Обзор ограничения
режимов работы скважин
Ялаев А.В., Исламов Р.Р.,
Муслимов Б.Ш., Кулеш В.А.


ООО «РН-БашНИПИнефть»

При разработке водонефтяных и газоводонефтяных зон нефтяных оторочек залежей и месторождений в силу различных причин со временем добыча попутного нецелевого флюида в виде воды или газа начинает преобладать в общем потоке продукции, что ведет к снижению добычи нефти и вызывает необходимость уменьшения отбора/закачки ограничением режимов работы как добывающих, так и нагнетательных скважин.
Поиск оптимального режима эксплуатации скважин является важной задачей минимизации добычи нецелевого флюида и, как следствие, достижения наибольшей нефтеотдачи пласта.
Введение
Одной из проблем разработки нефтяных оторочек являются прорывы конусов воды и газа к нефтяным скважинам. Под термином «нефтяная оторочка» будем подразумевать относительно тонкий слой нефти между газовой шапкой и водоносным горизонтом. Прорывы газа ведут к быстрому снижению пластового давления, перемещению нефти в газовую шапку, что существенно приводит к снижению проектного коэффициента извлечения нефти (КИН) и экономической эффективности. По этой причине долгое время разработка тонких нефтяных оторочек являлась экономически нерентабельной [1–3]. Так, например, в работе [1] указано, что для нефтенасыщенных толщин менее 20 м пласта НП4 Новопортовского месторождения разработка на безводном и безгазовом режиме является экономически невыгодной.
Тем не менее, текущее развитие науки и технологий, а также выработка залежей нефти с более простым строением подталкивают искать рентабельные способы разработки нефтяных оторочек с относительно малыми толщинами.
Для реализации выработки запасов нефти без образования конусов газа и воды необходимо определять предельные дебиты, а также соответствующие им предельные депрессии. Вопрос определения предельных критических дебитов решался многими авторами [4–9]. Но проблема с выбором безводной и безгазовой депрессии состоит в том, что при этом дебит добывающих скважин зачастую настолько мал, что добыча нефти может быть экономически невыгодна. Кроме того, малые депрессии не позволяют вовлечь в разработку низкопроницаемые зоны, что также способствует уменьшению конечного КИН.
Кроме того, важно оптимизировать расположение горизонтального ствола скважины в нефтяной оторочке, которое меняется в различных условиях [10].
В связи с этим возникает необходимость ограничения газопритока и водопритока к скважине. Существуют различные методы ограничения влияния газовой шапки на нефтяную оторочку: создание всевозможных барьеров на уровне газонефтяного контакта, разработка на предельных безгазовых депрессиях, а также использование многозабойных горизонтальных скважин (МЗГС) с устройствами контроля притока (УКП).
Тема создания барьеров на уровне газонефтяного контакта, имеющая свои достоинства и недостатки [11, 12], достаточно обширна, и в текущей работе не будет рассмотрена.
В данной работе сделан акцент на методах борьбы с прорывами воды и газа за счет ограничения режимов работы скважины:
  • работа скважин на предельных дебитах (депрессиях);
  • периодическая эксплуатация скважин;
  • использование УКП.
В этом аспекте интерес представляет такое управление режимами работы скважин, при котором возможно предотвращение или снижение интенсивности образования конусов воды и газа.
Объект исследования и литературный обзор
Известно достаточно много вариантов эксплуатации скважин, среди которых периодическая добыча, регулируемая добыча для поддержания заданного газового фактора (ГФ), регулируемая добыча с ограничением по дебиту жидкости.
При разработке нефтяных оторочек с газовыми шапками чрезмерное наличие свободного газа в пласте приводит к явлению прорыва газа. Результатом прорыва газа является резкий рост значения ГФ. Газовый фактор является важной эксплуатационной характеристикой в процессе разработки месторождения, требующей контроля и мониторинга. При этом резкое увеличение ГФ — это лишь последствие прорыва свободного газа к скважине, ему предшествует образование конуса газа и его продвижение к перфорациям скважины. Все вышеописанное справедливо и для образования водяного конуса, в данном случае проявлением прорыва воды является резкое увеличение обводненности скважины.
