Содержание к диссертации
Введение
1. Гидродинамические и термодинамические методы изучения фильтрационных параметров продуктивного пласта 21
1.1. Гидродинамические исследования скважин 21
1.2. Термодинамические исследования скважин 54
1.3. Изучение фильтрационных параметров пласта совместными гидродинамическими и термодинамическими исследованиями скважин ~-— 74
Выводы по главе 1 ' 81
2: Лабораторные исследования термодинамических коэффициентов и математическое моделирование термогидродинамических процессов в призабойной зоне продуктивного пласта и стволе скважины 84
2.1. Постановка задачи формирования полей давления и температуры при неустановившейся фильтрации пластового флюида 84
2.2. Исследование переходных термогидродинамических полей при фильтрации пластового флюида с учетом термодинамических эффектов 92
2.3. Лабораторные исследования термодинамических эффектов 118
2.3.1. Лабораторные исследования адиабатического эффекта 118
2.3.2. Лабораторные исследования баротермического эффекта 122
Выводы по главе 2 128
3. Средства для измерения температуры и давления при термопвдродинамических исследованиях скважин. разработка термостойкой комплексной геофизической аппаратуры 131
3.1. Анализ современных приборов и измерительных преобразователей сопротивления резистивных датчиков для измерения температуры и давления в скважинах 131
3.2. Общие вопросы теории инвариантности применительно к измерительным преобразователям комплекса параметров 154
3.2.1. Основные положения 154
3.2.2. Методы повышения числа измеряемых параметров 156
3.3. Двухпроводные преобразователи сопротивления комплекса
р езистивных датчиков 164
Выводы по главе 3 177
4. Метрологические характеристики преобразователей сопротивления резистивных датчиков комплекса параметров 179
4.1. Методическая погрешность 179
4.2. Погрешность измерительных преобразователей от температурного влияния на каналы преобразования. Методы коррекции температурной погрешности. 194
4.3. Динамическая погрешность преобразователей 202
4.4. Результирующая погрешность измерительных преобразователей комплекса параметров 206
Выводы по главе 4 207
5. Технология термогидродинамических исследований 209
5.1. Методы доставки приборов в изучаемый интервал ствола скважины 209
5.2. Методы возбуждения скважины для реализации термогидродинамических исследований 219
5.3. Методика обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований 22 5
Выводы по главе 5 233
6. Практическое использование результатов разработки техники, технологии термогидродинамических исследований 23 5
6.1. Практическая реализация термостойкой комплексной геофизической аппаратуры 235
6.2. Термогидродинамические исследования в вертикальных скважинах 255
6.3. Термогидродинамические исследования многопластовых эксплуатационных объектов 269
6.4. Термогидродинамические исследования в горизонтальных скважинах. Определение работающих интервалов ствола 278
6.5. Внедрение результатов работы в нефтедобывающей отрасли 287
Выводы по главе 6 292
Заключение 294
Литература
- Термодинамические исследования скважин
- Исследование переходных термогидродинамических полей при фильтрации пластового флюида с учетом термодинамических эффектов
- Общие вопросы теории инвариантности применительно к измерительным преобразователям комплекса параметров
- Динамическая погрешность преобразователей
Введение к работе
" Большинство нефтяных и нефтегазовых месторождений Западной
Сибири находятся на завершающей стадии работки, характеризующейся широким применением вторичных методов повышения нефтеотдачи пластов для поддержания текущих темпов добычи нефти. Ввод в разработку большего числа месторождений с трудно извлекаемыми запасами, которые до настоящего времени разрабатывать было не рентабельно, также обуславливает применение новых технологий и методов увеличения нефтеотдачи. В частности, реализуются принципиально новые системы разработки месторождений с применением горизонтальных, разветвленно-горизонтальных скважин, стволы которых проведены в пластах с настолько высокой вертикальной анизотропией, что их необходимо рассматривать в качестве самостоятельных объектов разработки (как многобайтовые объекты). В условиях сложного строения пласта с существенно неоднородными- фильтрационными- свойствами- особую- роль- приобретают геофизические и гидродинамические методы контроля разработки нефтяных и нефтегазовых месторождений.
При геофизических исследованиях вертикальных скважин в
промысловой практике широкое применение находят термодинамические
методы исследования (термометрия). Но для решения задач в пологих и горизонтальных скважинах прямой перенос этих методов исследований невозможен.
При гидродинамических исследованиях пологих и горизонтальных скважин важной задачей является определение работающих интервалов ствола скважины. Традиционные подходы здесь мало эффективны, поэтому эта задача является актуальной в проблеме контроля эксплуатации ф горизонтальных скважин, а также пологих скважин при совместной разработке пластов. Эта проблема приобретает особую актуальность применительно к анализу разработки низкопроницаемых, анизотропных
коллекторов, поскольку оценить область пласта, охваченного выработкой, без знания фактического интервала притока невозможно. Без ответа на вопрос определения работающей длины ствола невозможно решить задачу оптимизации профиля и длины ГС в конкретных геологических условиях.
