Введение к работе
Актуальность темы. Нефтегазовая отрасль промышленности России в последние годы испытывает определенные трудности. Они связаны с увеличением доли трудно извлекаемых запасов нефти, а также переходом основных месторождений нефти и газа на падающую добычу. В связи с этим ведутся исследования по разработке новых технологий добычи углеводородного сырья и поиск альтернативных источников энергии. Поэтому важную роль приобретают гидродинамические методы исследования скважин и пластов.
Задачи интерпретации результатов гидродинамических исследований скважин принадлежат к классу обратных задач подземной гидромеханики. Методы решения обратных задач позволяют оценить состоятельность рассматриваемых моделей и определять их неизвестные характеристики. Важным моментом при решении задачи об определении фильтрационных свойств нефтяных и газовых пластов является выделение подходящего класса допустимых решений на основе некоторой дополнительной информации. Одним из важнейших аспектов разработки газовых месторождений является выбор режимов эксплуатации скважин с целью предотвращения отложений газовых гидратов на стенке ствола по результатам газогидродинамических исследований.
Среди известных нетрадиционных источников энергии наибольший интерес вызывают природные газовые гидраты. Газогидратные месторождения обладают наибольшим потенциалом по сравнению с другими нетрадиционными источниками газа. В настоящий момент актуальной задачей является создание научных основ разработки газогидратных месторождений, позволяющих использовать процессы разложения и образования газовых гидратов.
Цель работы.
Создание методов для интерпретации результатов гидродинамических исследований нефтяных и газовых скважин и пластов при нестационарных режимах фильтрации. Исследование термогазодинамических процессов в системе «пласт – скважина – горные породы» с учетом фазовых переходов.
Основные задачи исследований:
-
Разработка численных методов решения обратных коэффициентных задач подземной гидромеханики, позволяющих определять состоятельность моделей и оценивать их характеристики по результатам нестационарных гидродинамических исследований скважин.
-
Создание математической модели процесса тепломассопереноса в стволе вертикальной газовой скважины для исследования режимов эксплуатации в условиях гидратообразования.
-
Решение с помощью разработанных вычислительных алгоритмов модельных и практических задач подземной гидромеханики.
Научная новизна работы:
-
Разработан численный метод решения обратных коэффициентных задач подземной гидромеханики на основе теории регуляризации. В качестве исходной информации используются результаты промысловых исследований нефтяных и газовых скважин.
-
Предложен вычислительный алгоритм для оценки скин – эффекта вертикальных скважин, вскрывающих нефтяные и газовые пласты.
-
Разработан вычислительный алгоритм для определения зависимости гидропроводности от давления по результатам промысловых исследований вертикальных нефтяных скважин на основе метода дескриптивной регуляризации.
-
Получено уравнение движения границы раздела фаз газ – гидрат, описывающие процесс образования гидратного слоя в стволе работающей газовой скважины.
-
Создана математическая модель образования гидратных отложений в стволе газовой скважины, учитывающая неизотермическую фильтрацию газа в пласте.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием хорошо апробированных исходных математических моделей фильтрации, разработкой численных методов на базе развитых общетеоретических концепций, касающихся некорректных задач, проведением тестовых расчетов и сопоставлением решений прямых и обратных задач, а также, хорошим согласием результатов с результатами классических методов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Постановка и метод решения обратных задач, возникающих при гидродинамических исследованиях нефтяных и газовых скважин и пластов.
-
Вычислительный алгоритм для интерпретации результатов гидродинамических исследований вертикальных и горизонтальных скважин на основе теории регуляризации.
-
Вычислительный алгоритм для оценки состояния призабойной зоны вертикальных скважин, вскрывающих нефтяные и газовые пласты.
-
Уравнение движения границы раздела фаз газ – гидрат в трубе с учетом фазовых переходов.
-
Математическая модель процесса образования и разложения гидрата в стволе газовой скважины в системе «пласт – скважина – окружающие породы».
Практическая значимость и реализация результатов.
-
Оценка скин - эффекта позволяет установить необходимость проведения обработки призабойной зоны скважины и оценить ее эффективность.