Конус, представляющий собой локальное искривление газонефтяного контакта (ГНК) или водонефтяного контакта (ВНК), распространяется к зоне перфорации скважины. Когда конус достигает зоны перфорации, происходит прорыв воды и газа, после чего резко повышается газовый фактор и (или) обводненность скважины (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования конуса воды и газа в горизонтальной скважине

Образование и продвижение конуса к скважине происходит в том случае, если градиент давления, вызванный отбором флюида в скважине, удовлетворяет неравенству:
где W =(Pн — ρнgh) — давление, приведенное к уровню ГНК, Па, Pн — давление в нефтяной фазе, Па, ρн и ρг и — плотность нефти и газа, соответственно, кг/м3, g ≈ 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения, h — расстояние от точки, в которой вычисляют градиент давления, до ГНК, м, z — вертикальная ось, вдоль которой рассчитывают градиент давления [13].
Значение дебита жидкости при максимальном градиенте давления, при котором конус воды или газа не достигает зоны перфорации, принято называть критическим. Определение критических значений дебита стало целым направлением изучения конусообразования воды и газа. Идея состояла в том, что, зная критическое значение дебита жидкости, можно регулировать режимы работы скважины с целью предупреждения прорывов воды и газа.
Основополагающей работой, посвященной исследованию конусообразования, является публикация М. Muskat, R.D. Wycokoff [13], где рассмотрены условия устойчивости конуса. В работе H.I. Meyer, A.O. Garder [5] получены аналитические формулы для расчета критического безводного и безгазового дебита нефти для вертикальных скважин. G.L. Chierici и G.M. Ciucci [6] получили формулы для расчета критического безводного и безгазового дебита нефти для вертикальных скважин (ВС) при помощи потенциометрической модели. F.M. Giger и B.J. Karcher [7] получили аналитические формулы для расчета критического безводного и безгазового дебита нефти для горизонтальных скважин (ГС). S.D. Joshi [8] получил аналитические формулы для расчета критического безводного и безгазового дебита нефти для ГС и ВС. В полученных формулах не учитывается влияние анизотропии. В работе I. Chaperon [9] получены простые уравнения для расчета критического дебита нефти горизонтальных и вертикальных скважин в анизотропных пластах.
W. Yang и R.A. Wattenberger [14] получили формулы для расчета времени прорыва конуса воды в ГС и ВС. В методике предполагается равномерный подъем контактов. Проведен сравнительный расчет по разработанной корреляции с результатом расчета в гидродинамическом симуляторе и по методике P. Papatzacos [15]. В работе D.G. Hatzignatiou, F. Mohamed [16] получены корреляции для расчета времени прорыва конуса воды или газа на основе 2D и 3D гидродинамических моделей (ГДМ) для ВС и ГС, соответственно. В работе R. Recham [17] просчитаны эмпирические зависимости для расчета времени прорыва конуса газа и оптимального дебита нефти скважины не только с точки зрения конусообразования, но и из экономических соображений.
В работах O. Espinola, J.D. Guzman [18] и J. Alvarez [19] разрабатывается модуль секторного моделирования для определения значений критического дебита нефти и времени прорыва конуса.
На практике рассчитанные значения критических дебитов нефти достаточно низки и зачастую экономически нецелесообразны, из-за чего скважины эксплуатируются с повышенными значениями газового фактора. Кроме того, стоит отметить, что работа на малых депрессиях не позволяет включить в процесс дренирования низкопроницаемые нефтенасыщенные интервалы, вследствие чего происходит падение КИН. Поэтому существует интервал оптимальной величины депрессии, позволяющий продлить период безводных и безгазовых дебитов, и совместно с этим не допустить снижения плановых значений КИН.
Поэтому задача состоит в выборе таких средств ограничения режимов работы скважин, чтобы ГФ не увеличивался до таких значений, при которых эксплуатация невозможна по техническим ограничениям и (или) при которых происходит ухудшение энергетического состояния пласта, ведущее к снижению КИН.
