УДК 622.692.4

На правах рукописи

Файзуллин Идрис Калимуллович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

ОЧИСТКИ СТВОЛА И ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ

НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2007

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменные процессы и установки»

Казанского Государственного Энергетического Университета - доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Гурьянов Алексей Ильич - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Хисамутдинов Наиль Исмагзамович - кандидат технических наук Эпштейн Аркадий Рувимович - Российский государственный университет

Ведущая организация нефти и газа им. И.М. Губкина 2007 г. в 1000 часов

Защита диссертации состоится 15 ноября на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов»

по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Автореферат разослан 10 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Одним из главных направлений повышения эффективности нефтедобычи является совершенствование технологий нефтеизвлечения, обеспечивающих интенсификацию притока, повышение продуктивности, энерго- и ресурсосбережение при эксплуатации нефтяных месторождений.

Выбор метода воздействия на призабойную зону пласта (ПЗП) осуществляется, в основном, эмпирически, поскольку экспериментальные исследования всегда связаны с большими затратами, вследствие чего не всегда удается выбрать эффективные гидродинамические и тепловые режимы обработки.

Практика проведения капитального ремонта скважины (КРС) показывает, что среди множества методов обработки скважин хорошо зарекомендовал себя способ мягкого, структуросберегающего воздействия на ПЗП путем дренирования скважины низкочастотными и высокочастотными пульсациями.

Созданная при непосредственном участии автора работы пульсационная установка позволяет осуществлять очистку ствола и призабойной зоны в нескольких гидродинамических режимах без смены устьевого оборудования. Способ очистки ствола и призабойной зоны скважины защищен патентом РФ и совместим со многими известными методами повышения нефтеизвлечения (кислотной обработкой, обработкой растворителями, ПАВ, теплообработкой.).

Математическое моделирование гидродинамики, фильтрации, тепломассообмена позволяет, используя системный подход, анализировать динамику изменения расходов и давлений в различных частях системы, определить условия и рассчитать кинетику массообменных и фильтрационных процессов в скважине и пласте, оценить энергетику обработки ПЗП.

Это дает возможность выбора экономически эффективных режимов при компоновке устьевого оборудования и находить новые технические решения в пульсационной технологии очистки ствола скважины и призабойной зоны пласта.

Цель работы - произвести расчеты и анализ процессов очистки ствола и призабойной зоны для различных гидродинамических режимов и схем пульсационного дренирования нефтяных скважин на основе адекватной математической модели и программного комплекса, обеспечивающего ее реализацию.

Основные задачи исследования:

1. исходя из системного подхода, построить математическую модель для расчета гидродинамики, фильтрации, тепло-, массообмена в системе «пульсационная установка – скважина – пласт»;

2. определить основные особенности пульсационной гидродинамики для их использования в различных режимах дренирования при очистке скважины и ПЗП:

– возникновение депрессии в призабойной зоне;

– возникновение частотного процесса в ходе пульсации;

3. произвести анализ использования комплексной технологии очистки скважины и ПЗП в различных режимах пульсационного дренирования с термообработкой.

Методы исследований Для достижения поставленных целей и решения задач используются:

– аналитические методы описания гидродинамических и фильтрационных процессов;

– мобильная установка для создания пульсаций в скважине;

– метод разностных схем решения систем дифференциальных уравнений;

– современная вычислительная техника.

Научная новизна 1. Впервые показана возможность выбора эффективных гидродинамических режимов для очистки ствола и призабойной зоны нефтяной скважины путем моделирования процессов гидродинамики, фильтрации и тепло-, массообмена.

2. Рассчитана и проанализирована динамика изменения давления и расходов для различных гидродинамических режимов и схем дренирования ПЗП, где показаны:

– условия возникновения депрессии в призабойной зоне, подтверждаемые в эксперименте;

– возможность использования частотного колебательного процесса;

– возможность использования высокочастотного индукционного нагревателя и системы эффективных гидродинамических режимов в комплексной технологии очистки скважины и ПЗП пульсационного дренирования.

Практическая ценность работы:

1 выбраны и предложены малозатратные и эффективные режимы очистки ствола и призабойной зоны скважины при структуросберегающем пульсационном дренировании;

2 предложена технология комплексной пульсационной обработки нефтяных скважин.

Положения, выносимые на защиту:

1 математическая модель расчета гидродинамических, фильтрационных, тепломассообменных параметров в различных гидравлических системах пульсационного дренирования скважин и пластов;

2. новые технологические режимы пульсационного дренирования нефтяных скважин:

– режим пульсаций с депрессией в призабойной зоне при дренировании ствола и призабойной зоны;

– режим частотных колебаний в процессе нагнетания давления с пакером.

