Оглавление
ВВЕДЕНИЕ...........................................................4
1. АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ КАРБОНАТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ-ОТКЛОНИТЕЛЕЙ......................................................10
1.1 Моделирование процесса кислотного выщелачивания карбонатной матрицы........................................................11
1.2 Методы химического отклонения для кислотных обработок карбонатов: обзор и история применения.........................26
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ КАРБОНАТНЫХ ПЛАСТОВ СОЛЯНОЙ КИСЛОТОЙ В МАСШТАБЕ КЕРНА.........................36
2.1 Лабораторные испытания......................................38
2.2 Математическая модель кислотной обработки карбонатных кернов 45
2.2.1 Уравнения процесса.......................................45
2.2.2 Обезразмериванис системы уравнений.......................51
2.2.3 Численные расчеты........................................53
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛЯНОКИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ КАРБОНАТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ - ОТКЛОНИТЕЛЕЙ..........................................58
3.1 Моделирование процесса обработки однородных карбонатных коллекторов
соляной кислотой................................................60
3.1.1 Основные уравнения, описывающие взаимодействие кислоты с породой.....................................................62
3.3.2 Решение линеаризованной задачи...........................66
3.3.3 Результаты моделирования.................................74
3.2 Численное решение задачи о закачке кислоты в пласт....•.....79
3.2.1 Обезразмеривание системы уравнений.......................79
3.2.2 Построение численной схемы...............................82
3.2.3 Апробация численной схемы................................83
3.2.4 Расчет эффективности кислотной обработки.................86
3.3 Обобщение модели соляно-кислотной обработки на случай слоистонеоднородного пласта...........................................91
3.3.1 Основные допущения модели................................91
3.3.2 Основные уравнения модели...................................95
4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШЕОБЪЕМНЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ КИСЛОТНЫХ ОБРАБОТОК КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ..........................................................103
4.1 Идеология использования симулятора.............................104
4.1.1 Предотвращение технологических рисков......................104
4.1.2 Эффективность потокоотклонения.............................106
4.1.3 Проблемы определения эффективности кислотной обработки 112
4.2 Направления оптимизации. Основные критерии.....................114
4.3 Этапы оптимизации..............................................115
4.3.1 Оптимизация скорости закачки кислоты.......................115
4.3.2 Оптимизация кислотного состава.............................117
4.3.3 Оптимизация соотношения объемов стадий кислотного
состава (КС).....................................................117
4.3.4 Оптимизация отношения объема отклонителя к объему КС для каждой стадии................................................118
4.4 Экономическая оптимизация дизайна БСКО.........................121
4.5 Проверка достоверности модел и.................................122
Основные результаты работы...........................................127
Литературные источники...............................................127
%
ВВЕДЕНИЕ
В условиях ухудшения структуры запасов основных месторождений нефтяной отрасли, все большее значение приобретает разработка и внедрение новых и высокоэффективных технологических решений извлечения нефти из низкопродуктивных пластов, приуроченных к карбонатным коллекторам. Повышение эффективности кислотных обработок в многопластовых коллекторах достигается применением селективной кислотной обработки скважины, т.е. направленным воздействием кислотных растворов на целевой пропласток. Для большей глубины воздействия на карбонатный коллектор в последнее время широко применяются большеобъемные селективные кислотные обработки (БСКО).
В соответствие с современными требованиями, расчет прогнозных показателей при проектировании БСКО должен базироваться на моделях основных физико-химических процессов с реализацией в виде программного продукта. 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. При проектировании дизайна БСКО необходимо обоснованно рассчитывать скорость закачки реагентов, объем кислотного состава, объем отклонителя, количество циклов закачки рабочей жидкости, количество отклоняющих стадий, объем закачиваемой жидкости на каждом этапе и т.д. для прогноза продуктивности скважины после обработки и оценки ожидаемой прибыли за счет проведения кислотной обработки.
Должным образом спроектированные и осуществленные кислотные
стимуляции позволяют повысить производительность нефтяных и газовых
скважин. Успех этих обработок зависит в значительной степени от
4
\
правильного выбора кислотного состава и оптимального проекта обработки. Это может быть достигнуто только при хорошем понимании фундаментальных принципов кислотной обработки.
Поэтому теоретическое изучение некоторых особенностей движения кислотных растворов и нелинейно-вязких отклонителей и их распределение между разнопроницаемыми пропластками карбонатного коллектора является актуальным направлением, которое поможет точнее прогнозировать оптимальные технологические параметры БСКО.