В нефтепромысловой практике пока широко применяются лишь наиболее простые модификации гидродинамических методов, дающие информацию о фильтрационных параметрах в окрестности вертикальных или горизонтальных скважин, проведенных в условиях изотропного пласта с цементируемым хвостовиком, приток в ствол которых хорошо диагностируется методами термометрии и интервалы притока, как правило, приурочены к интервалам перфорации. В настоящее время не разработаны методы гидродинамических исследований, направленные на изучение фильтрационных параметров неоднородных пластов по протяженности ствола скважины. Причем упомянутые простейшие исследования проводятся, главным образом, на объектах с температурами до 125С и давлениями до 30 - 60 МПа. На месторождениях, где пластовая температура достигает 200 -300С (пласты Баженовских отложений Западной Сибири, Малгобекское (Чечня, Ингушетия), Сангачалы и Кюрсянгя (Азербайджан) и другие, где температура доходит до 150—200С, а давление до 700—800 ат (Малгобек), практически не проводятся даже простейшие исследования.
Такое положение сложилось из-за хронического отставания уровня техники исследований от достижений теории и от возрастающих требований практики разработки нефтяных месторождений в России. Это отставание существенно отражается на эффективности осуществляемых систем разработки. По той же причине представляется весьма затруднительным обеспечивать оптимальное регулирование систем разработки эксплуатируемых объектов для достижения планового уровня добычи нефти, повышения коэффициента нефтеотдачи пластов и снижения затрат на разработку.
Таким образом, в области гидродинамических исследований
пристальное внимание должно уделяться технике для этих исследований и главным образом повышению точности применяемых приборов, созданию аппаратуры для условий высоких температур и давлений. Этот вывод отмечается, начиная с 60-х годов прошлого века, но существенных сдвигов до настоящего времени не произошло.
Это, конечно, не означает, что все дальнейшее развитие гидродинамических исследований упирается в технику. В теории исследований также много нерешенных проблем. Сделаны первые шаги в создании теории и методики исследования горизонтальных и многозабойных скважин, много нерешенных задач в области использования гидродинамических методов для изучения неоднородностей пластов, а также для контроля выработки пластов по площади и по разрезу.
Известные методы барометрии не позволяют обеспечить надежность и достоверность получаемой информации о фильтрационных параметрах в низкопроницаемых, сложно построенных коллекторах со значительным изменением фильтрационных свойств как по вертикали, так и по простиранию. Современная термометрия также не позволяет однозначно решить обозначенные проблемы, поскольку существующая теория обуславливает связь термодинамических полей со стационарными полями давления, решения для которых получены для случаев установившейся фильтрации однофазного (двухфазного) пластового флюида к точечному стоку.
В связи с этим актуальной задачей является разработка методических
основ обработки, интерпретации и технологии термогидродинамических
исследований скважин на основе новых диагностических признаков,
характеризующих термодинамические эффекты, проявляющиеся в скважине
при неустановившихся режимах работы (дроссельный эффект, эффект
адиабатического расширения и сжатия, калориметрический эффект), а также
геофизических приборов для реализации промысловых
термогидродинамических исследований в условиях высоких пластовых
температур.
Целью работы является разработка аппаратурно-методического комплекса для термогидродинамических исследований (включающего теоретическое обоснование, математическое моделирование, лабораторные исследования, разработку технологии промысловых исследований и средств измерения комплекса параметров, методику обработки и интерпретации) анизотропного пласта, дренируемого горизонтальными и пологими скважинами при совместной разработке пластов для обеспечения контроля разработки, построения и информационного обеспечения постоянно-действующих геолого-гидродинамических моделей.
В соответствии с поставленной целью при выполнении диссертационной работы решались следующие основные задачи:
Выявление основных закономерностей проявления термодинамических эффектов на границе системы пласт-скважина_методами математического моделирования полей температуры и давления в окрестности горизонтальной скважины при нестационарной, неизотермической фильтрации пластового флюида.
Лабораторные исследования термодинамических эффектов (адиабатического расширения и сжатия, дроссельного (баротермического)) для пластовых жидкостей, характерных для месторождений Западной Сибири. Изучение закономерности изменения адиабатического эффекта от термобарических условий залегания пласта.
Разработка методики обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований скважин.
Проведение анализа известных технологий исследования пологих и горизонтальных скважин, методов доставки средств измерения в горизонтальные скважины, методов обработки термо- и гидродинамических исследований скважин для определения фильтрационных параметров продуктивного пласта и определения продуцирующих интервалов, а также анализа известных средств измерения и преобразователей сопротивления
резистивных датчиков с точки зрения комплексирования преобразуемых ^ параметров и достижения инвариантности к влиянию параметров линии связи как для скважинных температурных условий до 120С, так и для высокотемпературной среды (свыше 200С).
5. Разработка технологии исследования горизонтальных и пологих
скважин, включающей доставку и размещение комплексных приборов в
изучаемом интервале ствола скважины, обоснование метрологических
характеристик используемых приборов, обоснование способа вызова притока
исследуемой скважины на основе результатов моделирования
нестационарных полей температуры и давления.
<| 6. Разработка термостойких преобразователей сопротивления
резистивных датчиков комплекса параметров с использованием двухпроводной линии связи, основанных на новом методе повышения информативности преобразователей, использующем многофункциональность некоторых резистивных датчиков.
7. Исследование метрологических характеристик двухпроводных преобразователей резистивных датчиков комплекса параметров и разработка способа алгоритмической коррекции температурной погрешности результатов преобразования.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе диссертации выполнен анализ современного состояния гидродинамических исследований скважин, исследований методом термометрии, а также решения задач неизотермической фильтрации пластового флюида с учетом взаимосвязи теплового и гидродинамического полей на основе обзора известных технологий и методик обработки результатов при неизотермической фильтрации пластовых флюидов.
