CC BY
329
УДК 553
ОСОБЕННОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕЙСТВУЮЩИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
© Р.А. Валиуллин,
доктор технических наук,
член-корреспондент АН РБ,
заведующий кафедрой,
Башкирский государственный университет,
ООО НПФ «ГеоТЭК»,
ул. Заки Валиди, 32,
450074, г.Уфа. Российская Федерация
эл.почта: [email protected]
© Р.К. Яруллин,
кандидат физико-математических наук, директор,
Инновационный центр «Технопарк БашГУ»,
ул. Заки Валиди, 32,
450074, г. Уфа, Российская Федерация
В статье рассмотрены отличительные особенности действующих горизонтальных скважин, показана необходимость научно обоснованного подхода к выбору технологии проведения работ, комплекса регистрируемых параметров и конструкции скважинных приборов с учетом решаемых задач и геолого-промысловых условий месторождения. Приведены стоимостные оценки специальной аппаратуры и средств доставки ее в горизонтальный ствол скважины. Определена роль физического эксперимента и математического моделирования термогидродинамических процессов на этапе планирования работ на скважинах и интерпретации полевых данных.
Ключевые слова: горизонтальная скважина, геофизические исследования, контроль разработки, гидродинамический стенд, многофазные потоки, скважинная аппаратура
© R.A. Valiullin1, R.K. Iarullin2
PECULIARITIES OF GEOPHYSICAL RESEARCH IN RUNNING HORIZONTAL WELLS
The paper discusses the distinctive features of running horizontal wells and shows the need for a scientifically substantiated approach to technology selection of works, the need for a set of recorded parameters and design of downhole tools based on tasks and field conditions of a deposit. Cost valuation of special equipment and means for its lowering down the horizontal borehole is given. The role of physical experiments and mathematical modelling of thermohydrodynamic processes at the stages of work planning and field data interpretation is described.
Key words: horizontal well, geophysical research, drilling control, hydrodynamic test rig, multiphase flows, downhole tools
1Bashkir State University, ООО GeoTEKH Research and Production Company, ulitsa Zaki Validi, 32, 450074, Ufa, Russian Federation e-mail: [email protected] 2Tekhnopark BashGU Innovation Centre, ulitsa Zaki Validi, 32, 450074, Ufa, Russian Federation
Одним из методов увеличения нефтедобычи, включая и трудноизвлекаемые запасы, являются горизонтальные скважины (ГС), объем бурения, которых, как в России, так и за рубежом, в последние годы значительно вырос. Первая в мире горизонтальная скважина была пробурена в 1957 г. в ПО «Куйбы-шевнефть» под руководством основопложни-ка горизонтального бурения А.М. Григоряна. С появлением ГС и по сей день дискутируется вопрос: «Горизонтальные скважины — это хорошо или плохо?».
В пользу ГС есть и экономические, и
геологические факторы:
• уменьшение числа скважин до 50%;
• увеличение объемов добычи до 5 раз и более;
• соотношение стоимости бурения вертикальной, наклонной и горизонтальной скважин — 1/1.15/1.3, при времени окупаемости — 7/5/2 года соответственно;
• снижение затрат на разработку мелких месторождений;
• возможность реанимировать старые скважины и месторождения;
• большая площадь дренирования и
степень латерального вскрытия пластов;
• возможность разработки пластов малой толщины, сланцев, трещиноватых коллекторов;
• возможность разработки несвязанных блоков;
• снижение депрессии и увеличение времени до прорыва газа/воды.
При этом положительно выглядит и экологическая составляющая. Определяющим моментом в пользу горизонтальных скважин является увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН). Так, по данным специалистов НК «Роснефть», ГС дают увеличение КИН на 9% (по данным Французского института нефти, средний по миру КИН составляет 35%).
Учитывая эффективность горизонтальных скважин при добыче нефти, на практике стали проектировать разработку целых нефтяных месторождений горизонтальными скважинами. В связи с этим возникла необходимость в осуществлении контроля разработки таких месторождений геофизическими методами.
Первые геофизические исследования действующих горизонтальных скважин (ДГС) в РФ были выполнены специалистами треста «Сургутнефтегеофизика» на Федоровском нефтегазовом месторождении в конце 1996 г. На основе обобщения и анализа результатов исследований в 1999 г. в НТВ «Каротажник» вышла первая статья об опыте применения геофизики в действующих горизонтальных скважинах, выводы которой были очень пессимистичными относительно возможностей решения практических задач в таких скважинах [1]. Руководство треста «Сургутнеф-тегеофизика», столкнувшись с трудностями при решении задач, в конце 1998 г. подключило к этим работам специалистов кафедры геофизики Башкирского государственного университета. Проведенный в БашГУ анализ результатов измерений, выполненных специалистами треста, показал, что применение традиционных (разработанных для
вертикальных скважин) подходов к исследованию горизонтальных скважин при их эксплуатации и освоении часто неэффективны в технологическом и информационном плане.
