Введение к работе
Актуальность темы.
Бурение горизонтальных скважин признано в нефтяной отрасли как один из эффективных методов повышения нефтеотдачи пластов. При этом горизонтальные скважины применяются не только на новых, но и на старых месторождениях с высокой степенью обводнения продукции и низкими пластовыми давлениями. Практика нефтедобычи показала, что эффективность выработки месторождений определятся информативностью и достоверностью методов контроля за работой пластов и скважины, где ведущая роль геофизических исследований неоспорима. Однако опыт первых исследований горизонтальных скважин свидетельствует о том, что переносить технологии геофизических исследований и алгоритмы интерпретации, хорошо отработанные в вертикальных скважинах, на горизонтальные нельзя. Важнейшие элементы технологии, определяющие эффективность промыслово-геофизических исследований (ПГИ) действующих горизонтальных скважин, – способы доставки скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол; аппаратный комплекс, включающий набор регистрирующих модулей и конструкцию скважинного прибора; интерпретационные критерии и правила, используемые при анализе результатов ПГИ.
В настоящее время на практике отработаны и успешно применяются различные технологические комплексы по доставке скважинной аппаратуры в горизонтальный ствол для проведения ПГИ при контроле работы пласта и скважин. Однако результаты исследований с применением существующих приборов с традиционным набором датчиков и правил интерпретации данных не обеспечивают полноты решения поставленных задач, в особенности в условиях низких дебитов горизонтальных скважин (до 200 м3/сут) и высокой обводненности продукции (более 75%), что характерно для большинства месторождений РФ. Кроме того, физические процессы, происходящие в высокодебитных действующих горизонтальных скважинах с турбулентными потоками, что описано зарубежными исследователями, существенно отличаются от процессов, происходящих в низкодебитных скважинах с многофазными ламинарными потоками с немонотонной траекторией ствола.
Исходя из этого, очень важным является экспериментальное изучение особенностей многофазных неизотермических потоков на физической модели горизонтальной скважины и оптимизация набора регистрируемых параметров и конструктивных элементов скважинной аппаратуры, обеспечивающих существенное повышение результативности ПГИ действующих горизонтальных скважин в условиях низких дебитов и высокой обводненности продукции.
Цель работы
Создание научно-методических основ геофизических исследований действующих низкодебитных горизонтальных скважин на основе изучения особенностей многофазных потоков и потокометрических датчиков на термогидродинамическом стенде.
Объект исследования
Многофазные потоки и их влияние на показания многодатчиковой аппаратуры.
Предмет исследования
Интерпретация и методическое обеспечение технологии исследования действующих горизонтальных скважин с многофазными потоками.
Основные задачи исследования
1. На основе обзора существующих экспериментальных установок выбор специализированного термогидродинамического стенда, позволяющего исследовать физические поля в условиях многофазного неизотермического потока, характерного для малодебитных горизонтальных скважин.
2. Разработка и тестирование датчиков и конструктивных элементов специальной скважинной аппаратуры, обеспечивающей повышение информативности геофизических исследований действующих горизонтальных скважин.
3.Экспериментальное изучение особенностей формирования многофазного неизотермического потока на термогидродинамическом стенде с учетом переменной траектории горизонтального ствола.
4. Экспериментальное изучение взаимодействия элементов скважинного прибора с многофазными неизотермическими потоками.
5. Разработка методики тестирования на стенде специальной скважинной аппаратуры, предназначенной для исследования горизонтальных скважин.
Методы решения поставленных задач
Анализ и обобщение существующих экспериментальных установок для изучения многофазных потоков. Физическое моделирование многофазных потоков на модернизированном термогидродинамическом стенде. Экспериментальные исследования эффективности потокометрических датчиков. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований на базе современных технических средств. Лабораторные и стендовые испытания существующей аппаратуры для исследования горизонтальных скважин.
Научная новизна
1. На основе физического эксперимента впервые установлены следующие особенности формирования многофазных неизотермических потоков, характерных для действующих горизонтальных скважин:
- возникновение застойных зон в экстремальных областях траектории ствола;
- наличие вертикального градиента температуры в потоке, приводящего к возникновению асимметрии профиля скоростей;
- эффект обратного внедрения потока при поступлении через интервал перфорации в горизонтальных стволах с переменной траекторией;
- избирательный теплообмен при смешении двухфазного потока в интервале перфорации.