Для получения достоверной информации о фильтрационных параметрах при обработке КВД горизонтальной скважины необходимо использовать эффективную длину горизонтального ствола, которую многими
исследователями предлагается определять методами термометрии. Отмечается, что теория тепло- и массопереноса применительно к задачам скважинной термометрии для неизотермической фильтрации пластовых флюидов разработана достаточно хорошо, однако для нестационарных полей температуры и давления в окрестности пологих и горизонтальных скважин прямой перенос известных решений невозможен.
В задачах скважинной термометрии на формирование температурного поля основное влияние оказывают процессы дросселирования, расширения (сжатия), разгазирования, кристаллизации, смешивания потоков, кондуктивный и конвективный теплоперенос. Представление о роли указанных факторов в механизме тепло- и массопереноса неизотермической фильтрации дается в обзоре экспериментальных и теоретических работ, а также экспериментальных данных, полученных при участии автора. Приводится краткий анализ известных работ по определению коэффициента Джоуля-Томсона, адиабатического коэффициента для жидкостей и газов (среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона для нефти составляет « 0,4 К/МПа, для метана при 293 К » 4 К/МПа. Значения адиабатического коэффициента для воды » 0,02 К/МПа, для нефти « 0,04 К/МПа).
Определен круг решаемых задач термо- гидродинамическими исследованиями скважин и обоснована объективная необходимость развития этого вида исследований.
Во второй главе диссертации описана математическая модель динамического поля давления с учетом силы тяжести и температуры с учетом Джоуля-Томсона, адиабатического эффекта для анизотропного пласта, вскрытого горизонтальной скважиной. Приведены решения распределения полей давления и температуры в окрестности горизонтальной скважины при нестационарных режимах работы (пуске-остановке). Для приведения прямой задачи распределения температурного поля и поля давления в пласте при нестационарном режиме фильтрации к конечному виду - параметрам температуры и давления в точке регистрации прибором в
стволе скважины, полученное численное решение дополнено модельным описанием термобарических процессов в стволе скважины. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований термогидродинамических полей в системе «горизонтальная скважина -пласт» для случаев размещения прибора в неработающем и продуцирующем интервале ствола скважины. По результатам моделирования термогидродинамических процессов в стволе скважины выделены термодинамические эффекты, оказывающие влияние на формирование температурного поля в скважине, и определены термодинамические признаки, диагностирующие наличие или отсутствие притока жидкости из пласта в скважину.
Проведен анализ результатов моделирования влияния характера изменения давления в скважине на тепловое поле адиабатического эффекта.
Представлены результаты лабораторных определений коэффициентов адиабатического расширения и расчетные значения коэффициентов Джоуля-Томсона для пластовых жидкостей ряда месторождений Среднего Приобья. Для определения адиабатического коэффициента разработана и изготовлена экспериментальная лабораторная установка. Для лабораторного определения коэффициента Джоуля-Томсона доработана установка FDTES в части оснащения кернодержателя дифференциальными датчиками температуры. Расчетные значения коэффициента Джоуля-Томсона получены на основе значительного статистического материала результатов лабораторных исследований пластовых флюидов месторождений Сургутского свода, позволившие получить эмпирические зависимости термодинамических параметров от компонентного состава.
Определены требования к режимам изменения забойного давления для реализации методики определения работающих интервалов в стволе горизонтальной скважины на основе анализа термодинамических эффектов. Результаты опытных работ на скважинах позволили сделать вывод о том, что достижение поставленной цели обусловлено обязательным отсечением
продуктивного интервала ствола скважины пакером с вызовом притока струйными насосами.
Определены требования, предъявляемые к преобразователям комплекса глубинных параметров со стороны особенностей изучаемого нестационарного поля температур и поля давления в окрестности горизонтальной скважины при изменении пластовых температур в широком диапазоне (до 300 С).
В третьей главе диссертации приведен обзор и анализ выпускаемых отечественными и зарубежными компаниями приборов для измерения комплекса параметров (температуры и давления) в скважине. Сделан вывод о том, что известные геофизические приборы и измерительные преобразователи не удовлетворяют всему комплексу предъявляемых требований и на их базе невозможно создание термостойкой геофизической аппаратуры для измерения комплекса параметров. Известные измерительные преобразователи обеспечивают инвариантность, в основном, к активному сопротивлению проводов линии связи и не могут эффективно использоваться для измерения комплекса параметров в высокотемпературной скважине, поскольку комплексирование на их основе сопряжено либо с наращиванием количества проводов линии связи, либо с увеличением времени преобразования. В результате этого увеличивается время пребывания скважинного снаряда и линии связи в условиях высоких температур, что не допустимо. Обосновано направление повышения числа комплексируемых параметров.
На основе принципа многоканальности рассмотрены: новый класс дистанционных термостойких ПСРД с конденсатором, дросселем и полупроводниковыми нелинейными элементами с односторонней проводимостью в качестве ключевых элементов; новый способ преобразования комплекса параметров в скважине, используя физический свойства (многофункциональность) некоторых резистивных датчиков; алгоритмы преобразования для построения термостойких двухпроводных
ПСРД комплекса параметров.
Суть использованных методов преобразования состоит в подаче на датчик (цепь датчиков при комплексировании), с подключенным к нему ключевых элементов (полупроводниковых, электрических реактивных), скачка тока, проведении промежуточных измерений отклика (напряжения) на входе ЛС в процессе изменения энергетического состояния электрических реактивных ключевых элементов и вычисления сопротивления датчика (каждого из датчиков) по результатам промежуточных измерений. Это позволило построить термостойкие двухпроводные ПСРД с небольшим числом промежуточных измерений на входе ЛС, обеспечивающих инвариантность ко всем основным неинформативным параметрам ЛС и незначительное взаимное влияние каналов преобразования для ПСРД комплекса параметров.