Сложность решения задач в ДГС обусловлена: геологическими особенностями месторождений, различными способами за-канчивания скважин, гравитационным расслоением многофазных потоков в скважине при различных траекториях ствола, необходимостью использования в таких условиях специальной скважинной аппаратуры с распределенными датчиками и выбора средств доставки аппаратуры в горизонтальный ствол, низкими удельными дебитами притекающего флюида. Все это требует специального подхода к методике исследований ГС и интерпретации полевых данных, а такой подход, в свою очередь, должен базироваться на знании физических процессов, происходящих в стволе ДГС, в особенности, при многофазных потоках [2—4].
Для получения представления о физических процессах и особенностях гидродинамики многофазных потоков, а также для обоснования интерпретационных признаков различных геофизических методов в 1998 г. в БашГУ был создан гидродинамический стенд. В настоящее время уникальный и единственный в РФ стенд модернизирован для работы с неизотермическими многофазными потоками и представлен на рис. 1. Характеристики стенда приведены в работе [3].
Гидродинамический стенд обеспечивает физическое моделирование многофазных потоков при произвольно задаваемых параметрах расхода и температуры, характерных для действующих горизонтальных и наклонных скважин. Результаты моделирования используются при разработке методики исследований действующих горизонтальных и наклонных скважин и алгоритмов интерпретации полевых материалов. Помимо изучения физических процессов, гидродинамический стенд сертифицирован в качестве средства измерения и обеспечивает возможность
Рис. 1. Внешний вид гидродинамического стенда
тестирования вновь разрабатываемой и существующей скважинной аппаратуры. Необходимость тестирования скважинной аппаратуры на стенде в условиях многофазного потока очень важна, т.к. эксперименты показали неидентичность реакции скважинного прибора истинным параметрам потока [5]. Это связано с тем, что метрологические параметры прибора задаются исходя из традиционных градуировочных испытаний, выполняемых на однофазном вертикальном потоке, как правило, в воде. Как результат — параметры потока, регистрируемые скважинным прибором, и результаты устьевых замеров продукции кардинально отличаются.
Кроме того, в результате физического моделирования установлено, что в многофазном потоке в горизонтальной части ствола происходит гравитационное расслоение, а определяющим параметром в формировании расслоенного потока является траектория ствола скважины (см. рис. 2). Незначительное изменение угла наклона относительно горизонтали (±0.5 град) приводит к существенному изменению фазосодержания и локальных скоростей по сечению ствола при неизменных расходных параметрах. При этом в расслоенном потоке происходит образование застойных зон на точках перегиба траектории и могут возникать обратные потоки в скважине. Исходя из вышеизложенных особенностей многофазного потока в ГС, становится понятным, что применение существующих приборов с центральным расположением датчиков
не обеспечивает возможности однозначного решения геолого-промысловых задач как в наклонно-направленных, так и в горизонтальных скважинах. Поэтому для геофизических исследований в ДГС должна применяться специальная скважинная аппаратура с распределенными по сечению потока датчиками.
Выбор скважинной аппаратуры для проведения исследований предусматривает предварительную оценку необходимого комплекса регистрируемых параметров и режимов воздействия на скважину для достоверного решения задачи, поставленной заказчиком. При этом важен учет геометрических параметров ствола скважины и конструкции фильтра. Без учета технологии доставки, геолого-промысловых условий месторождения и режимов исследования даже применение продвинутой и дорогой западной аппаратуры
Рис. 2. Типичные траектории горизонтальных стволов на примере нефтяных месторождений РБ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ / ^^
/ 2014, том 19, № 1.....................................................................
не гарантирует однозначного решения поставленных задач. Нередко отдельные практические задачи в ДГС при однофазных потоках могут быть решены традиционной аппаратурой, в особенности в нагнетательных скважинах.
При проведении геофизических исследований ДГС обычно применяется комплексная скважинная аппаратура, включающая методы расходометрии (механическая и термо-кондуктивная), термометрию, барометрию, методы состава (резистивиметрия, влагоме-трия с распределенными датчиками), гамма каротаж, магнитный локатор муфт. В настоящее время в РФ для проведения исследований в ДГС имеется достаточно большой выбор скважинной аппаратуры отечественного производства, например, «АГАТ-КГ-42» (НПФ «Геофизика», г. Уфа); «Сова С-5» (НИИД-50, г. Уфа); «КарСар — Горизонт» («Геофизтех-ника», г. Саратов); КСАТ-ГР («ГЕОТРОН», г. Тюмень); PLT-06 (ТОЭЗГП, г. Тюмень) и др. А также доступна аппаратура зарубежного производства: "SONDEX-MAPS" (SONDEX); FSI, "Flagship" (Schlumberger), "POLARIS" (Baker Atlas).
