О ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ С ИМИТАЦИЕЙ ИНТЕРВАЛА ПЕРФОРАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 53:550.3

DOI: 10.24412/1728-5283-2021-4-28-33

О ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ С ИМИТАЦИЕЙ ИНТЕРВАЛА ПЕРФОРАЦИИ*

© Р.Ф. Шарафутдинов,

доктор технических наук, профессор,

Башкирский государственный

университет,

ул. Заки Валиди, 32,

450076, г Уфа, Российская Федерация

эл. почта: gframil@inbox.ru

© Д.В. Космылин,

ассистент,

Башкирский государственный

университет,

ул. Заки Валиди, 32,

450076, г. Уфа, Российская Федерация

эл. почта: kosmylindenis@yandex.ru

© И.А. Комаров,

студент,

Башкирский государственный

университет,

ул. Заки Валиди, 32,

450076, г. Уфа, Российская Федерация

эл. почта: komarof19@yandex.ru

На сегодняшний день термометрия является одним из основных методов при диагностике состояния скважины и пласта. Однако в некоторых вопросах решения нефтепромысловых задач имеются ограничения метода. Особенно это относится к малодебитным скважинам, скважинам с карбонатными коллекторами. Поэтому развитие метода термометрии является актуальной задачей. Одним из перспективных направлений развития термометрии является метод «активной термометрии». Его суть заключается в наличии нагревателя в приборе, благодаря которому создается тепловая метка и, наблюдая за ее формированием, движением, расформированием, можно решать задачи, которые представляют трудности для традиционной термометрии. Метод «активной термометрии» прошел полевые испытания, которые показали высокую эффективность. Метод с большой эффективностью определяет наличие заколонных перетоков, при этом как «снизу», так и «сверху», определяет дебит в низкодебитных скважинах, что является сложно выполнимыми или невыполнимыми задачами для классической термометрии.

Развитие метода требует детальных исследований, для проведения которых в данной работе рассматривается созданная физическая модель добывающей скважины с имитацией интервала перфорации и трещиной гидроразрыва пласта (ГРП). В модели реализована система движущего нагревателя по стволу скважины, в качестве нагревателя использовался индукционный нагреватель. Распределение теплового поля по стволу скважины регистрируется стационарным азимутально-распределенным температурным зондом, состоящим из 4 уровней. На каждом уровне установлены три термочувствительных элемента, в качестве которых были использованы термопары.

Представлены данные серии экспериментов по определению амплитуды тепловой метки при заданной мощности индуктора.

Ключевые слова: термометрия, активная термометрия, индукционный нагреватель, термочувствительные элементы, физическая модель

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ по теме «Создание интеллектуальной комплексной технологии исследования и интерпретации данных промыслово-геофизических исследований скважин, включая оптоволоконные измерения для контроля за разработкой нефтегазовых месторождений и экологического мониторинга состояния недр, на основе использования математического моделирования, машинного обучения, алгоритмов обработки и роботизированной аппаратуры индукционного воздействия», соглашение № 075-112021-061 от 25 июня 2021 г.

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /

/

2021, том 41, № 4(104)

© R.F. Sharafutdinov, D.V. Kosmylin, I.A. Komarov

ON THE PHYSICAL MODEL OF A PRODUCING WELL WITH SIMULATION OF THE PERFORATION INTERVAL

Bashkir State University, 32, ulitsa Zaki Validi, 450076, Ufa, Russian Federation e-mail: gframil@inbox.ru

kosmylindenis@yandex.ru komarofl 9@yandex.ru

To date, thermometry is one of the main methods for diagnosing well and reservoir conditions. However, there are limitations of the method in some aspects of solving oilfield problems. This is especially true for low-flow wells and wells with carbonate reservoirs. Therefore, the development of the thermometry method is an urgent task. One of the promising directions of thermometry development is the method of "active thermometry." Its essence lies in the presence of a heater in the device, thanks to which a thermal signature is created, and observing its formation, movement, and disbandment, it is possible to solve problems that pose difficulties for traditional thermometry. The "active thermometry" method has been field tested and proved to be highly effective. With great efficiency, the method determines the presence of behind-the-casing flows, both "from the bottom" and "from the top", and determines the flow rate in low-rate wells, which are difficult or impossible tasks for classical temperature logging.