Суть способа преобразования комплекса параметров в скважине заключается в использовании функциональной зависимости сопротивления датчика от нескольких скважинных параметров, в частности, функциональной зависимости сопротивления плеч интегрального мостового тензорезисторного датчика давления от давления и температуры, датчика термоанемометра - от скорости движения омывающей его жидкости и температуры и т.п. Это позволило построить двухпроводные ПСРД комплекса параметров, не увеличивая числа проводов ЛС и общего времени преобразования.
Получены аналитические описания двух- и многопроводных ПСРД, представляющие функциональную зависимость между входными и выходными параметрами КП, а также функциональная зависимость числа КП ПСРД комплекса параметров от динамической погрешности преобразования.
На основе алгоритмов определены структуры двух- и многопроводных ПСРД комплекса параметров с учётом технической реализуемости.
Четвертая глава диссертации посвящена анализу и исследованию метрологических характеристик ПСРД комплекса параметров.
Определены методические погрешности разработанных структур двухпроводных ПСРД комплекса параметров. Для преобразователей, включающих диоды в ГЧ, погрешность определяется, в основном, изменениями сопротивления постоянному току, обратного тока в функции температуры (мультипликативная составляющая погрешности) и для наихудшего случая достигает величины 1,2 %. Для ПСРД, включающих дроссели в ГЧ, погрешность преобразования определяется током намагничивания сердечника, изменением сопротивления обмотки дросселя, находящегося в насыщенном состоянии, а также конечностью полного сопротивления дросселя, находящегося в стадии намагничивания (мультипликативные составляющие погрешности) и для наихудшего случая не превышает величины 0,3 %. Для большинства ПСРД методическая погрешность, определяемая сопротивлением утечки ЛС, не превышает 0,1 %. —Для повышения точности ПСРД определены алгоритмы математической коррекции температурной погрешности.
Исследованы динамические погрешности всех предложенных преобразователей, которые определяются, в основном, инерционностью датчиков, количеством канатов преобразования, временем такта преобразования, скоростью движения ГЧ и может быть задана в пределах до 0,5 % при максимальной скорости движения ГЧ.
В пятой главе диссертации на основе сформулированных требований к технологии термогидродинамических исследований проведен обзор и анализ способов доставки приборов в горизонтальную часть ствола скважины, методы возбуждения скважины. Показана необходимость разработки новой технологии промысловых термогидродинамических исследований скважин. Рассмотрены термодинамические эффекты (адиабатический, дроссельный и калориметрический), проявляющиеся в пласте и в стволе скважины. Установлено, что регистрация параметров в дальней части горизонтального участка (зумпфе) является обязательным условием для реализации технологии термогидродинамических
исследований скважины, проводимых с целью определения работающих -j интервалов скважины. Изложена методика обработки результатов термогидродинамических исследований горизонтальных и пологих скважин при совместной эксплуатации пластов с использованием многодатчиковой технологии.
Приведен пример обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований реальной скважины.
В шестой главе диссертации приведены результаты практической
реализации термостойкой комплексной аппаратуры ТЕСТ-4, результаты
скважинных испытаний, а также результаты промысловых
щ термогидродинамических исследований в вертикальных (разведочных),
горизонтальных и пологих скважинах, вскрывших многопластовые объекты.
В заключении изложены основные выводы и рекомендации по практическому использованию результатов выполненных исследований.
В приложении приведены материалы, подтверждающие внедрение, материалы по экономической" эффективности измерительных преобразователей комплекса параметров ТЕСТ-4 и многодатчиковой технологии термогидродинамических исследований горизонтальных скважин «гирляндой» приборов.
Базовой основой диссертации являются 56 печатные работы, в том числе 11 авторских свидетельств на изобретения и патентов РФ. Кроме того, материалы диссертации изложены в научных отчетах, переданных с 1985 по 1987 гг. в фонды УНИ, ВНИИГИС, с 1989 по 2004 гг. в фонды ОАО "Сургутнефтегаз", а также в территориальные фонды Ханты-Мансийского комитета природных ресурсов.
На защиту выносится совокупность теоретических и экспериментальных разработок, методических, технических и Щ1 технологических решений, рекомендаций, обеспечивающих реализацию технологии термогидродинамических исследований скважин, а именно:
1. Результаты лабораторных исследований термодинамических
коэффициентов — Джоуля-Томсона, адиабатического сжатия (расширения).
Технология проведения промысловых термогидродинамических исследований горизонтальных скважин и скважин, эксплуатирующих многопластовые объекты.
Способ одновременного измерения двух параметров скважины (температуры и давления), используя интегральный мостовой (полумостовой) тензорезисторный датчик давления, по двух проводной линии связи.
Разработка и исследование двухпроводной термостойкой геофизической аппаратуры для регистрации комплекса параметров.
Исследование метрологических характеристик двухпроводной комплексной геофизической аппаратуры; способ компенсации температурной погрешности преобразования комплекса скважинных параметров. *—-
Методика обработки и интерпретации результатов термогидродинамических исследований скважин.
Разработка и внедрение комплексных геофизических приборов ТЕСТ-4, ТЕСТ-6.
