ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШЕОБЪЕМНЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ КИСЛОТНЫХ ОБРАБОТОК КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

\\ территория нештегаз \\

№ 11 \\ ноябрь \ 2010

УДК 622.276.63

Г.Т. Булгакова, д.ф.-м.н., профессор, e-mail: math@mail.rb.ru, Уфимский государственный авиационный технический университет; Р.Я. Харисов, к.х.н., доцент, зав. группой технологий обработки призабойных зон; А.Р. Шарифуллин, научный сотрудник ООО «РН-УфаНИПИнефть»; А.В. Пестриков, ведущий специалист Управления новых технологий Корпоративного научно-технического центра ОАО «НК «Роснефть»

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШЕОБЪЕМНЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ КИСЛОТНЫХ ОБРАБОТОК КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Основное назначение соляно-кислотных обработок (СКО) в карбонатном пласте заключается в увеличении проницаемости коллектора в обрабатываемой зоне за счет увеличения объема пустотного пространства в породе при взаимодействии ее с кислотой. Эффективность любого вида кислотных обработок скважины определяется глубиной проникновения кислоты в пласт в активном состоянии, а также полнотой удаления продуктов реакции из скважины и призабойной зоны пласта (ПЗП).

Для большей глубины воздействия на карбонатный коллектор в последнее время на нефтепромыслах широко применяют так называемые больше-объемные селективные кислотные обработки (БСКО). Обработка ведется при давлении ниже давления гидроразрыва пласта. Селективная кислотная обработка позволяет блокировать наиболее проницаемые слои ПЗП ге-леобразующим составом; избирательно воздействовать кислотной композицией на пропластки с наименьшей проницаемостью; более эффективно расходовать кислотную композицию; предотвратить увеличение притока воды в скважину за счет вовлечения в эксплуатацию нефтенасыщенных, ранее не работавших пропластков; уменьшить неоднородность ПЗП по проницаемости. Общий объем кислоты разбивается на несколько оторочек, закачиваемых в скважину поочередно с отклонителем. Такая технология СКО обеспечивает отклонение каждой последующей оторочки кислоты

в низкопроницаемую зону. В целом кислотная обработка представляет собой последовательную закачку в скважину оторочек технологических жидкостей. Последовательность оторочек и их конфигурацию принято называть дизайном кислотной обработки. При правильном проектировании можно добиться помимо существенного прироста продуктивности еще и выравнивания профиля притока, что уменьшает риски обводнения. При проектировании дизайна БСКО необходимо обоснованно рассчитывать скорость закачки реагентов, объем кислотного состава, объем отклоните-ля, количество циклов закачки рабочей жидкости, количество отклоняющих стадий, объем закачиваемой жидкости на каждом этапе для прогноза продуктивности скважины после обработки и оценки ожидаемой прибыли за счет проведения кислотной обработки. В соответствии с современными требованиями, расчет прогнозных показателей при проектировании боль-

шеобъемной селективной кислотной обработки должен базироваться на моделях основных физико-химических процессов с реализацией в виде программного продукта [1, 2]. Для скважин с неоднородным профилем проницаемости задача размещения кислоты по целевым пропласткам не может быть корректно решена без численного моделирования. Кроме того, численные симуляторы позволяют решать задачу технико-экономической оптимизации процесса обработки, моделируя варианты дизайна обработки с различными объемами, стадийностью рабочих жидкостей и исходными экономическими сценариями.

Для решения данных задач в ОАО «НК «Роснефть» разработан симулятор, позволяющий оптимизировать процессы планирования БСКО с применением вязких жидкостей-отклонителей. В статье приведены краткая характеристика возможностей симулятора, результаты апробации, а также направления и перспективы его развития.

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ повышение нефтеотдачи \\ 39

ПОВЫШЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ

В ПРОГРАММНЫЙ модуль СИМУЛЯТОРА БСКО ВХОДЯТ СЛЕДУЮЩИЕ БЛОКИ:

• подсистема формирования входных данных, выполняющая функции автоматизации формирования списка входных параметров симулятора (загрузка данных из текстовых файлов, осуществление ручного ввода и корректировка загружаемых данных) и определения направления оптимизации дизайна (технологическая или экономическая оптимизация);

• подсистема моделирования селективной кислотной обработки, выполняющая расчет прогнозируемых показателей селективной кислотной обработки карбонатных коллекторов и основных параметров оптимизации;

• подсистема визуализации расчетов, выполняющая графическое отображение полного перечня входных, расчетных параметров и прогнозируемых характеристик проводимых БСКО (рис. 1);

• подсистема генерации отчетов, выполняющая функции формирования сводного итогового отчета по базовому дизайну БСКО.

