Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ, СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕВЕРО- СТАВРОПОЛЬСКОГО ПХГ 10
1.1. Особенности геологического строения Северо-Ставропольского ПХГ 10
1.2. Особенности создания и эксплуатации Северо-Ставропольского ПХГ 27
Глава 2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ЕМКОСТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ПХГ 43
2.1. Использование индикаторов для решения задач геофлюидодинамики 43
2.2. Разработка нового типа индикаторов для оценки емкостно-фильтрационных свойств газонасыщенных коллекторов ПХГ 49
2.3. Движение взвешенных микрочастиц в потоке 54
2.4. Модели миграции индикатора 65
2.5. Методика оценки емкостно-фильтрационных свойств газонасыщенных коллекторов подземного хранилища газа 77
Глава 3 КОМПЛЕКСНАЯ ГЕОЛОГО-ПРОМЫСЛОВАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПХГ 96
3.1. Совершенствование зонной математической модели 96
3.2. Геолого-промысловая двумерная модель пласта с использованием неравномерной сетки в цилиндрических координатах 108
Глава 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПХГ 121
4.1. Выбор рациональной плотности сетки скважин ПХГ 121
4.2. Совершенствование системы геолого-промыслового контроля за эксплуатацией Северо-Ставропольского ПХГ в хадумском горизонте 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 145
ПРИЛОЖЕНИЯ 157
- Особенности геологического строения Северо-Ставропольского ПХГ
- Использование индикаторов для решения задач геофлюидодинамики
- Совершенствование зонной математической модели
Введение к работе
Создание подземных хранилищ газа (ПХГ) в пористых средах в
нашей стране начато в 1958 г. введением в эксплуатацию мелких
выработанных залежей истощенных месторождений Куйбышевской
щ области. Данные ПХГ предназначались в основном для утилизации
попутного нефтяного газа. В этом же году началась эксплуатация Елшано-Курдюмовского ПХГ в Саратовской области [1, 2].
За последующие 43 года проведена огромная работа по созданию подземных хранилищ газа в Единой Системе Газоснабжения (ЕСГ). В настоящее время наблюдается увеличение роли ПХГ в надежной работе ЕСГ. Проходящая реструктуризация потребления энергоресурсов в пользу газа и развитие рыночных отношений постоянно увеличивают
сезонную неравномерность потребления газа. Поэтому модернизация и
строительство ПХГ вошло в список первоочередных дел ОАО «Газпром».
Сейчас в России создана развитая система ПХГ, включающая 23 объекта, в которых хранится около 80 млрд. м3 активного газа. Максимальная суточная производительность всех ПХГ составляет около 450 млн. м3. Количество буферного газа в хранилищах с учетом оставшихся от разработки 35 млрд. м3 составляет 80 млрд. м3 [1].
В истощенных газовых месторождениях создано 70 % существующих и сооружаемых ПХГ. Большинство ПХГ являются крупными подземными хранилищами, создание которых вызвано потребностями развития " газовой промышленности России.
для регулирования сезонной неравномерности газопотребления и по технологическому признаку характеризуются относительно стабильными режимами закачки и отбора газа. Различают газовые хранилища - в водоносных пластах и в истощенных газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождениях (залежах). Одним из таких оперативных базисных хранилищ является ПХГ, созданное в истощенной газовой залежи ха думского горизонта.
Подземные хранилища газа в терригенных коллекторах, по сути происходящих процессов, являются сложной системой, поведение которой обуславливается воздействием внешних и внутренних факторов. Эксплуатация подземных хранилищ газа отличается от разработки газовых месторождений кратковременностью и интенсивностью происходящих процессов. Активный объем газа ПХГ должен быть
Ф отобран за 90 - 180 суток. Исходя из этого, в технологической системе ПХГ используется значительно больший действующий фонд скважин. В результате циклических закачек и отбора газа происходит разнонаправленное движение газоводяного контакта (ГВК),
• значительные колебания давлений и температуры. Воздействие этих факторов приводит к изменению емкостно-фильтрационных свойств (ЕФС) коллектора. Для оценки ЕФС газонасыщенного коллектора в ПХГ немало важным является совершенствование промысловых методов определения коллекторских свойств. Кроме того, для ПХГ, характеризующихся значительной площадью газоносности и неравномерностью эксплуатации отдельных зон большое значение с целью совершенствования геолого-промыслового обеспечения эффективной эксплуатации ПХГ имеет разработка геолого-промысловых моделей, позволяющих рационально прогнозировать режимы эксплуатации ПХГ в целом, так и отдельных его зон.