Ценовая политика на аппаратуру приведена на рис. 3, где за 100% взята цена наиболее продвинутого прибора FSI фирмы Schlumberger [6]. При этом аппаратура FSI не продается на рынке, а используется исключительно Schlumberger при предоставлении сервисных услуг в ДГС.
При решении практических задач в ДГС в качестве дополнительных методов в комплексной аппаратуре могут применяться: акустическая шумометрия в высокодебитных скважинах с газопроявлениями, индукционный каротаж в скважинах с открытым стволом в горизонтальной части, нейтронные методы при контроле за прорывом газа и воды. Необходимость и целесообразность применения дополнительных методов определяется экспертным путем при формировании программы работ на скважине.
Для повышения достоверности резуль-
Рис. 3. Соотношение цен на скважинную аппаратуру
татов промыслово-геофизических исследований (ПГИ) горизонтальных скважин необходимо менять подходы к допуску потоко-метрической скважинной аппаратуры в производство, включив в обязательный перечень мероприятий для вновь разрабатываемых приборов, их тестирование в многофазном потоке на специальных стендах.
Важную роль в обеспечении возможности решения задач в ГС играет правильный выбор средств доставки приборов в горизонтальную часть ствола скважины. В настоящее время геофизическими предприятиями РФ вопрос доставки скважинной аппаратуры на забой ДГС практически решен, и применяются следующие технологические схемы: «гибкая труба» (ГНКТ — "Coiled Tubing"), «забойный трактор», «жесткий кабель» (ЖК), «Латераль». Каждая из этих технологий показала свою эффективность в определенных условиях и имеет ограничение для применения в других, что приведено в таблице.
Например, технология ГНКТ обеспечивает работу в горизонтальных стволах длиной до 1000 м при наличии буферного давления как в открытом столе, так и в обсаженной скважине. Однако данная технология существенно меняет режим работы высокодебит-ных скважин (Q>500 м3/сут.) и не гарантирует прохождение прибора в горизонтальном стволе со сложной траекторией, особенно при наличии парафино-смолистых отложений и пескопроявлении. Применение забойного
Таблица
Эффективность применения технологических схем доставки аппаратуры на забой скважины
Условия применения
Технология L гс Рбф буф Q>500 м3/ сут Слож. траект ГС Н по ство-лу Откр.ствол.
ГНКТ ("Coiled Tubing") <1000м + - / + - < 4 км +
Латераль, «ЖК» <300м - - - < 3 км +
«Трактор» Без огранич. + + + До 10км - / +
Здесь 1_гс — длина горизонтальной части ствола, Рбуф — наличие буферного давления на устье, О — дебит по жидкости, Н — общая длина ствола, (+) — применима, (-) — непригодна, (-/+) — применима с ограничениями
трактора не имеет таких ограничении, но для выполнения работ в обсаженном и необса-женном ГС требуются различные конструкции движителей трактора.
В связи с этим при планировании работ в действующих горизонтальных скважинах необходимо провести экспертную оценку применимости того или иного средства доставки, что позволит не только повысить эффективность исследований, но в отдельных случаях и снизить их стоимость. Для примера на рис. 4 приведена ориентировочная стоимость работ с применением различных технологий, где за 100% принята стоимость технологии ГНКТ.
Основными задачами, которые необходимо решать в процессе разработки в ДГС, являются: определение работающих интервалов и оценка их фазового состава, интервалов прорыва воды и газа, интервалов приема воды в нагнетательных скважинах, наличие заколонных перетоков сверху и др. Для успешного решения этих задач необходимо соблюдать режимы исследований скважин, которые определяются промыслово-геологическими условиями месторождения и категориями скважин. Добывающие исследуются на притоке, нагнетательные — под закачкой. Однако квазистационарный режим притока/закачки может дать информацию только об интервале поступления флюида в ствол скважины или ухода в заколонное
Рис. 4. Ориентировочное соотношение цен на применение различных технологий
пространство, а не о распределении потоков в пласте. Наиболее информативными являются нестационарные режимы исследования (см. рис. 5). При этом методика исследований должна учитывать дебиты и приемистость скважин, величину обводненности продукции и значение пластовых давлений. В отдельных случаях с целью повышения информативности исследований в добывающих горизонтальных скважинах с обводненной продукцией практикуется совмещение ограниченной закачки с последующим вызовом притока. Такой подход обеспечивает повышение достоверности результатов промыслово-геофизических исследований и нередко сокращает время исследований и их стоимость [7].