The development of the method requires detailed studies, for which purpose this paper considers the physical model of a production well with a simulation of the perforation interval and a hydraulic fracture (HF). The model implements a system of a moving heater along the wellbore with an induction heater used. The distribution of the thermal field along the wellbore is recorded by a stationary azimuthally distributed temperature probe consisting of 4 levels. At each level, three thermosensitive elements are installed used as thermocouples.

The data of a series of experiments are presented that determine the amplitude of the heat signature at a given inductor power.

Key words: thermometry, active thermometry, induction heater, thermosensitive elements, physical model

Введение. В последнее время все большее внимание нефтедобывающими предприятиями уделяется вопросам эксплуатации скважин из старого фонда, вовлечению в разработку запасов низкопроницаемых коллекторов и высоковязких нефтей [1]. При этом возникают проблемы, связанные с эксплуатацией этих скважин: увеличение обводненности продукции, количественное и качественное определение полезного дебита в

низкодебитных скважинах, определение за-колонных перетоков [2].

Одним из применяемых методов для решения данных проблем является термометрия [3]. Данный метод является простым и информативным, однако традиционная термометрия не всегда эффективна, особенно в малодебитных скважинах, низких депрессиях, определении заколонных перетоков. Вследствие чего развитие новых мето-

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ / __

I 2021, том 41, № 4(104) lllllllllllllllllllllllllИИИмЕЭ

дов для решения данных задач крайне актуально.

Наиболее перспективным методом развития скважинной термометрии является метод «активной термометрии», заключающийся в создании тепловых меток на основе индукционного нагрева обсадной колонны [4]. Данная технология прошла промысловые испытания и показала высокую эффективность [5].

Исследования методом «активной термометрии» проводились по следующей схеме: комплексный прибор с индукционным нагревателем опускается на интересующую глубину, после чего он останавливается и создается тепловая метка в процессе работы индукционного нагревателя, далее исследуется формирование и эволюция тепловой метки, которая позволяет решить задачу. Важной составляющей при реализации данного метода являются экспериментальные исследования формирования создаваемых тепловых меток в движущемся потоке и определение возможности оценки профиля притока. Для этого была разработана и изготовлена физическая модель добывающей скважины с наличием интервала перфорации и возможностью модернизации модели.

Физическая модель. Физическая модель (рис. 1) максимально приближена к конструкции нефтегазовых скважин. Она состоит из стальной трубы (1) внешним диаметром 76 мм, внутренним 68 мм и длинной 250 мм. Модель подвешена к балке (5), на специально изготовленный подвесной механизм (10), который позволяет производить исследования в режиме вертикальной и наклонной скважины, с углом отклонения от нормали более 30°.

Для имитации интервала перфорации сделаны 8 отверстий диаметром 6 мм (2), с фазировкой 50° и с шагом следования 5 см, что соответствует плотности перфорации 20 отв/м. Имитация трещины гидравлического разрыва пласта изготовлена из латун-

30 |

ной трубки диаметром 6,5 мм, с проделанными вдоль трубки отверстиями на расстоянии 20 мм друг от друга. Она закреплена на расстоянии 5 мм от колонны (4). Подвод воды в «трещину гидравлического разрыва пласта» и в интервал перфорации осуществляется при помощи насоса (22). Герметизация интервала перфорации осуществляется кожухом из стеклянной трубы диаметром 100 мм (3), который плотно закреплен на модели. Осевой подвод жидкости осуществляется за счет патрубка с распределителем потока, расположенного в нижней пробке (7). Вода подается насосом термостата (18), напор регулируется при помощи кранов (20). Расход флюида регистрируется водяными счетчиками (21). В нижней части модели установлен линеаризатор восходящего потока (6). Основной водоотвод выполнен в верхней части колонны в виде патрубка (8) и жидкость в термостат подается через фильтр проточного типа (19). Для удобного ввода исследовательского зонда в скважину болты, закрепляющие подвесной механизм, были заменены на шпильки длиной 100 мм (9), ввод

Рис. 1. Эскиз экспериментальной установки:

1 - труба, 2 - перфорация, 3 - кожух из оргстекла, 4 - имитация трещины гидравлического разрыва пласта, 5 - балка, 6 - линеаризатор, 7 - подвод жидкости, 8 - отвод жидкости, 9 - шпильки с резьбой, 10 - подвесной механизм, 11 - подвижный индукционный нагреватель, 12 - электродвигатель, 13 - редуктор, 14 - направляющие нити, 15 - крепления нитей, 16 - направляющие ролики, 17 - противовес, 18 - криотермостат, 19 - фильтр проточного типа, 20 - краны, 21 - счетчики, 22 - насос

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /

/

2021, том 41, № 4(104)

À

зонда осуществляется с верхнего незаглу-шенного торца колонны.

