При создании репрессии в такую скважину уйдет больший объем жидкости глушения так как увеличится и приемистость.
При освоении после ГРП оборудование ГНКТ монтируется на арматуру
ГРП, труба колтюбинга спускается внутрь НКТ, через которую проводился
16
Рисунок 1.2 – Применение колтюбинга после проведения ГРП
В рамках настоящего диссертационного исследования освоение скважин азотом, или, говоря иначе, азотное освоение с помощью колтюбинга необходимо максимально подробно исследовать именно как часть комплекса операций после ГРП. Это связано не только с тем, что данное применение колтюбинга для вызова притока является наиболее распространенным в нашей стране, но и с тем, что этот вид операций включает в себя максимальный спектр технологических задач и нюансов, которые связаны с выносом твердых частиц,
17
Другим видом стимуляции притока, которому также очень часто сопутствует азотное освоение колтюбингом, является соляно-кислотная обработка пласта (СКО). Это опять же связано с тем фактом, что технология колтюбинга позволяет проводить СКО и освоение за одну скважинную операцию без глушения, минимизировав вред, наносимый пласту. Колтюбинг также позволяет проводить СКО максимально эффективно за счет того, что труба может двигаться в процессе проведения операции и обработка пластов большой мощности при этом становится более эффективной, так как гидромониторная насадка колтюбинга, через которую выходит реагент, обрабатывает пласт по всей его мощности.
Важнейшим техническим агрегатом при азотном освоении, помимо колтюбинга, является азотная компрессорная установка (газификатор). Ее основное предназначение, это создание и подача необходимого объема газообразного азота в трубу колтюбинга. Основными параметрами азотной установки являются максимальный расход и давление азота на выходе.
Существует два основных типа компрессоров – установки, преобразующие жидкий азот в газообразный при помощи тепла, и установки
18
Установки мембранного типа не желательны для применения в колтюбинге, так как они не очищают азот до достаточной степени. Азот, полученный с помощью мембранной установки, содержит до 1,9 % кислорода. В итоге, их применение вкупе с колтюбингом ведет к быстрому коррозионному износу дорогостоящей ГНКТ. Также существуют установки, которые позволяют закачивать газы сгорания топлива ДВС [60], но они обладают рядом недостатков – требуют систему очистки, загрязняют внутреннюю полость трубы, обладают ограниченной производительностью.
Установки, преобразующие жидкий азот в газообразный, также делятся на два типа. Первые используют тепло от сжигания топлива. Данные установки имеют очень высокую производительность и используются в основном при строительстве трубопроводов, однако, они небезопасны. Установки второго типа используют тепло внешней среды для газификации жидкого азота. Данные установки безопасны, используют очищенный жидкий азот и являются оптимальными для применения в различных внутрискважинных операциях, в том числе и освоении. Максимальное рабочее давление таких азотных установок может превышать 100 МПа, а расход может быть выше 80 м
3
/мин.
Столь широкие технические характеристики позволяют применять их практически при любых скважинных условиях.
Схема азотной установки, использующей тепло внешней среды, показана на рисунке 1.3.
Жидкий азот из емкости поступает в криогенный насос высокого давления. Плунжеры этого насоса способны прокачивать жидкий азот к теплообменнику высокого давления. В теплообменнике жидкий азот разогревается и обращается в газообразное состояние, преодолевая критическую точку. При фазовом переходе объемный расход азота увеличивается во много раз. Газ под давлением поступает в нагнетательную линию, ведущую к вертлюгу колтюбинга, далее по ГНКТ идет к забою.
19
Рисунок 1.3 – Схема азотной установки, использующей тепло внешней среды
Освоение может проводиться с применением пенных систем, газожидкостной смеси, или облегченной жидкости. В таком случае помимо компрессора в работе также участвует обыкновенная насосная установка, ее задачей является подача обработанной жидкости в нагнетательную линию.
Общая технологическая схема оборудования показана далее на рисунке 1.5.
Выбор оптимальных характеристик закачиваемого флюида, давления и расхода, а также других факторов составляют суть проектирования операции по азотному освоению с помощью колтюбинга. Существующие решения и исследования в данном направлении требуют тщательного обзора и анализа.