2. Установлены возникновение обратных потоков на восходящих участках горизонтального ствола скважины и их влияние на показания механических расходомеров.
3. Разработан термоанемометр с оптимизированной конструкцией, в котором для увеличения диапазона скоростей потока и стабилизации выходных параметров нагрев и измерение температуры чувствительного элемента осуществляется в импульсном режиме.
4.Разработана методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры для горизонтальных скважин, обеспечивающая его эффективность в условиях многофазного неизотермического потока.
Основные защищаемые научные положения
1. Совместный учет эффектов термогравитационного расслоения потока с образованием вертикальных градиентов скорости, возникновения обратных потоков и избирательного теплообмена многофазных потоков в зоне смешения позволяют повысить достоверность выделения работающих интервалов в низкодебитных горизонтальных скважинах с многофазной продукцией.
2. Совместное использование датчиков температуры, термоанемометра и состава позволяет определять направление и скорость многофазных неизотермических потоков и выделять зоны их смешения.
Теоретическая значимость работы
На основе физического эксперимента на термогидродинамическом стенде с использованием визуального наблюдения и приборных измерений определены особенности формирования многофазных потоков в малодебитных горизонтальных скважинах с переменной траекторией.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Использование многофункционального термогидродинамического стенда позволило изучить особенности многофазного неизотермического потока в условиях переменной траектории ствола, что повысило достоверность интерпретации данных геофизических исследований действующих горизонтальных скважин нефтяных компаний Башнефть, Роснефть, Татнефть и др.
2. Разработанные специальные датчики состава и локальной скорости потока (термоанемометр), в условиях многофазного неизотермического потока в горизонтальных скважинах, позволяют получать информацию о фазовых расходах с более высокой точностью и в большем диапазоне скоростей потока. Достоверность результатов измерения скорости потока обеспечивается применением разработанного ротационного калибратора при градуировке датчиков термоанемометров.
3. Комплексное применение в скважинной аппаратуре датчиков температуры, термоанемометра и состава обеспечивает возможность достоверного определения интервалов притока в условиях многофазного потока в горизонтальных скважинах.
4. Разработанная методика комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры на термогидродинамическом стенде обеспечивает оценку информативности и достоверности получаемых данных, что позволяет оценить возможность её промышленного использования в действующих горизонтальных скважинах с многофазной продукцией. Методика применялась для тестирования аппаратуры предприятий Уфы, Тюмени, Твери, Саратова и Бугульмы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена обобщением и анализом результатов отечественных и зарубежных разработок и исследований, использованием сертифицированного термогидродинамического стенда (№2661-10/13), эталонированных средств измерения, достаточным объемом экспериментальных исследований, сопоставлением их с теоретическими данными, объёмом накопленных сведений и повторяемостью результатов.
Личный вклад автора состоит в: постановке задач, их решении; проведении экспериментальных работ; анализе полученных результатов; разработке и внедрении методики комплексного тестирования специальной скважинной аппаратуры.
Апробация работы
Результаты и основные положения работы докладывались на:
Международной школе конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (Уфа, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2013 г.);
Российской технической нефтегазовой конференции и выставка SPE по разведке и добыче (Москва, 2010);
Российской конференции, посвященной 70-летию академика Р.И.Нигматуллина «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии» (Уфа, 2010 г.);
Международной научно-практической конференции «Аппаратно-методические комплексы и технологии ГИС и ядерно-геофизические методы для исследования нефтегазовых и рудных скважин» (Октябрьский 2012 г);
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 научных трудах, в том числе 3 – в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 112 наименований. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 5 таблиц.
Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Валиуллину Р.А. за неоценимую помощь в организации, выполнении и оформлении результатов работы.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры за консультации и критические замечания при обсуждении результатов, а также сотрудникам Московского научно-исследовательского центра компании «Шлюмберже» Шако В.В, Паршину А.В. и руководителю центра Писаренко Д.В. за поддержку и координацию исследований.