С целью проведения анализа влияния ограничения по целевому дебиту жидкости на газовый фактор и обводненность произведено моделирование конусообразования. Для определения критического дебита графическим способом произведем перебор ограничения по целевому дебиту жидкости от 3 до 200 м3/сут. На рисунке 2 представлены результаты расчетов синтетической секторной модели для условий месторождения Y при различных значениях ограничения по дебиту жидкости. Некоторые параметры геолого-физических характеристик (ГФХ) пласта представлены в таблице 1.
Рис. 2. Динамика ГФ, обводненности и депрессии в зависимости от принятого ограничения по предельному дебиту жидкости

Табл. 1. ГФХ пласта

Индикатором прорыва газа будет являться резкое увеличение ГФ при относительно небольшом увеличении накопленной добычи нефти. Максимальное значение целевого дебита жидкости, при котором еще не происходит резкое увеличение газового фактора, и будет являться критическим значением. Конкретного значения газового фактора, при котором можно говорить о прорыве газа, в общем случае не существует. В данном случае оно было определено по качественному изменению вида графика газового фактора. Видно, что при ограничении по дебиту в 20 м3/сут и ниже не отмечается резкого скачкообразного роста газового фактора, а значение максимального газового фактора снижается на порядок.
На результат моделирования конусообразования значительно влияет размер ячейки по латерали. Поэтому для исключения влияния размера ячейки на результат проведен анализ чувствительности модели к размеру ячейки. Целевая функция — дебит нефти. По результатам анализа чувствительности выявлено, что при размере ячейки dx = dy = 10 м и ниже изменения в профиле добычи нефти составляют менее 4 %.
Для анализа ограничения режимов работы скважин в газонефтеводяной зоне провели секторное гидродинамическое моделирование подгазовых зон.
По полученным графикам следует, что в случае ограничения предельного дебита жидкости не более 20 м3/сут, что соответствует депрессии не более 0,015 МПа, возможна длительная эксплуатация без прорыва газа (отбор 80 тыс. м3 нефти происходит без прорыва газа). При этом оценка предельного безгазового дебита по Chaperon — 19,4 м3/сут, что соответствует депрессии 0,015 МПа (табл. 1).
Таким образом, для текущих исходных данных получили соответствие предельного безгазового дебита на основе аналитического расчета по Chaperon и расчета на основе ГДМ. При таком предельном безгазовом дебите газовый фактор составил не более 2 000 м33.
При росте дебита жидкости от 20 до 50 м3/сут (депрессия от 0,015 до 0,12 МПа) происходит ускорение прорыва конуса газа, т.е. уменьшение накопленного отбора жидкости на момент прорыва. При этом происходит увеличение величины ГФ после прорыва газа и сокращение длительности работы до прорыва. Прорыв газа, ввиду его высокой подвижности, приводит к резкому изменению состояния системы — газ быстро извлекается из газовой шапки, за счет чего снижается давление, в газовую шапку устремляется нефть из оторочки и закачиваемая вода для поддержания пластового давления (ППД). По этой причине после длительной разработки с прорывом газа систему невозможно вернуть в прежнее состояние: защемление нефти, проникшей в газовую шапку, приводит к снижению КИН и безвозвратным потерям извлекаемых запасов нефти.
При ограничении по дебиту жидкости выше 50 м3/сут (депрессия выше 0,12 МПа) прорыв газа с последующим обводнением за счет прихода фронта нагнетаемой воды происходит меньше чем за 2 года.
Ввиду того, что добыча нефти в случае работы скважин на предельных безгазовых дебитах зачастую экономически нерентабельна, следует, что выбор режима работы скважины рекомендуется производить на основе многовариантных технико-экономических расчетов.
На практике значение предельных безгазовых дебитов зачастую нужно лишь для оценки времени работы скважины без прорыва и возможности выбора такого дебита, при котором ГФ будет не выше тех значений, при которых возможна работа электроцентробежных насосов (ЭЦН).