Симулятор имеет техническую возможность для внедрения новых методических и программных решений с целью проектирования дизайна БСКО.

МОДЕЛЬ КИСЛОТНОГО ОТКЛОНЕНИЯ

Ядром программного модуля симулятора БСКО является подсистема численного моделирования селективной кислотной обработки в рамках поршневой модели с учетом основных физико-химических процессов, происходящих в пористой среде. При построении модели были сделаны следующие допущения:

• пропластки гидродинамически не связаны между собой;

• жидкость считается несжимаемой;

• скелет породы - недеформируемый;

• фильтрация изотермическая при постоянной скорости закачки реагента. Математическая модель реализует плоско-радиальный поток в пласте и движение вдоль оси скважины, т.е. модель ствола скважины взаимосвязана с моделью коллектора. Вытесняемые пластовые флюиды и кислотные растворы моделируются

Рис. 1. Инструментальные возможности симулятора

а) профиль проницаемости; б) профиль фронтов закачки; в) динамика скин-факторов по стадиям и пропласткам; г) изменение расходов и давлений во времени

как ньютоновские жидкости, отклони-тели - как неньютоновские степенные жидкости, эффективная вязкость которых ра выражается соотношением

М.-К?м, п<1 (1),

где К и п - экспериментальные константы, параметр К - индекс консистенции, п - показатель неньютоновского поведения. Скорость сдвига у зависит от скорости фильтрации жидкости и свойств породы и определяется выражением [3]

Здесь а «БИаре-фактор», определяемый экспериментально и характеризующий пористую структуру, V -скорость течения, к,т - проницаемость и пористость соответственно. Установлено [3, 4], что для карбонатов «эИаре-фактор» меняется в диапазоне от 1 до 15 и имеет различные значения для высоко-и низкопроницаемых пропластков. Поэтому главной проблемой при описании нелинейно-вязких эффектов при закачке жидкости-отклонителя является то, что вязкость гелевого раствора в каждом слое неоднородного пласта

является функцией скорости фильтрации в этом слое, изменяющейся в течение времени закачки, так как для плоско-радиального потока скорость ^=(1/г). Вязкость в этом случае также является функцией радиуса г. Распределение потока в пласте всегда определяется сопротивлением потоку, зависящему от распределения жидкости и профиля проницаемости. Сопротивление меняется в ходе кислотной обработки и закачки отклонителей. При анализе процессов закачки раствора кислоты в призабойную зону можно связать эффективность процесса со структурой высокопроводимых каналов («червоточин»), наблюдаемых в лабораторных экспериментах. Исследования системы «соляная кислота - карбонат» позволили авторам [5] связать явление формирования «червоточин» с числом Дамкелера, определяемым как отношение скорости химической реакции к скорости конвективного переноса. При оптимальных значениях числа Дамкелера образуются отдельные относительно прямые «червоточины», проникающие максимально далеко (при равных объемах закачки) вглубь пласта. Эти «червоточины» обеспечивают максимально возможную гидравлическую

40 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\

\\ № 11 \\ ноябрь \ гою

рис. 2. изображение зон распространения флюидов

связь скважины и пласта. Необходимо отметить, что при закачке раствора кислоты в карбонатный пласт даже при оптимальных числах Дамкелера образуется достаточно большое количество относительно прямых «червоточин», т.е. не происходит формирования единичной «червоточины» большого диаметра. При осредненном описании процессов фильтрации в призабойной зоне скважин движение жидкости по системе достаточно большого ансамбля «червоточин» в дальнейшем будет считаться подчиняющимся закону Дарси.

а. о

-1

■1,2 ■1,4

1 -1,6

X

и

-1,8 -2 -2,2

» V 1

\ \

\\

0 12 3 4

Скорость закачки кислоты, мЗ/мин

2. зона 2 - зона сопротивления или зона отклонителя. Подвижность от-клонителя определяется зависимостью вязкости от скорости сдвига, которая, в свою очередь, является функцией радиуса г. В этой зоне координата г изменяется от размеров зоны растворения г/ до контура гк.

3. зона 3, где действительная вязкость разрушается, - зона распространения каналов растворения с проницаемостью киИ. В этой зоне координата г изменяется от стенки скважины гк до контура растворения г/.