Основное содержание и результаты работы докладывались и
обсуждались на конференции «Актуальные проблемы нефти и газа» (Уфа,
1984); всесоюзной конференции «Комплексная автоматизация и создание
АСУТП в бурении, добыче, транспорте нефти и газа» (Москва, 1985);
Поволжской студенческой научно-технической конференции
«Радиоэлектроника в народном хозяйстве» (Пенза, 1986); республиканской научно-технической конференции «Вузовская наука - научно-техническому прогрессу» (Уфа, 1986); международном симпозиуме «Метрология геофизических исследований» (Уфа, 2000); IV Международной конференции по горизонтальному бурению (Ижевск, 2001); научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки», посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко
(Тюмень, 2002); четвертой международной научно-практической конференции «Освоение ресурсов трудно извлекаемых и высоковязких нефтей» (Анапа, 2003); международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», посвященной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (Тюмень, 2003); форуме исследователей скважин «Современные гидродинамические исследования скважин» (Москва, АНХ при Правительстве РФ, 2003); научно-практической конференции «Геофизические и нефтепромысловые методы исследования скважин в комплексе с сейсморазведкой для построения и сопровождения геологических моделей залежей нефти и газа» (Москва, ЦГЭ, 2004); Российско-европейском семинаре «Разработка нефтяных месторождений на поздней стадии эксплуатации» (Тюмень, 2004); 3-ей научно-практической конференции «Комплексная автоматизация диагностики и гидродинамических исследований скважин: теория, практика и перспективы» (Томск, 2004); 3-ем научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (Уфа, 2004):
На основе выполненных исследований развита теория взаимосвязи нестационарных полей температуры и давления в окрестности пологих и горизонтальных скважин с учетом термодинамических эффектов при неизотермической фильтрации пластовых флюидов. Созданы научные основы для практического применения особенностей нестационарных температурных полей при обработке и интерпретации результатов термогидродинамических исследований пологих и горизонтальных скважин в задачах контроля разработки нефтяных и нефтегазовых месторождений с анизотропными, низкопроницаемыми коллекторами. Созданы научные основы для проектирования термостойкой комплексной геофизической аппаратуры. Результаты исследований полностью обеспечивают практическую реализацию термогидродинамических исследований пологих и горизонтальных скважин, поскольку охватывают технику, технологию и методику обработки и интерпретации. Результаты исследований
способствуют повышению достоверности определения фильтрационных параметров продуктивных коллекторов и могут быть использованы как для проектирования разработки, так и для поддержания постоянно действующих геолого-технологических фильтрационных моделей. Результаты работы использованы при подсчете запасов Мутновского парогидротермального месторождения (Камчатка), а также при анализе разработки Конитлорского, Тончинского, Быстринского, Федоровского и др. месторождений Западной Сибири.
Работа выполнена в Сургутском научно-исследовательском и проектном институте нефтяной промышленности «СургутНИПИнефть» ОАО «Сургутнефтегаз»
Автор выражает глубокую признательность [д.т.н., проф. Коловертнову
Ю.Д.1 за консультации в области разработки термостойкой геофизической
аппаратуры, д.т.н., проф. Валиуллину Р.А. за консультации в области контроля разработки нефтяных месторождений термическими методами, д. ф.-м. н. Шарафутдинову Р.Ф. за консультации в области теории тепло- и массопереноса, а также к.т.н. Рамазанову А.Ш., к.т.н. Лушпеевой О.А., к.т.н. Мешкову В.М. за полезные обсуждения работы.
Автор благодарен специалистам ОАО «Сургутнефтегаз» за содействие во внедрении разработок на предприятии.
Термодинамические исследования скважин
Изменение температуры на забое скважин отражает распределение давления вдоль пути фильтрации жидкости к скважинам, или фактическое распределение давления по пласту. Это свойство дроссельного эффекта впервые было установлено Б.Б. Лапуком [139, 140] и впоследствии изучалось путем аналитических и экспериментально-промысловых исследований Э.Б. Чекалюком [266, 267, 268], который установил взаимосвязь гидро- и термодинамических процессов. Подобная взаимосвязь открыла новые возможности в области использования термометрических исследований нефтяных и нефтегазовых залежей для определения, фильтрационных параметров пластов; проницаемости, гидропроводности, пьезопроводности, эффективного радиуса скважины (состояния призабойной зоны), критической точки выкристаллизовывания_парафина в пласте и стволе скважины и др. Э.Б. Чекалюк впервые установил взаимосвязь между изменением пластовых, температур - и- давлений - во времени- и в- пространстве при стационарном режиме работы скважины, а также дал уравнение тепловых потоков в пористой среде с учетом дроссельного эффекта и теплообмена между компонентами пористой среды [266]. Впоследствии Э.Б. Чекалюк получил полное дифференциальное уравнение энергии для потока упругой жидкости в пласте [268]: —div(gradT) = -— + u(gradT+ є gradp)- тр т] , (1.54) c„ ot cn dt где u = —-D - характеризует скорость конвективного переноса тепла в пористой среде, которое легло в основу изучения тепловых явлений, связанных с подземным течением жидкостей и газов. Полученное уравнение сохранения энергии потока упругой жидкости в пластовых условиях в системе с уравнением сохранения массы и уравнением состояния вещества помогает выяснить ряд существенных явлений в области взаимосвязи между гидродинамическим и термодинамическим состоянием залежей нефти и газа, что очень важно для повышения эффективности разведки и разработки месторождений.