Разработка программного комплекса, позволяющего автоматизировать процессы планирования большеобъемной селективной кислотной обработки с применением вязких жидкостей-отклонителей также является актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка математической модели процесса кислотного растворения слоисто-неоднородных карбонатных коллекторов с применением отклоняющих нелинейно-вязких жидкостей, изучение параметров, влияющих на улучшение фильтрационно-емкостных свойств коллектора, а так же поиск их оптимальных значений для обеспечения максимальной эффективности БСКО.
Основные задачи исследований:
1. Разработка математической модели процесса кислотного растворения карбонатной породы на основе физико-химического моделирования в масштабе керна.
2. Разработка математической модели кислотной обработки слоисто-неоднородного карбонатного пласта с применением отклонителей на основе нелинейно-вязких жидкостей для прогнозирования конечного распределения объемов закачиваемых реагентов между пропластками.
3. Исследование влияния скорости и объема закачки кислотного реагента, объема отклонителя на степень выравнивания профиля притока и эффективность БСКО; определение оптимальной скорости закачки и
объемов реагентов для каждой стадии обработки; расчет оптимального
5
соотношения объемов отклонителя и кислотного состава. Определение количества отклоняющих стадий, распределение стадий БСКО
4
относительно общего объема кислотного состава.
4. Разработка алгоритмов, позволяющих оптимизировать дизайн кислотных обработок скважин с применением отклонителей на основе нелинейновязких жидкостей и обеспечить максимальную эффективность обработки.
Методы исследования:
Комплексный подход к решению задач, основанный на использовании современных методов физико-химического и математического моделирования. Компьютерные программы, реализующие численные методы решения уравнений математических моделей, созданы на надежных алгоритмах и тщательным образом тестированы путем сравнения с аналитическими решениями и экспериментальными данными.
Научная новизна результатов исследования, выносимых на защиту:
1. Разработана математическая модель процесса кислотного растворения карбонатной породы в масштабе керна с учетом суффозии. По результатам экспериментальных исследований идентифицированы параметры модели.
2. Разработана математическая модель кислотной обработки слоистонеоднородного карбонатного пласта с применением отклонителей на основе нелинейно-вязких жидкостей. Модель учитывает осаждение нерастворимых твердых частиц в поровых каналах. Получены аналитические решения линеаризованной задачи для однородного пласта.
3. Показано, что существует оптимальная скорость закачки кислотного реагента для достижения максимального прироста дебита жидкости при условии максимального выравнивания профиля притока после обработки. Выработаны критерии для определения "оптимального" соотношения объемов кислоты и отклонителя, и методики расчета распределения стадий БСКО относительно общего объема кислотного состава.
4. Разработаны алгоритмы, позволяющие оптимизировать дизайн кислотных обработок скважин с применением вязких жидкостей-отклонителей и обеспечить максимальную эффективность обработки.
Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при проектировании дизайна кислотных обработок карбонатных коллекторов с применением отклонителей на основе нелинейно-вязких жидкостей. Задачи, поставленные в работе, выполнялись в рамках реальных проектных работ в ООО «РН-УфаНИПИнефть». Разработанные математические модели, соответствующие численные алгоритмы заложены в программный модуль «Симулятор БСКО», используемый для проектирования оптимального дизайна БСКО. Программный модуль «Симулятор БСКО» прошел апробацию на месторождениях ОАО «НК «Роснефть» и в настоящее время внедряется в корпоративный программный комплекс «Геология и добыча» («ГиД»).
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием классических подходов к анализу процессов физикохимической и подземной гидродинамики, химических закономерностей взаимодействия карбонатов с соляной кислотой, использованием основных принципов механики многофазных сред. Обоснованность результатов обеспечивается сходимостью и точностью численных схем, сопоставлением тестовых расчетов с аналитическим решением, качественным и количественным совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными и с результатами промысловых измерений. Полученные результаты не противоречат физическому смыслу при закладывании в расчет исходных данных в диапазоне практических величин.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на Всероссийской научной конференции «Мавлютовские
чтения», 2008, 2010гг., Уфа; ХУП-ой Международной конференции
«Математика. Компьютер. Образование», 2010, Дубна; III Кустовой научно-
технической конференции молодых специалистов ОАО «НК «Роснефть»,
7
2010, Самара; научно-практических конференциях «Математическое моделирование и компьютерные технологии в разработке месторождений», 2008, 2010гг., Уфа; V Всероссийской научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия», 2010, Москва; V Межрегиональной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «НК «Роснефть», 2010, Москва; V Всероссийской научно-практической конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа», 2010, Томск; семинарах по НИР в КПТЦ ОАО «НК «Роснефть», 2008-2010 гг. (руководитель д.т.н., проф. Хасанов М.М.)