Другие методы ограничения газопритока и водопритока к скважине
Следующий проверенный метод снижения газового фактора скважин — это периодическая эксплуатация скважин. Использование периодической эксплуатации скважин для предотвращения прорывов газа — довольно действенный метод, однако на практике скважины останавливают уже после прорыва газа, когда ГФ скважины достигает высоких, неприемлемых для разработки значений. На рисунке 3 показан пример периодической эксплуатации скважин на месторождении X.
Рис. 3. Значения ГФ при периодической эксплуатации

В работе [20] исследуется вопрос периодической эксплуатации газовых скважин. В статье [21] приводится пример перевода скважины с высоким ГФ на автоматическую периодическую эксплуатацию. В этих и других работах по периодической эксплуатации скважин исследуются такие вопросы как:
  • какова оптимальная длительность работы и остановки, от каких факторов это зависит;
  • что эффективнее — остановка скважины или снижение депрессии.
Следующий вариант ограничения — это регулируемая эксплуатация скважин. Существует несколько способов регулирования работы скважин с ЭЦН, но мы выделим только те, которые интересны с точки зрения контроля конусов воды и газа:
  • ограничение дебита по расчетному газожидкостному фактору на приеме насоса [22; 23];
  • управление устьевым штуцером с помощью системы автоматического управления [24–27].
Интересным представляется вариант ограничения режимов работы скважины, описанный E.D. Nennie, S.V. Savenko и др. в работе [25]. Сравниваются периодическая и регулируемая эксплуатация нефтяной оторочки с высокой проницаемостью коллектора в 0,212 мкм2. При периодической эксплуатации скважина работает до тех пор, пока дебит газа не достигнет заданного значения, затем скважину останавливают на некоторое количество суток и далее запускают снова. Регулирование предлагается с помощью специального устьевого штуцера с возможностью автоматического ограничения дебита газа по заданному максимальному значению. Регулируемая эксплуатация предполагает ограничение по дебиту газа без остановок скважины с полностью автоматическим управлением — режимом работы без участия человека. Показано, что накопленные показатели нефти в случае регулируемой добычи существенно выше таковых в случае периодической эксплуатации. Кроме вопроса об экономической целесообразности используемых методов, возникают вопросы, связанные с подбором параметров для автоматического регулирования дебита на устьевом штуцере.
Например, в работе [24] описаны проблемы настройки пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора (ПИД-регулятор). ПИД-регулятор — это специальное устройство для осуществления управления устьевым штуцером, а также поинтервального контроля притока ICV (Interval Control Valve — управляющий интервальный клапан). В работе сравниваются варианты ограничения скважины на устье и ограничения с помощью клапанов поинтервального контроля притока ICV. Принципиальное допущение в статье состоит в том, что доля газа в газожидкостном потоке может быть измерена как на клапане поинтервального контроля притока, так и на устьевом штуцере. На данный момент развития технологий доля газа в общем потоке не может быть замерена на входе в ICV (на забое скважины), поэтому статья носит исключительно теоретический характер. Показано, что ограничение работы скважины с помощью нескольких ICV гораздо более гибко ограничивает дебит газа. Но в силу высокой стоимости и сложности оборудования поинтервального клапана на данный момент использование таких устройств ограничения режимов работы скважины может быть экономически оправдано только лишь в каких-то конкретных случаях, поэтому общая рекомендация видится следующей — использовать клапаны поинтервального контроля притока, если это экономически рентабельно, если нет, то использовать другие методы. Кроме того, для использования ICV имеется ограничение в используемом количестве на одном стволе — не более 5, что также необходимо учитывать.
Ограничение режимов работы скважины с помощью управления устьевым штуцером создает дополнительные нагрузки на глубинную установку, что может привести к снижению эффективности работы и нерациональному расходу электроэнергии, а также преждевременному выходу из строя ЭЦН.