Информацию в горизонтальных
Рис. 5. Представление результатов комплексных геофизических исследований действующей горизонтальной скважины с применением специализированной скважинной аппаратуры с распределенными датчиками состава
скважинах можно получать различными способами. Наряду с традиционным подходом к исследованиям действующих горизонтальных скважин, основанных на использовании дистанционной или автономной аппаратуры в режиме протяжки по стволу, с применением существующих средств доставки, на практике в РФ применяются и технологии исследования ГС при эксплуатации скважин УЭЦН. Здесь различают два способа: затрубный способ — прибор спускается в скважину на кабеле вместе с насосом, и прибор может перемещаться в интервале от забоя до подвеса насоса; бай-пасный способ, когда малогабаритный УЭЦН смещен от оси скважины, и прибор проходит
мимо насоса через сальниковое устройство. Такая технология обеспечивает вывод скважины на рабочий режим с применением УЭЦН, когда забойное давление и дебит скважины в ходе промыслово-геофизических исследований близки к рабочему режиму. К недостаткам такой технологии ПГИ можно отнести необходимость применения специального подземного оборудования и ремонтной бригады для выполнения спуско-подъемных работ.
Кроме этого, при исследовании ДГС применяются технологии с распределенными вдоль ствола скважины датчиками. К ним относятся многодатчиковые технологии: обычно датчики давления и
температуры, расположенные в специальных контейнерах на фиксированных расстояниях друг от друга, и технологии, основанные на использовании волоконно-оптических линий связи в качестве непрерывного распределенного датчика температуры, совмещенного с локальными датчиками давления [8]. В том и другом случаях проводится непрерывный мониторинг измеряемых параметров по всей длине ГС при смене режима работы скважины. Технология позволяет получать «мгновенную» картину температурного поля в ГС, не внося искажения за счет движения прибора и средства доставки. К сожалению, информативность таких технологий ограничена малым числом измеряемых параметров.
При интерпретации полевых данных, полученных в ходе ПГИ, должны учитываться результаты геофизических исследований
открытого ствола и конструкция горизонтального участка скважины. При необходимости результаты исследований сопоставляются с теоретическими кривыми на основе математического моделирования термогидродинамических процессов в системе скважина-пласт и данных физического моделирования на гидродинамическом стенде.
Кафедра геофизики Башкирского государственного университета и НПФ «ГеоТЭК» накопили значительный опыт плодотворного сотрудничества с нефтедобывающими и геофизическими предприятиями в области методического сопровождения промыслово-геофизических исследований действующих горизонтальных скважин в различных геолого-промысловых условиях. Результаты работ отражены в публикациях, а также представлены в виде регламентных и методических документов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глебочева Н.К. Промыслово-геофизические исследования в действующих горизонтальных скважинах ОАО «Сургутнефтегаз». Первый опыт и проблемы // Каротажник. 1999. № 58. С. 80—88.
2. Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф. Федотов В.Я. и др. Исследование многофазных потоков в горизонтальных скважинах // Нефтяное хозяйство. М. 2002. № 12. С. 55—56.
3. SPE 136272 Валиуллин Р., Яруллин Р., Яруллин А., Башгосуниверситет; Шако В., SPE, Паршин А., SPE, Schlumberger / Разработка критериев выделения работающих интервалов в низкодебитных горизонтальных скважинах на основе физического эксперимента и скважинных исследований // Российская техническая нефтегазовая конференция и выставка SPE по разведке и добыче 2010 г. Октябрьский. 2010. М., ВВЦ.
4. Falcone G., Teodoriu C., Reinicke K.M., Bello
O.O. Multiphase-Flow Modeling Based on Experimental Testing: An Overview of Research Facilities Worldwide and the Need for Future Developments / SPE Projects, Facilities & Construction, 2008, vol. 3, no. 3. Sept. pp. 1 — 10.
5. Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Яруллин А.Р. Тестирование скважинной аппаратуры на стенде — как обязательный элемент испытания при разработке и передаче её в производство // Нефтегазовое дело: эл. науч. журнал. 2012. №3.
6. Baldauff J., Runge N., Cadenhead J., Faur M., Marcus R., Mas C., North R., Oddie G. Profiling and Quantifying Complex Multiphase Flow / Oilfield Review, 2004, vol. 16, autumn, pp. 4—13.
7. Валиуллин Р.А., Яруллин Р.К., Лукьянов Ю.В. и др. Опыт исследования низкодебитных горизонтальных скважин на месторождениях ОАО «АНК «Баш-нефть» // Нефтяное хозяйство. 2007. № 4.
8. Brown G. «Downhole Temperatures from Optical Fiber» // Oilfield Review. 2008/2009, winter, no. 4, Р.20.
REFERENCES 1. Glebocheva N.K. Promyslovo-geofizicheskie issle-
dovaniia v deistvuiushchikh gorizontal'nykh skvazhinakh OAO