Для нагревания колонны изготовлен подвижный нагреватель, а измерение распределения температуры в скважине проводится датчиками температуры, расположенными по длине скважины.

В качестве нагревателя был использован индукционный нагреватель. Подвесной механизм с реализацией движущегося нагревателя представлен на рисунке 2. Подвижный индукционный нагреватель (11) перемещается вдоль ствола при помощи электродвигателя (12). Редуктор (13) обеспечивает оптимальную скорость подъема, а направляющие нити (14), установленные на креплениях (15), обеспечивают оптимальную траекторию даже при наклоне скважины. Нить, удерживающая и уравновешивающая индукционный нагреватель противовесом (17), натянута через направляющие ролики (16). Реализованная система движения индукционного нагревателя позволяет регулировать скорость движения в большом диапазоне, от 0,5 см/сек до 10 см/сек.

Температурный зонд. Исследовательский зонд изготовлен из металлопла-стиковой трубы диаметром 3 см и длиной

Рис. 2. Эскиз подвесного механизма:

1 - колонна, 8 - отвод жидкости, 9 - шпильки с резьбой, 10 - подвесной механизм, 11 - подвижный индукционный нагреватель, 12 - электродвигатель, 13 - редуктор, 14 - направляющие нити, 15 - крепления нитей, 16 - направляющие ролики, 17 - противовес

190 см (рис. 3). В качестве датчиков температуры выступают 12 термопар КХТА 01.02. (1), расположенные на четырех уровнях. На каждом уровне размещены по 3 термочувствительных элемента, при этом один датчик расположен на оси температурного зонда, два других датчиков плотно прижаты к внутренней стенке колонны, тем самым позволяя регистрировать ее температуру. За счет металлических центраторов (2) зонд находится по центру скважины.

Рис. 3. Уровень темперного зонда:

1 - выводы термопар, 2 - металлические центраторы

Регистрация данных с термочувствительных элементов проводится на базе модуля National Instruments - NI9214 (рис. 4), которая позволяет одновременно подключать до 16 термопар. Запись данных о температуре производится ежесекундно в программном обеспечении LabViev и записывается в текстовый файл, что позволяет проводить построение и обработку диаграмм в программе Microsoft Excel.

На рисунке 5 представлено схематично расположение температурного зонда в модели скважины.

Экспериментальные исследования на физической модели. Перед началом экспериментальных исследований заранее проведена калибровка термочувствительных элементов в термостате. После этого термочувствительные элементы помещаются в одинаковую температуру по всей модели, что достигается циркуляцией жидкости через термостат.

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ / __

' 2021, том 41, № 4(104) lllllllllllllllllllllllllllllllllED

Рис. 5. Схема расположения исследовательского зонда в скважине

Первая серия экспериментов заключалась в определении амплитуды тепловой метки при заданной мощности нагревателя. После установки индуктора напротив 2 уровня датчиков включается регистрация температуры и контролируется нагрев.

На рисунке 6 представлено распределение избыточной температуры на уровнях зонда. При этом наблюдается резкий скачок температуры на уровне расположения индуктора, и перегрев составляет 9 °С. Выше расположения индуктора также отмечается нагрев, связанный с конвекцией. Уровень, расположенный ниже индуктора, тоже показывает нагрев с большим количеством флуктуа-ций небольшой амплитуды, что связано с тепловой конвекцией.