Срок эксплуатации ПХГ составляет минимум 50 лет. Поэтому дляэффективного его функционирования является весьма актуальным совершенствование системы геолого-промыслового контроля приэксплуатации ПХГ.
Решение рассматриваемой в диссертационной работе проблемыосуществлялось в соответствии с планами научно-исследовательских работ в рамках Программы работ на 1998 - 1999 г.г. по увеличению суточной производительности ПХГ, долгосрочной Программы научных исследований для обеспечения эффективного развития ОАО «Газпром»,
Программы научно-исследовательских работ ОАО «Газпром» в области подземного хранения газа.
Целью диссертационной работы является совершенствование геолого-промыслового обеспечения эффективной эксплуатации подземных хранилищ газа. В соответствии с указанной целью формулируются главные задачи исследований:
- разработать и адаптировать геолого-промысловую двумерную модель пласта с использованием неравномерной сетки в цилиндрических координатах Северо-Ставропольского ПХГ в хадумском горизонте;
- исследовать возможности использования тонкодисперсных веществ в качестве индикатора;
- исследовать модели миграционных процессов;
- усовершенствовать метод оценки емкостно-фильтрационных свойств газо-насыщенных коллекторов ПХГ;
- провести промысловые эксперименты на ПХГ;
- разработать рекомендации по повышению эффективности эксплуатации ПХГ. Научная новизна.
т Разработана геолого-промысловая модель Северо-Ставропольского
ПХГ и выполнена ее адаптация. Дано теоретическое обоснование
возможности мечения флюидальной среды тонкодисперсным
индикатором. Предложен и реализован метод оценки емкостною фильтрационных свойств газо-насыщенных коллекторов ПХГ.
Применительно к математической модели реализована методика автоматизированного распределения отборов газа в соответствии с добычными возможностями эксплуатационных скважин. Также усовершенствована система и разработан регламент геолого-промыслового контроля за эксплуатацией Северо-Ставропольского ПХГ в хадумском горизонте.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод оценки емкостно-фильтрационных свойств газо-насыщенных коллекторов ПХГ позволяет устанавливать внутрипластовые потоки газа, оценивать емкостно-фильтрационные параметры коллекторов и идентифицировать генезис газа техногенных потерь. Кроме того, использование разработанной геолого-промысловой сеточной модели эксплуатации ПХГ обеспечивает надежный прогноз 0 оптимальных технологических режимов работы хранилища и служит базой для развития автоматизированной системы эксплуатации. На f основе изучения особенностей процессов, происходящих в ПХГ, разработана схема и регламент контроля за его эксплуатацией. Реализация результатов исследований. Результаты работы использованы при составлении:
- отчетов по авторскому надзору за осуществлением технологического проекта создания и эксплуатации Северо-Ставропольского ПХГ в хадумском горизонте,
- рекомендаций по совершенствованию системы контроля за эксплуатацией Северо-Ставропольского ПХГ в хадумском горизонте;
- регламента контроля за эксплуатацией ПХГ; - рекомендаций технологических режимов эксплуатации ПХГ в
период 1998-2001 гг.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались автором на IX, X, XI Международных конгрессах «Новые технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (Уфа, 1999;
щ Москва 2000, Салехард, 2001), III Региональной научно-технической
конференции «ВУЗовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 1999), Совещании ОАО «Газпром» по состоянию и проблемам капитального ремонта скважин (Москва, 1999), заседаниях Секции по подземным хранилищам газа Комиссии по месторождениям и ПХГ ОАО «Газпром» (Саратов, 1998, Москва, 1999, 2000, 2001, Валдай, 2000), первой международной конференции «Циклы» (Ставрополь, 1999), Л научно-технической конференции по новым технологиям в геофизике (Тверь, 1999), XXX научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов за 1999 год (Ставрополь, 2000), научно техническом совете Управления по подземному хранению газа и жидких углеводородов ОАО «Газпром» (Москва, 2000, 2001), научно практическом семинаре «Проблемы моделирования работы скважин и пластовых систем при создании и эксплуатации ПХГ в пористых пластах»(Москва, 2001), Международном газовом конгрессе (Амстердам, 2001).