Большую ценность представляют теоретические работы И.А. Чарного [262], Э.Б. Чекалюка [268], Л.И. Рубинштейна [206] и других исследователей, обосновывающие возможность мгновенного выравнивания температур скелета пласта и его содержимого. Полезны для практики также исследования А.Ю. Намиота и Ю.П. Коротаева о теплоотдаче нефти при подъеме ее в скважине [163, 164] и об изменении температуры по стволу нефтяной или газовой скважины [136, 165].
Важные результаты, касающиеся использования результатов изучения термодинамических процессов, происходящих в скважине и в пористой среде коллектора, для разработки и эксплуатации месторождения изложены в работах Н.Н. Непримерова, М.А. Пудовкина, А.И. Маркова, Щ.Ф. Мехтиева, А.Х. Мирзаджанзаде, К,А. Оганова, А.И. Филиппова, Н.М. Фролова и др. [154; 170, 171,175, 195, 250, 252].
В монографии К.А. Оганова изложены теоретические представления о процессах, происходящих в пористой среде при нагнетании в пласт теплоносителей, нагревании пласта очагом горения и переносе горячей зоны в пласте холодной: водой. В этой работе приводится анализ результатов лабораторных и промысловых исследований распространения тепловой волны в залежи.
Многочисленные факты свидетельствуют о больших возможностях использования метода термометрии нефтяных и газовых скважин и пластов для обоснования рациональной системы разработки и эксплуатации нефтяных и газовых залежей, для решения ряда задач, связанных с отношением параметров фильтрации жидкости и газа в нефтяной среде (при установившихся и неустановившихся режимах).
Известно, что важнейшие параметры пласта (проницаемость, гидропроводность и др.), необходимые для составления и анализа проекта разработки, с достаточной для практики точностью определяются почти на каждом нефтяном промысле по кривым восстановления давления.
Задача определения параметров пласта при нестационарной фильтрации газированной жидкости долгое время не была решена из-за гидродинамической сложности ее и математической трудности, несмотря на разнообразие предложенных методов анализа: кривых восстановления давления. А.А. Боксерманом, Ф.Я. Зазовским, С.Г. Каменецким было предложено решить эту задачу по кривым восстановления давления при помощи уравнения теплопроводности [53]. Но и эти попытки не учитывали многих сторон сложного процесса движения газированной жидкости в условиях нестационарного режима фильтрации.
Знание законов взаимосвязи между полями давлений и температур в пласте открывает новые перспективы в изучении нефтегазовых залежей и теплового поля Земли [268], а также способов воздействия на-нласт. Поэтому вопросы исследования скважин и пластов методами теплопередачи имеют большое-практическое значение:
Ввиду перспективности и важности новых методов исследования скважин и пластов с использованием термодинамических признаков этот вопрос является одним из основных в данной работе. Помимо изучения процессов адиабатического, дросселирования и теплопередачи в реальной пластовой обстановке (в промысловых условиях), представляет значительный научный и практический интерес тщательное и глубокое исследование этих процессов в лабораторных условиях.
Недостаточно изучена также теплоемкость различных пластовых нефтегазовых систем. Правда, некоторые сведения о порядке величин энтальпии, энтропии и теплоемкости различных пластовых нефтегазовых систем можно получить из работ [139, 140, 154, 268], но они в основном относятся к условиям американских месторождений нефти и газа.
Исследование переходных термогидродинамических полей при фильтрации пластового флюида с учетом термодинамических эффектов
На рис.2.4 приведены зависимости дебита при различных проницаемостях пласта. С уменьшением проницаемости дебит скважины падает и увеличивается время выхода на стационарный случай притока жидкости из пласта.
Влияние анизотропии проницаемости пласта в горизонтальном и вертикальном направлениях иллюстрируется результатами на рис.2.5. Анизотропия проницаемости приводит к снижению дебита скважины.
В формировании поля давления в пласте с горизонтальной скважиной можно выделить три этапа: на первом - происходит вовлечение в движение области прилегающей к горизонтальному стволу скважины во всех направлениях — это первый радиальный приток. Этот случай иллюстрируется данными рис,2.6.
На втором этапе наблюдается вовлечение в работу более отдаленных участков пласта преимущественно в горизонтальном направлении - это период плоскопараллельной фильтрации (рис. 2.7).
На третьем этапе наблюдается вовлечение в движение всей области пласта - второй радиальной приток (рис. 2.8).
Распределение давления и температуры за счет влияния адиабатического и Джоуля-Томсона эффектов после пуска горизонтальной скважины в работу при асимметричном ее расположении приведен на рис.2.9 и 2.10.
Из рис. 2.11 видно, что при пуске горизонтальной скважины в работу образуется вытянутая вдоль ГС воронка депрессии, наблюдаются повышенные градиенты давления на концах горизонтальной скважины.
Повышенные градиенты давления на концах горизонтальной скважины приводят к неравномерному полю скоростей вдоль ствола горизонтальной скважины, а именно на забое скважины наблюдается повышение скорости движения флюида. Нестационарное распределение температуры в пласте создаваемое эффектом Джоуля-Томсона и адиабатическим эффектом после пуска горизонтальной скважины в работу приведено на рис.2.10.
Влияние анизотропии проницаемости призабойной зоны
Учет анизотропии осуществляется путем задания в изотропном пласте (проницаемостью 0.2 мкм2) призабойной зоны с проницаемостью 0.02 мкм2.