Результирующее давление на забое скважины для 1-го слоя:

ы, 2Й,-

1 . Як 1 Г>,(г), ''I Лг *я % кт гА г г/ВД

1 . г>! ¿г] —1п—+ Г-

*и Ц г/ВД

(3).

При закачке кислоты в пласт после обработки его жидкостью-отклонителем в области фильтрации распространяются три зоны с различной подвижностью флюидов (рис. 2).

опишем эти зоны:

1. зона 1 соответствует жидкости, первоначально насыщающей пласт с начальными значениями проницаемости к0 и вязкости |0. В этой зоне координата г изменяется от размеров зоны сопротивления гк до контура питания 1^к.

рис. 3. расчет оптимального расхода для каждой кислотной стадии

Проницаемость в зоне растворения киИ рассчитывается в процессе численного моделирования закачки в карбонатный пласт раствора соляной кислоты. Математическая модель процесса подробно рассмотрена в работе [5]. Данный подход позволяет оценить эффективность закачки отклонителей и кислотной обработки на текущий момент времени.

технико-экономическая оптимизация дизайна бско

Отличительной особенностью симуля-тора является возможность проведения технологической и экономической оптимизации дизайна БСКО. Технологическая оптимизация дизайна БСКО включает несколько этапов:

• определение оптимальной скорости закачки для каждой кислотной стадии;

• расчет оптимального объема отклонителя относительно объема кислотного состава;

• распределение стадий БСКО относительно общего объема кислотного состава.

При оптимальной скорости закачки реагента образование «червоточин» приводит к эффективной интенсификации, что подтверждается отрицательным скин-фактором [5]. Симуля-тор реализует алгоритм оптимизации скорости закачки кислотного состава для минимизации скин-фактора по скважине с целью получения макси-

ПОВЫШЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ

мального прироста нефти по целевому пропластку (рис. 3). Пунктирной линией на рисунке 3 показан тренд снижения скин-фактора скважины после проведенной БСКО. Имеется возможность использовать результаты оптимизации. При нажатии соответствующей кнопки происходит автоматическое изменение в плане закачки объемов кислоты и скорости закачки. Если при оптимальной скорости закачки забойное давление превосходит давление ГРП, скорость закачки снижается. Программа обеспечивает автоматическую подстройку скорости нагнетания во время закачки.

Анализ результатов мероприятий по БСКО подтверждает факт, что необоснованное увеличение объема от-клонителей снижает эффективность обработок. При закачке жидкости-отклонителя в неоднородный пласт происходят два процесса. Первый - это выравнивание профиля приемистости (его можно численно охарактеризовать коэффициентом квадратичной дисперсии). Второй - снижение общей приемистости. С ростом объема отклонителя дисперсия падает, а приемистость ухудшается, т.е. псевдоскин отклонителя растет. Для определения оптимального соотношения объем от-клонителя/объем кислоты предложен критерий

а=

Sd D„

D '

(4),

Рис. 5. Распределение стадий БСКО

приемистости вязким отклонителем достигается увеличение сообщаемо-сти малопроницаемых слоев пласта со скважиной в процессе кислотной обработки. Оптимальное соотношение объема отклонителя относительно объема кислотного состава определяется по значению атах (рис. 4). Увеличение скорости закачки реагента на каждой последующей стадии предполагает и увеличение объемов закачки кислотного состава У(Кс и, соответственно, объема отклонителя В симу-ляторе объемы последующих стадий рассчитываются по формулам

где Sd - псевдоскин отклонителя, D - дисперсия дебита по пропласткам. Обоснование данного критериия заключается в том, что максимально возможным выравниванием профиля

V KC=V- к *i "i-i

V КС'

"тлах

V .кс

Vd,v=V- ,кс-а

, V, »,_•[ um

(5),

Рис.4. Расчет оптимального объема отклонителя относительно объема кислотного состава

где УтахКс - общий объем кислотного состава, Ут(пКс - объем первой пачки. На рисунке 5 показано распределение объемов закачки по стадиям. При изменении общего объема кислотного состава симулятор автоматически пересчитывает план закачки рабочих жидкостей.

Для определения оптимального дизайна целесообразно использовать также критерии экономической эффективности. В симуляторе оценка экономической эффективности БСКО проводится для заданного объема кислотного реагента. За основной экономический параметр, на основе которого выбирается оптимальный объем реагента для скважины, принят коэффициент

возврата вложенных средств (ROI) [7]. Такой подход позволяет сразу исключить экономически нецелесообразные проекты, значительно уменьшить число входных данных и упростить расчеты, потому что в таком случае необходимо учитывать только условно переменные затраты (затраты,зависящие только от добычи). Для определения ROI необходим прогноз изменения прироста дебита нефти на период эффекта от мероприятия. Прогноз в модели выполняется с помощью трендов на основании статистических данных по месторождению с использованием аналитических функций.