-
Определение зависимости коэффициента гидропроводности пласта от давления позволяет установить оптимальные режимы эксплуатации скважин.
-
Разработан вычислительный алгоритм для интерпретации результатов гидродинамических исследований горизонтальных скважин на основе трехмерной модели фильтрации. Он в отличие от графоаналитических методов не требует идентификации режимов потоков.
-
Вычислительные алгоритмы, разработанные на основе методов регуляризации, позволяют интерпретировать недовосстановленные кривые восстановления давления.
-
Разработан вычислительный алгоритм для исследования процесса фронтальной диссоциации газовых гидратов при постоянном и циклическом тепловом воздействии на пласт.
-
Модель процесса образования и разложения гидрата в стволе вертикальной газовой скважины позволяет диагностировать и определять места образования гидратных пробок при заданных режимах эксплуатации.
Предложенные в диссертации вычислительные алгоритмы для интерпретации результатов гидродинамических исследований вертикальных и горизонтальных скважин могут быть использованы при составлении технологических схем и проектов разработки нефтяных и газовых месторождений. Выполненные в работе расчеты по реальным данным переданы в ОАО “Татнефть”. Вычислительные алгоритмы моделирования процессов образования и разложения газовых гидратов могут быть использованы при разработке газогидратных месторождений, добыче и транспорте газа.
Личный вклад автора в работу. Автором сформулированы вариационные постановки обратных задач, возникающих при интерпретации результатов гидродинамических исследований скважин и пластов при нестационарных режимах фильтрации. Разработаны вычислительные алгоритмы для оценки фильтрационных свойств пласта на основе теории регуляризации. Предложен вычислительный алгоритм для исследования теплового воздействия на газогидратный залежь. Получено уравнение, описывающие процесс образования гидратного слоя в стволе работающей газовой скважины. Предложена математическая модель процесса образования и разложения газогидрата в стволе газовой скважины с учетом тепломассопереноса в системе «пласт – скважина – окружающие породы».
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (г. Казань, 1993-2008), на 2-ой Международной конференции «Идентификация динамических систем и обратные задачи» (С.-Петербург, 1994), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении» (Казань, 1995), на Всероссийской научной конференции “Фундаментальные проблемы нефти и газа”(Москва, 1996), на Международной научно-технической конференции “Молодая наука - новому тысячелетию” (Набережные Челны, 1996), на Saint-Venant Symposium “Multiple Scale Analyses and Coupled Physical Systems”(Paris, 1997), на 2-я научно-технической конференции, посвященная 850-летию г. Москвы «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1997), на научно-практической конференции, посвященной 50-летию открытия девонской нефти Ромашкинского месторождения “Опыт разведки и разработки Ромашкинского и других крупных нефтяных месторождений Волго-Камского региона” (Лениногорск, 1998), на International Conference dedicated to P.Ya.Polubarinova-Kochina “Modern approaches to flows in porous media” (Moscow, 1999), на семинаре-дискуссии “Горизонтальные скважины: бурение, эксплуатация, исследование” (Актюба, 1999), на 3 – й Международной конференции «Горизонтальные скважины» (Москва, 2000), на Numerical algorithms for identification of oil reservoir Proceedings of Conference “Intelligent Computing in the Petroleum Industry” on WorkShop ICPI (Mexico, 2002), на VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002), на 2-ой Республиканской научно-практической конференции “Актуальные задачи выявления и реализации потенциальных возможностей горизонтальных технологий нефтеизвлечения” (Казань, 2003), на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ – 18 (Казань, 2005), на V-й научно – технической конференции «Современные технологии гидродинамических и диагностических исследований скважин на всех стадиях разработки месторождений» (Томск, 2006), на Международной научно - практической конференции «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений и комплексное освоение высоковязких нефтей и природных битумов» (Казань, 2007), на IX Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 48 печатных работ, в том числе одна монография, 17 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 статей в журналах и сборниках, 23 материала докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы (включая 26 таблиц, 99 рисунков) - 215 страниц.