Публикации. Результаты проведенных исследований автора отражены в 5 научно-исследовательских отчетах и в 17 публикациях, в том числе одной монографии.
Фактический материал. Основой диссертационной работы послужили исследования автора, выполненные в ООО «Кавказтрансгаз», за период 1995 - 2001 гг. Автором использованы фактический материал, изложенный в печатных и рукописных работах ООО «Кавказтрансгаз».
«Ставропольнефтегеофизика», ПФ «Ставропольгазгеофизика», ОАО «СевКавНИПИгаз», ООО «ВНИИгаз», ИПНГ РАН, РГУ НГ им. МИ в» Губкина, МГУ, ИГиРГИ и других организаций. Аналитическую основу исследований составили более 1500 замеров пластовых давлений и температур, более 500 анализов керна, проб пластовых флюидов, более 600 анализов проб флюидов при индикаторных исследований на Северо-Ставропольском ПХГ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 160 страницах машинописного текста, 26 рисунков, 11 таблиц. Список использованных источников включает 116 наименований.
Особенности геологического строения Северо-Ставропольского ПХГ
На рассматриваемой территории платформенный чехол мезо-кайнозойских отложений с резким угловым стратиграфическим несогласием ложится на палеозойские отложения (рис. 1). Отложения мезозоя представлены меловой (верхний и нижний мел) системой [6 - 9]. Отложения юрской системы отсутствуют. Породы мелового комплекса несогласно перекрываются отложениями палеоценового возраста, которые, в основ ном, выражены мощной толщей песчано-глинистых образований. Отложения эоцена, согласно перекрывающие породы палеоценового возраста, представлены всеми своими подотделами (нижним, средним и верхним эоценом). Выше по разрезу залегает мощная толща майкопской серии осадков. В подошве этой серии, выделяется ха думский горизонт. С отложениями этого возраста связано промышленное скопление газа на ряде месторождений Ставрополья. Остальная часть разреза майкопской свиты, в основном, представлена глинами в разной степени песчанистыми. Отложения миоцена, несогласно перекрывающие майкопскую свиту, представлены чокракским, кара ганским, конским горизонтами и сарматским ярусом. Чокракский горизонт лито логически выражен переслаиванием сильнопесчанистых зеленоватых глин, мергелей, алевролитов и песчаников. Отложения сарматского яруса (средний и верхний сармат) местами выходят на дневную поверхность. В тектоническом плане ха-думская залежь приурочена к двум поднятиям платформенного типа -Северо-Ставропольскому и Пелагиадинскому, соединенным между собой неглубокой седловиной (рис. 2, 3). Северо-Ставропольское простирается
Месторождения: 1 - нефтяные; 2 - газовые; 3 - нефтегазовые; 4 - газоконденсат-ные; 5 - нефтегазоконденсатные; 6 - локальные структуры, 7 - структурные выступы; 8 - границы тектонических элементов Рис. 2. с юго-запада на северо-восток. В пределах контура газоносности по хадумской залежи размеры ее 33x18 км. Пелагиадинское поднятие ориентировочно субширотно, его размеры в пределах контура газоносности хадумской залежи 16x11 км. Общая площадь газоносности составляет 590 км2, из которых 460 км2 приходится на Северо-Ставропольскую структуру, а 130 км2 относится к Пелагиадинскои. Характерной особенностью указанных поднятий, являются широкие своды, пологие крылья (угол падения не превышает 130), большая площадь структуры, что указывает на незначительную деформацию пород осадочного чехла. Дизъюнктивных нарушений в пределах месторождения не установлено [9]. В разрезе хадумского горизонта выделяется пять типов пород: алевриты, алевриты глинистые, алевролиты глинистые, алевролиты сильно глинистые и глины. Первые четыре типа пород представляют практическое значение и являются коллекторами для газа. Литолого-физическая характеристика указанных типов пород приведена в табл. 1.
Изучение пород-коллекторов газа Ставрополья показывает, что ха-думский газовый горизонт по своему строению не является каким то единым, однородным, выдержанным в литологическом отношении, пластом (рис. 4). Он представляет собой систему часто чередующихся друг с другом макро микропрослоев и линз алевритов и глин. Все породы хадумско-го горизонта, даже в пределах отдельных образцов керна, постепенно или резко переходят друг в друга, поэтому определение основных геолого-физических параметров пласта, сложенного осадками такого типа, представляет трудную задачу. Для ее решения, на протяжении ряда лет большой группой исследователей изучался обширный фактический материал. Это в конечном итоге позволило расчленить хадумские отложения на три основных литологических комплекса - пачки I, II, III.