Зависимость для ROI имеет максимум, т.е. существует оптимальный объем кислотного состава, обеспечивающего наибольший экономический эффект (рис. 6).

Рис. 6. Расчет оптимального объема кислотного раствора

42 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\

\\ № 11 \\ ноябрь \ 2010

рис. 7. Корреляционый анализ фактических и расчетных данных а) по дебиту жидкости; б) по приросту дебита нефти

Предложенная оптимизация дизайна БСКО повышает эффективность проектирования за счет сокращения планируемых объемов реагентов, оптимизации плана закачки, снижения технологических рисков. Экономический эффект (NPV) от внедрения симулятора БСКО оценивается в сумме 4 650 000 руб./ скв./г.

проверка достоверности модели

Одним из способов проверки достоверности модельных расчетов является их сравнение с результатами промысловых измерений. Возможности симулятора были протестированы по данным кислотных обработок на 13 скважинах ОАО «Удмуртнефть», проведенных в 2009 году. По результатам сравнения динамики забойного р№ и устьевого руст давлений из условия минимизации функционалов

11=Х(Р,^акт-Ртрасч)2^т1П

1

12=Х(рустлфакт-руст/асч)2^п11п

1*

проводилась калибровка модели. Впоследствии откалиброванная модель использовалась для прогнозных расчетов дебита жидкости и величины дополнительного прироста дебита нефти на исследуемых скважинах. Результаты сравнения расчетных и измеренных дебитов жидкости и приростов дебитов нефти после БСКО представлены на рисунке 7. Коэффициент корреляции расчетных и фактических данных составил более 90%. Приведенные примеры говорят о том, что разработанный симулятор БСКО дает достаточно хорошие результаты. Он может быть использован при проектировании дизайна БСКО при

условии,что параметры коллектора известны с умеренной неопределенностью.

заключение

Для эффективного проектирования БСКО необходимо правильно смоделировать сложные процессы кислотного растворения и распределения рабочих жидкостей в карбонатном коллекторе. С этой целью разработан симулятор БСКО, позволяющий оптимизировать процессы распределения и кислотного отклонения.

Симулятор проектирует предварительный график закачки, обеспечивающий отрицательную величину скин-фактора,количество циклов закачки рабочей жидкости, количество отклонящих стадий, объем закачиваемой жидкости на каждом этапе и т.д. Программный модуль «Симулятор БСКО» является развивающейся системой, возможности которой сопоставимы, а по некоторым возможностям (технико-экономическая оптимизация) превосходят известные коммерческие программные комплексы.

Средства симулятора содержат широкий спектр инструментов, обеспечивающих целостный системный анализ процесса кислотной обработки карбонатов на качественно новом уровне. Дальнейшее внедрение симулятора БСКО на предприятиях ОАО «НК «Роснефть» позволит значительно повысить экономическую эффективность проводимых кислотных обработок карбонатных коллекторов на месторождениях компании.

Литература:

1. Kalfayan L.J., Martin A.N. The Art and Practice of Acid Placement and Diversion: History, Present State and Future // SPE paper 124141. 2009.

2. Glasbergen G., Buijse M. Improved Acid Diversion Design Using a Placement Simulator// SPE paper 102412-MS. 2006.

3. Stalker K., Graham G.M., Wahid F. Simulating chemical placement in complex heterogeneous wells // SPE paper 100631. 2006.

4. Sorbie K.S., Mackay E.J., Collins I.R. Placement using viscosified non-newtonian scale inhibitor slugs: the effect of shear thinning // SPE paper 100520. 2007.

5. Fredd C.N., Fogler H.S. Optimum Conditions for Wormhole Formation in Carbonate Porous Media: Influence of Transport and Reaction // SPE Journal. September 1999, № 3. Р. 196-205.

6. Булгакова Г.Т., Шарифуллин А.Р., Харисов Р.Я. и др. Лабораторные и теоретические исследования матричной кислотной обработки карбонатов // Нефтяное хозяйство. 2010, №5.

7. Economides M.J., Nolte K.G. Reservoir Stimulation. 3-rd Edition. John Willey & Sons, LTD, New York, 2000. Ключевые слова: селективная кислотная обработка, численный симулятор, оптимизация.