На графиках распределения депрессии (рис. 2.11) и дебита (рис. 2.12) видна характерная воронка притока флюида к ГС. Но учитывая, что симметрично относительно середины скважины расположен участок с ухудшенной проницаемостью 0.02 мкм2, то это сказалось на абсолютных значениях дебитов скважины. При этом характер поведения дебита по длине ствола горизонтальной скважины с течением времени не меняется. В тех участках где проницаемость не ухудшена проявляется формирование воронки депрессии, тогда как в дебит от в участках с ухудшенной проницаемостью меняется слабо.
Для сравнительной оценки полученных выводов можно воспользоваться аналитическими зависимостями предложенными разными авторами. Остановимся на оценке с использованием формулы Ю.П. Борисова:
Суммарный дебит ГС длиной 10м при перепаде давления 18 атм. и проницаемости 0.2 мкм2 (отсутствие загрязненной зоны) равен
При загрязненной призабойной зоне проницаемость равна 0.02 мкм2, причем геометрически зона проницаемости расположена симметрично относительно середины ствола горизонтальной скважины. Тогда суммарный дебите =3,9-1074 л 7с.
Таким образом, понижение дебита из-за наличия загрязненной призабойной зоны приведет к уменьшению суммарного дебита на 1,5-10 4л 7с (28%).
На рис. 2,12 представлен график распределения дебита по стволу горизонтальной скважины: Чтобы получить суммарный дебит FC, необходимо просуммировать дебиты по всем элементарным участкам ГС. Тогда суммарный дебит ГС по расчетной модели равен 1:2-10-4 мъ/сек. Разница значений полученных по аналитическим зависимостям составляет величину 4,2-10 4 м-/с. (77 %)по сравнению с дебитом_В-Изотропном_пласте._ При наличии загрязненной зоны в изотропном пласте отличия в дебитах составляет AQ = 3,9 -1,2 = 2,7. 10"4 мъ/с (69 %).
Разница между аналитической зависимостью и расчетным значением дебитов связана, прежде всего, с тем приближением, которое положено в основу модели Ю.П.Борисова.
В работах Л.Е. Кнеллера был исследован характер поведения аналитических зависимостей дебита от различных параметров и был-сделан вывод, что предложенные методики являются приближенными и в некоторых случаях они различаются даже на порядок друг от друга, поэтому для расчетов дебита ГС необходимо пользоваться наиболее общими принципами, которые основаны на использовании обобщенного закона фильтрации (закона Дарси). В нашем случае дебиты ГС рассчитываются с использованием фильтрационных моделей.
Общие вопросы теории инвариантности применительно к измерительным преобразователям комплекса параметров
В основе инвариантных методов лежит принцип многоканально сти, сформулированный впервые академиком Б.Н.Петровым [182]. Согласно принципу многоканальности необходимым (но не достаточным) признаком реализации абсолютно инвариантных систем является наличие в схеме по меньшей мере двух каналов передачи возмущающего воздействия между точкой его приложения и точкой, относительно которой достигается инвари антность. Данный признак становится достаточным, если его дополнить условиями физической и технической реализуемости проектируемой инвариантной системы [37]. Под физической реализуемостью понимается меньшее число нулей, чем полюсов у передаточной функции каждого из устройств, входящих-в-систему; а подтехнической реализуемостью - достижение необходимого запаса устойчивости проектируемой системы [37]. Особенностью измерительных преобразователей является то, что в большинстве случаев они как. по отношению к измеряемой величине, так и к возмущающим возії). действиям обладают незначительной инерционностью, что позволяет вместо дифференциальных уравнений, связывающих измеряемую координату, возмущения и параметры измерительного преобразователя, использовать алгебраические уравнения [182].
В общем случае для нелинейного измерительного преобразователя, в частности, преобразователя сопротивления резистивного датчика, на который действует п возмущений і\,Ґ2...Л необходимо организоватьп+1 каналов передачи измерительной информации и возмущений [182]. Совокупность Щ: этих каналов будет описываться следующей системой уравнений: yi=F\x fi fi— fX Уг=РЫ»&ГЛ (3.1): Уп+і=-Гя+і\х Л Іг J п) где уь,.., yn+i - выходные величины; х - преобразуемая величина; Л Л.-./„ " возмущающие величины (помехи).
Условием существования решения системы (3.1) является неравенство нулю функционального определителя (Якобиана): sfofi.A Л)
Последнее неравенство, являющееся критерием инвариантности для синтеза измерительного преобразователя, говорит о необходимости наличия ассиметрии по преобразуемой величине или возмущениям в каналах [182].
Если неравенство (3.2) выполняется, то система (3.1) имеет единственное решение (УРЛІ-.Л+І). (3.3) Для преобразователя сопротивления m резистивных датчиков, на который действует п возмущений fi, f2,...,fn совокупность каналов передачи измерительной информации и возмущений будет описываться системой уравнений Уі = i\X\ Xl " XmtJltJ2 " J«} Уг — l\X\iX2, " Xm J\ J! Jub ( ? д\ Ув+\ = n+l\Xl X2 " XmjJl j2 " JnJ Уп+т " "я+ін\Х1 Х2 " ХЯ! 1 І2 " Jnl где xi,x2,..,xm - преобразуемые величины.