Основные результаты и выводы, полученные в диссертации
1. По результатам экспериментальных исследований на кернах разработана математическая модель кислотной обработки водонасыщенного карбонатного керна, учитывающая движение взвеси в пористой среде и осаждение твердых частиц в поровых каналах. Математическая модель позволяет проводить вычислительный эксперимент по прогнозу кислотной обработки в масштабе керна, исследуя влияние таких параметров, как скорость нагнетания кислоты, концентрация кислоты, скорость химической реакции. По результатам вычислительного эксперимента определены параметры корреляционной зависимости пористость-проницаемость, учитывающей эффект суффозии.
2. Разработана математическая- модель кислотной обработки слоисто-неоднородного карбонатного пласта с применением отклоняющих нелинейно-вязких жидкостей, отличающаяся учетом суффозии и изменением проницаемости при раскрытии естественных микротрещин в карбонатном коллекторе. Модель позволяет прогнозировать изменение перепада давления па скважине в процессе закачки реагентов, изменение проницаемости целевых пропластков и эффективность кислотной обработки.
8
3. В ходе вычислительного эксперимента установлена возможность получения максимальной эффективности процесса кислотного растворения при оптимальной скорости закачки реагента. Установлено, что кратность прироста дебита жидкости нелинейно зависит от объема кислотного раствора, оптимальный объем которого определяется в ходе экономической оптимизации процесса. Установлена рекуррентная формула расчета объема кислотного раствора каждой стадии кислотной обработки. Предложен критерий определения оптимального соотношения объемов отклонителя и кислотного раствора, при котором достигается максимальное выравнивание профиля притока скважины при максимальной эффективности процесса БСКО. Эффективность применения предложенных критериев оптимизации БСКО была обоснована в результате анализа фактически проведенных мероприятий на месторождениях ОАО Удмуртнефть.
4. Разработан программный комплекс «Симулятор БСКО» для проектирования оптимального дизайна большеобъемных селективных кислотных обработок. В настоящее время программный комплекс успешно проходит апробацию в дочерних предприятиях ОАО «НК «Роснефть».
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных работах, в т.ч. 4 - в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Все результаты, выносимые на защиту, получены лично автором.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д. ф-м. н., проф. Гузель Талгатовне Булгаковой, научному консультанту, к. х. н., Ринату Ямиганнуровичу Харисову, сотрудникам лаборатории фильтрации за помощь и поддержку при выполнении работы.
9
1 АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ
МАТЕМАтаЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ
КАРБОНАТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ-
ОТКЛОНИТЕЛЕЙ
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 се с кислотой. Действие соляной кислоты направлено на растворение ею известняка и доломита, содержащихся в скелете продуктивных коллекторов. Соответствующие химические реакции имеют следующий вид [21]:
СаС03 + 2НС1 = СаС12 + Н20 + С02
CaMg(C03)2 + 4I-IC1 = СаС12 + MgCl2 + 2П20 + 2СО,
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. Для большей глубины воздействия на карбонатный коллектор в последнее время на нефтепромыслах широко применяют так называемые большеобъемные селективные кислотные обработки (БСКО). Обработка ведется при давлении ниже давления гидроразрыва пласта. Селективная кислотная обработка позволяет блокировать наиболее проницаемые слои ПЗП гелеобразующим составом; избирательно воздействовать кислотной композицией на пропластки с наименьшей продуктивностью; более эффективно расходовать кислотную композицию; предотвратить увеличение притока воды в скважину за счет вовлечения в эксплуатацию нефтенасыщенных, ранее не работавших, пропластков; уменьшить неоднородность продуктивного пласта 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, т.е. типы, скорость закачки, объемы реагентов, принято называть дизайном кислотной обработки. При правильном проектировании можно добиться помимо существенного прироста продуктивности еще и выравнивания профиля притока, что уменьшает риски обводнения.
Технология стимуляции карбонатных матриц получила большое развитие в последние 15-20 лет благодаря передовым лабораторным исследованиям, разработкам новых реагентов и математическому моделированию.
1.1 Моделирование процесса кислотного выщелачивания карбонатной матрицы
Одна из главных проблем в прогнозе эффективности обработки карбоната - это широкий диапазон структур растворения, которые могут быть сформированы и их влияние на изменение скин-фактора. Структура канала растворения очень сильно зависит от скорости нагнетания и свойств жидкости и минерала. Основные типы структур растворения:
1. Поверхностное растворение;
2. Конические червоточины, или отдельные высоко проводящие лоровые каналы, в которых расходуется большая часть кислоты;
3. Доминантные червоточины;
4. Разветвленные червоточины;
5. Однородное растворение.
Примеры этих структур растворения показаны на рис. 1.1. Первые четыре рисунка - это нейтронные радиографии структур, сформировавшихся при
11
- Київ+380960830922