Достоверность результатов Модель адекватно воспроизводит пульсационный процесс движения жидкости в скважине. Это подтверждается сравнением расчетных значений уровня и давления в ресивере и давления в призабойной зоне с экспериментальными данными, полученными на опытно-промышленной установке.

Многочисленные тестовые расчеты показывают устойчивость и однозначность получаемых решений.

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством доктора технических наук, профессора Гурьянова А.И. В разработке модели и оценке эффективности воздействия принимал участие доцент Прощекальников Д.В. (КГЭУ).

Апробация работы Основные результаты исследований доложены:

– на технических совещаниях в ЗАО «ТАТОЙЛГАЗ», ТНК-ВР (2000гг.);

– на семинарах кафедры «Тепломассообменные процессы и установки» Казанского государственного энергетического университета;

– на семинарах в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и отражены в действующем патенте «Способ и устройство освоения и очистки призабойной зоны скважин импульсным дренированием» // патент RU № 2272902 от 29.09.2004 г., бюл. № 9.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 139 наименований. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан обзор работ по выбору метода воздействия на призабойную зону скважины с целью увеличения притока. Отмечается, что большинство методов очистки призабойной зоны используют силовое воздействие, что приводит к повышению неоднородности коллектора и к существенному снижению дебита. Автором показано, что использование волновых методов воздействия на призабойную зону может решить широкий круг задач. Это – разблокирование зон целиков, декольматация пор и трещин коллектора, интенсификация растворения асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО).

Во второй главе предложена и исследована математическая модель гидродинамики, фильтрации и массообмена при пульсационном дренировании для различных гидравлических систем пульсационной обработки скважин. Одна из таких схем представлена на рисунке 1.

Математическое описание гидродинамики пульсационного движения жидкости содержит систему нестационарных уравнений для всех участков транзитного тракта: насосно-компрессорных труб (НКТ), кольцевого (затрубного) пространства (КП), насосной линии, линии сброса давления.

Насосно-компрессорные трубы Кольцевое (затрубное) пространство (Z 0 < Z < H c ):

Насосная линия:

Линия сброса давления:

Систему (1) – (4) замыкают уравнения материального баланса:

Для фильтрационного потока в пласте Q1 использовано нестационарное уравнение для идеальной скважины:

k – абсолютная проницаемость пласта; r – плотность жидкости; m – динамическая вязкость; c – пьезометрический коэффициент; – толщиh пл на пласта; t – время вывода скважины на стационарный режим; x – коэффициент трения.

Решение уравнений гидродинамики и фильтрации (1) – (7) позволяполучать динамику изменения объемных расходов Q0 (t ), Q1 ( t ), Q 2 ( t ), Q3 ( t ), Qn ( t ) и давлений Pзаб (t ), Pz0 (t ), Pуст (t ) в режиме реального времени. Эти данные являются основой для анализа, последующей модернизации существующей пульсационной установки (рисунок 1), компоновки устьевого оборудования и выявления эффективных режимов обработки ПЗП и скважины. Новые инженерные решения апробируются путем изменения ряда уравнений в соответствии с измененной элементной базой, структурой перфорационных интервалов, геометрическими размерами, характеристиками агрегатов и другими параметрами. Например, в схеме с использованием пакера роль ресивера выполняет воздушная подушка между уровнем жидкости в затрубье и уплотнителем. При этом изменяется уравнение для переменных уровеня жидкости в затрубье hp и давления в ресивере Pp :

Энергопотребление при пульсационной обработке скважины сводится к расчету средней мощности, расходуемой на работу насосного агрегата. Она вычисляется согласно соотношению:

где Pni ( t ), Qni (t ) – переменные давления и расход центробежного насоса на i-ой ступени.

Соотношение (9) используется при определении энергозатрат как части инвестиций I0 при проведении КРС и определении коэффициента чистой существующей прибыли NPVQ при оценке экономической эффективности пульсационной обработки.

В работе показано, что рациональная компоновка скважинного оборудования в значительной мере определяется интенсивностью массообмена в стволе скважины. Для определения положения башмака в первом приближении использована квазистационарная модель массообмена Прандтля, где величина вязкого подслоя определяется медленно меняющейся скоростью ядра потока. В этом случае коэффициент массоотдачи записывается в виде соотношений:

где, С – соответственно толщины гидродинамического и диффузионного