Условием существования решения системы (3.4), аналогично преобразователю одного параметра, является неравенство нулю её функционального определителя [153] ф_ У\Уі Уі Уп -1 " Уп+т) . Q Г 1 С\ \ХИ Х1»" Хт » J I і 2 J я )
Если последнее неравенство выполняется, то система (3.4) имеет реше ниє относительно каждого преобразуемого параметра [153] Х2 =9г{) 1 У2 » У.+1 -Ущ+1Л (3-6)
Сравнивая полученные решения для преобразователя одного параметра (3.3) и комплекса m параметров (3.6) можно заключить, что в последнем случае для обеспечения.инвариантности к п возмущениям необходимо формирование каналов передачи измерительной информации и возмущений на т-1 раз меньше, чем для преобразователя одного параметра.
Таким образом, с позиции теории инвариантности (принципа многоканальное) комплексность преобразуемых параметров является предпочтительной.
В качестве каналов инвариантного преобразователя могут использоваться не только два или несколько пространственных или временных кана-лов, но также и несколько различных физических характеристик одного и того же датчика. В тех случаях,.когда_каналыпреобразования совмещены в одном и том же датчике, практически достигаемая точность преобразования может быть существенно выше за счет устранения погрешности от неидентичности комплекса датчиков, когда их идентичность необходима для достижения инвариантности. Примером этого может служить многофункциональность резистивных датчиков.
Динамическая погрешность преобразователей
Погрешность преобразования, обусловленная неадекватностью модели КП, определяется выражениями: ( \ ( \ A=(JJdl + Udl) ._1 А=( ,-щ z"1 1ГР=Г, = -100,%.. (4.3) \ 2ъ J
Кроме того, указанные погрешности зависят от температуры, поскольку сопротивление жил кабеля RjKt и сопротивление утечки Ry изменяются от температуры [82, 83]: = ,(1 +«(Г,-20));. (4.4) 1 (4.5) где R20- сопротивление жилы на земной поверхности при температуре 20 С; а - ТКС материала жил; = Т0-Т„ _Т0-ГСРН t ср 2 2 Тн - температура на глубине Н, С; Гср - среднее значение градиента теплового поля Земли в изучаемом районе и скважине, С/м; Т0 - температура в скважине вблизи поверхности земли; руо - удельное сопротивление материала изоляции при температуре То; р - ТКС материала изоляции; D - диаметр токопроводящей жилы по изоляции, мм; d - диаметр жилы, мм.
Влиянием распределённой ёмкости и индуктивности кабеля можно пренебречь, поскольку измерение напряжения производится при установившихся переходных процессах в кабеле.
Для расчёта погрешностей выбран одножильный кабель типа КОБДФМ-2 [82], который имеет следующие параметры: материал жилы -медная проволока; а =4,3 10"3 1/С; материал изоляции - фторопласт 40 Ш; В = 0,3; D == 3,64 мм; d -2,24 мм; сопротивление жилы 34 Ом/км при 20 С; /V0= 500 МОм/км при 20 С. Расчёт погрешности проведён на ЭВМ. Графики зависимости погрешностей (4.3) от изменения температуры среды, а, следовательно, параметров ЛС - на рис. 4.1, рис. 4.2.
Аналогично определены погрешности преобразования ПСРД, структурные схемы которых приведены на рис, 3.8 и рис. ЗЛО.
Графики зависимости относительной погрешности от изменения температуры приведены нарис. 4.3, рис. 4.4.
Анализ погрешностей, вызванных неадекватностью аналитической модели КП и температурным изменением параметров ЛС позволяет сделать вывод о том, что при высоком значении сопротивления датчика (более 1 кОм) необходимо учитывать все неинформативные параметры ЛС и моделировать дополнительные КП (аналогично ПСРД на рис, 3.10) для уменьшения, указанной-погрешности. Однако это приводит к увеличению времени цикла преобразования и к увеличению погрешности, связанной с изменением параметров ЛС в течение одного полного цикла преобразования. Погрешность, обусловленная изменением параметров линии связи в течение цикла преобразования
Для оценки изменения параметров ЛС рассмотрен спуск каротажного кабеля в скважину, где температура изменяется по линейному закону по стволу скважины. Пусть на устье скважины температура равна 0 С. Глубинный снаряд спускается в скважину со скоростью V = 3600 м/с. Температура в скважине на глубине 3000 м равна 300 С. Для определённости приведён анализ для двухпроводного ПСРД двух параметров, представленного на рис. 3.8. где Tj - температура в исследуемой среде в момент получения информации первого такта преобразования. Через время Att (длительность такта преобразования) получают результат второго КП иг А 2,(/,) + 1+ад +тт(т2)+Ет+ 1 + -П2 ЗД) (4.9) Соответственно через время At2 и At3 получают результаты третьего и четвёртого КП t/;=-/ z,(r,)+ i+ z,(T,)J + -/( (7.) +А2(ГЭ)) + Л. +- ад) (4.10): у;=-/ ад)+1+зд) 2,(7-4); д. 1+ (г4)„ (4.11)
При подборе диодов VD1 - VD4 с одинаковым значением сопротивления постоянному току в различные такты преобразования их сопротивление также отличаются на величину приращения в функции температуры. Зависимость сопротивления постоянному току диодов от температуры определяется выражением [62]: кТ RD= H v7o ; (4.12) ,-23 где к - постоянная Больцмана, 1,37 10 Дж/С; Т - абсолютная температура, К; q - элементный заряд, 1,6 10"19 Кл; / - ток, протекающий через диод; /0 - обратный ток диода, изменение которого в функции температуры незначительно и им можно пренебречь.