Использование индикаторов для решения задач геофлюидодинамики
В настоящее время на объектах нефтегазового комплекса расширился круг задач, корректное решение которых возможно только при использовании современных индикаторных (трассерных) методов. Объясняется это не только появлением новых проблем, таких как природоохранные, экологические, но и повышением требований к информативности, точности и достоверности результатов традиционных исследований. Будучи прямыми методами исследования, индикаторные эксперименты, проводимые в натурных условиях, обладают большей доказательностью по сравнению с косвенными, в связи с чем, им зачастую отводится роль арбитражных методов.
В 60-х годах в нашей стране началось широкое внедрение индикаторов в геологическую и нефтепромысловую практику. На Октябрьском месторождении ЧИ АССР впервые был применён тритий [32, 33].
За прошедший период был создан ряд эффективных методов меченой жидкости, применяющаяся при разведке и поиске нефтяных залежей, контроле за процессами извлечения из недр углеводородного сырья [34 - 36].
Первая группа индикаторных методов основана на прослеживании фильтрационных потоков между скважинами в пределах значительных объёмов горных пород. Эта группа включает методы контрольных скважин, мечения нагнетаемой жидкости или газа, гидрохимический и радиохимический. С их помощью определяют истинную скорость и направление пластовых жидкостей и нагнетаемой в залежи воды. Коллекторские свойства пластов в условиях естественного залегания. Выявляют также распределение потоков по пластам и между отдельными скважинами и источники их обводнения, гидродинамическую связь по площади и разрезу залежей, устанавливают неоднородность отложений, определяют эффективность процесса вытеснения нефти и газа, степень влияния на него отдельных скважин и режима их дренирования и нагнетания [37 -44].
Известно, что эффективное регулирование процесса эксплуатации залежей важно только при надёжном контроле за нагнетанием воды. При этом необходима достоверная информация о скорости и характере вы теснения нефти водой, причинах обводнения добывающих скважин, влиянии режима закачки воды в залежи.
Методы этой группы применяются на разведочных площадях и нефтяных месторождениях Северного Кавказа, Белоруссии, Татарии, Тюменской, Сахалинской, Самарской и Пермской областей. Подобные исследования велись на нефтяных месторождениях США, Румынии, Канады и Других стран.
Ко второй группе относятся методы стационарного источника индикатора, одиночной скважины, радоновый, для установления заколонных перетоков и других. Для них характерны закачка меченой жидкости в при-скважинную часть пласта и фиксирование изменения концентрации или местоположения индикатора. Эти методы позволяют на любой стадии поиска, разведки и разработки залежей выявить в разрезе проницаемыегоризонты, определить профиль приёмистости скважин, установить нефтенасыщенность горных пород, тип коллектора, основные параметры трещиноватых отложений, степень анизотропии пластов, фильтрационные и ёмкостные характеристики отложений, гидродинамическую связь между пластами и скважинами, наличие заколонных перетоков и другие [32, 33,45-49].
Такие методы широко применяются на нефтяных месторождениях ЧИ АССР, Ставрополья, Дагестана, Башкирии, Волгоградской и Пермской областей. Особенно это относится к методам определения заколон-ной циркуляции жидкости, целостности цементного камня. Третья группа методов основана на вводе меченой жидкости в ствол скважины. С их помощью устанавливают техническое состояние спущенных обсадных колонн, оборудования и колонн насосно-компрессорных труб, объём ствола бурящейся скважины, истинную нефтенасыщенность пластов по кернам. По изменению концентрации индикатора на забоескважины можно также определять составляющие фильтрационного по-тока: скорость, направление движения и расход жидкости в пласте [32].
Ранее работы велись с красителями: флюоресцеином, уранином, а также роданином. Как показал опыт, этого количества метящих веществ, пригодных только для определённых конкретных пластовых условий, не- достаточно, особенно при изучении залежей сложного строения, неоднородных пластов, глубокозалегающих объектов и при контроле современных интенсивных систем разработки месторождений. В результате, была выявлена группа новых несорбирующихся, легкодоступных, достаточно просто фиксируемых с высокой точностью в минерализованных водах стабильных индикаторов - аммиачной селитры, карбамида и тиомочеви-ны. Определена область их применения и рекомендована технология ведения работ на скважинах разведуемых и разрабатываемых площадей.