Таким образом, проведенные исследования показывают принципиальную возможность созданной физической модели для проведения масштабных экспериментальных исследований по изучению особенно-

Рис. 4. Термопара и модуль N19214

Рис. 6. Распределение избыточной температуры на уровнях зонда

.........ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /

' 2021, том 41, № 4(104)

А

стей формирования теплового поля при индукционном нагреве обсадной колонны. Использование данных экспериментальных исследований на созданной физической модели скважины позволят уточнить методику проведения и интерпретации данных «активной термометрии» при диагностике состояния скважины и пласта.

Выводы. Разработана и изготовлена физическая модель добывающей скважины с имитацией интервала перфорации и трещины ГРП.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К. Геофизические исследования и работы в скважинах. Т. 3: Исследования действующих скважин. Уфа: Ин-формреклама, 2010. 184 с.

2. Андреев В.Е., Дубинский Г.С., Куликов А.Н. Геолого-технологический анализ промысловой информации для диагностики источников обводнения скважин // Инновационные технологии в нефтегазовом комплексе: Материалы международной научно-практ. конф. Часть II. г. Уфа, 23-29.11.2014 г. Уфа: Изд-во БашГУ, 2014. С. 10-17.

3. Патент на изобретение RUS 2194160 22.01.2001. Способ активной термометрии действующих скважин / Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф., Рамазанов А.Ш., Дрягин В.В., Адиев Я.Р., Шилов А.А.

4. Использование нестационарной термометрии для диагностики состояния скважин / Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф., Федотов В.Я., За-киров М.Ф., Шарипов А.М., Ахметов К.Р., Ави-зов Ф.Ф. // Нефтяное хозяйство. 2015. № 5. С. 93-96.

5. Федотов В.Я., Закиров М.Ф. Применение индукционных нагревателей при исследовании скважин // XXII Международная специализированная выставка «Газ. Нефть. Техноло-гии-2014»: тезисы докладов конф. Уфа, 2014. С. 69-71.

R E F E R E N C E S

1. Valiullin R.A., Yarullin R.K. Geofizicheskie issle-dovaniya i raboty v skvazhinakh [Geophysical research and work in wells]. Vol. 3. Issledovaniya

1. Разработана система движущегося нагревателя, в качестве нагревателя был реализован индукционный нагреватель с возможностью регулировки скорости от 0,5 см/с до 10 см/с; мощности нагревателя от 200 Вт до 1000 Вт.

2. Разработан и изготовлен 4-уровне-вый азимутально-распределенный температурный зонд, позволяющий регистрировать распределение теплового поля по оси зонда, а также обсадной колонны.

deystvuyushchikh skvazhin [Research of existing wells]. Ufa, Informreklama, 2010. 184 p. (In Russian).

2. Andreev V.E., Dubinsky G.S., Kulikov A.N. Geolo-go-tekhnologicheskiy analiz promyslovoy infor-matsii dlya diagnostiki istochnikov obvodneniya skvazhin [Geological and technological analysis of field information for the diagnosis of well flooding sources]. Innovatsionnye tekhnologii v neftegazovom komplekse [Innovation technologies in the oil-and-gas complex]. Proceedings of the International Science & Research Conference. Part 2. Ufa, November 23-29, 2014. Ufa: Bash-GU, 2014, pp.10-17. (In Russian).

3. Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Ramazanov A.SH., Dryagin V.V., Adiev Ya.R., Shilov A.A. Sposob aktivnoy termometrii deystvuyushchikh skvazhin [Method of active thermometry of operating wells]. Patent RF, no. 2194160, 2001. (In Russian).

4. Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Fedotov V.Ya., Zakirov M.F., Sharipov A.M., Akhmetov K.R., Avezov F.F. Ispolzovanie nestatsionarnoy ter-mometrii dlya diagnostiki sostoyaniya skvazhin [The use of non-stationary thermometry to diagnose the condition of wells]. Neftyanoe khozy-aystvo - Oil Industry, 2015, no. 5, pp. 93-96. (In Russian).

5. Fedotov V.Ya., Zakirov M.F. Primenenie indukt-sionnykh nagrevateley pri issledovanii skvazhin [The use of induction heaters in the study of wells]. Proceedings of the conference, 22nd International Specialized Exhibition Gas. Oil. Tech-nologies-2014. Ufa, 2014, pp. 69-71. (In Russian).

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ / __

' 2021, том 41, № 4(104) lllllllllllllllllllllllllIIIIIIIiEbI