Совершенствование зонной математической модели
Для проектирования и эксплуатации подземного хранилища газа в хадумском горизонте разработана многозонная модель, включающая модели продуктивного пласта, эксплуатационных скважин, а также в первом приближении модель газосборной сети. Вся площадь хранилища разбита на 19 зон. Размещение зон приведено на рис. 23. Зоны с 1 по 13 соответствуют площади размещения скважин, подключенных к каждому из 13 газораспределительных пунктов (ГРП). Это сделано.для удобства расчета технологических параметров эксплуатации хранилища. В остальных зонах эксплуатационных скважин нет, есть только наблюдательные. Зона 14 соответствует центральной части зоны закачки-отбора. Там нет эксплуатационных скважин хадумского горизонта, так как там размещены эксплуатационные скважины хранилища в горизонте зеленая свита. Зона 15 соответствует юго- западной периферийной части, зона 16 - северо, северо-западной периферийной части, зона 17 - северо-восточной периферийной части, зона 18 - юго-восточной периферийной части, примыкающей к Пелагиадинской площади. Все эти восемнадцать зон размещены на Северо-Ставропольской площади. Зона 19 соответствует Пелагиадинской площади. Модель состоит из базы данных, комплекса программ по обработке первичной базы данных, комплекса программ для адаптации модели по данным истории эксплуатации хранилища (адаптируются газонасыщенные объемы порового пространства каждой зоны и коэффициенты межзонного взаимодействия между зонами), комплекса программ по расчету прогнозных показателей эксплуатации хранилища. При моделировании пластовой системы, рассматривается двумерная задача неустановившейся фильтрациигаза в неоднородном пласте в процессе циклической эксплуатации ПХГ неравномерной сеткой скважин. В принципе площадь хранилища может быть разбита на некоторое (произвольно выбранное) количество зон неправильной формы. Выбор зон может определяться приблизительным постоянством характеристик фильтрационно- емкостных свойств пласта, плотностью сетки скважин и другими параметрами. Для задания взаимодействия зон используется симметричная матрица, элементами которой могут быть нули, если нет взаимодействия между зонами с соответствующими номерами строки и столбца, либо отличные от нуля коэффициенты пропорциональности между расходами газа при перетоке и перепадамквадратов средних давлений в смежных зонах. Построение моделираспадается на два этапа - адаптационная модель историиэксплуатации и расчетная модель прогноза режимов эксплуатации. В настоящее время для хранилища газа в хадумском горизонте разработана многозонная модель, включающая модели продуктивного пласта, усредненных эксплуатационных скважин, а также в первом приближении модель газосборной сети [106], которая в последнее время усовершенствована в связи с необходимостью бурения новых скважин и учета индивидуальных характеристик скважин [107, 108]. Построение модели распадается на два этапа - адаптационная модель истории эксплуатации и расчетная модель прогноза режимов эксплуатации. В основе адаптационной модели лежит построение гибкой и достаточно емкой компьютерной базы промысловых и моделируемых данных. Внешнюю базу данных, хранимую без изменений, составляют таблицы, формируемые для каждого периода истории эксплуатации. Матрицы коэффициентов сопротивления межзонных перетоков (Я у), определенные для каждого периода, ...составляют „корректируемую базу данных в процессе реализации адаптационной модели. Кроме того, по результатам расчетов каждого периода составляется и при повторных расчетах обновляется база данных, содержащая изменяющиеся во времени расчетные показатели модели. Основной критерий определения состава и структуры базы данных результатов расчетов - необходимость использования их при повторных расчетах, начиная с любого предшествующего периода. К таким параметрам относятся, например, (Р,) - распределение давлений в зонах, (г {)- распределение запасов в зонах и другие. Основные уравнения модели представляют систему балансовых уравнений для каждой зоны с учетом их взаимодействия: где Qlo6j - накопленный с начала эксплуатации объем газа (отбор-закачка); Qncpj - объем газа, накопленный за счет перетока (оттока) из смежных зон; Q, - объем порового пространства і -той зоны. Указанные объемы Qao6i и Qnepi могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Система уравнений (64) рассматривается при любом текущем времени t, состоит из К, уравнений и содержит такое же количество неизвестных (Р,), соответствующих моменту времени t.