Подбор оптимального режима работы скважины и периодическая эксплуатация одновременно уменьшают как ГФ, так и обводненность. Но на практике иногда с одним из этих осложнений можно смириться: например, если на месторождении используется обратная закачка газа, то приоритетной является борьба с высокой обводненностью скважины. В этом случае возможно размещение зон перфораций ближе к ГНК. Если же использование попутного нефтяного газа весьма ограничено, то приходится балансировать. На практике выбор приоритетного осложнения и способов борьбы с ним весьма индивидуален и может зависеть от многих параметров залежи, причем инфраструктурные ограничения могут иметь весьма большое значение.
Все вышеперечисленные методы борьбы с прорывами газа и воды не являются универсальными, поэтому при выборе конкретного метода необходимо учитывать как геолого-физические характеристики нефтегазовой залежи, так и инфраструктурные ограничения.
Таким универсальным средством могло бы стать устройство контроля притока. УКП — это устройства заканчивания горизонтальных скважин, предназначенные для выравнивания профиля притока к скважине, а также ограничения притока нежелательной фазы. Различают пассивные устройства контроля притока, которые предназначены для выравнивания притока в скважину и предотвращения раннего прорыва воды и газа, и автономные УКП, которые позволяют ограничить приток нежелательной фазы (газа или воды) в каждый из интервалов скважины. Так как пассивные устройства контроля притока ограничивают приток к скважине с начала разработки, уменьшая при этом начальные дебиты, то их широкое применение целесообразно и экономически выгодно в основном в высокопроницаемых залежах. Кроме того, после прорыва воды или газа пассивные УКП продолжают пропускать воду или газ, ограничивая при этом приток нефти из других секций скважины. Автономные УКП (АУКП), в отличие от пассивных, способны полностью перекрывать секции скважины, где произошел прорыв воды или газа. Одной из первых автономные УКП (AICD) разработала компания StatOil в 2006 г., автономные клапаны (AICV) изобретены компанией InflowControl в 2011 г.
АУКП успешно применяются, и их эффективность достаточно высока для высоковязких нефтей [28], а также для нефти с низкими значениями вязкости [29]. Существует методология оптимального проектирования заканчивания скважин с УКП в терригенных коллекторах [30–34]. В трещиноватых карбонатных коллекторах ситуация иная из-за сложности достоверного определения проводимости трещин и, как следствие, неопределенности в характере и интенсивности притока по горизонтальному стволу скважины [35].
Кроме того, необходимо отметить условия, когда применение УКП неэффективно:
  • в случае сопоставимых значений вязкости воды и нефти (не позволяет отсекать добычу воды);
  • в случае однородного коллектора.
На основе проведенного обзора показана эволюция подходов к ограничению режимов работы скважин для борьбы с прорывами воды и газа (рис. 4).
Рис. 4. Изменение тенденций по ограничению режимов работы скважин для борьбы с прорывами воды и газа

Выделим ключевые моменты по каждому этапу:

1. Выбор оптимального безводного и безгазового дебитов на основе различных корреляций:
  • с 1930-х годов появляются простые аналитические формулы для расчета критических безводных и безгазовых дебитов для ВС [5–8, 36];
  • с конца 1980-x появляются аналитические корреляции для расчета критических безводных и безгазовых дебитов для ГС [14, 16, 17, 39];
  • рассчитанные критические дебиты часто настолько низки, что для достижения экономически приемлемого уровня добычи скважины эксплуатируются с дебитами, значительно превышающими рассчитанный критический дебит;
  • расчеты служат главным образом для того, чтобы получить оценку порядка величины критических дебитов жидкости и выявить чувствительность поведения скважины при конусообразовании к изменению параметров.
2. Периодическая эксплуатация скважин:
  • распространенный способ ограничения ввиду простоты использования оборудования. Технология известна с 1930-х и используется по сегодняшнее время;
  • наиболее широкое распространение периодическая эксплуатация получила для малодебитных нефтяных скважин. Но длительная (до нескольких месяцев) остановка может применяться и для расформирования конуса после прорыва (для снижения ГФ);
  • нестационарное заводнение используется для вовлечения в зону дренирования низкопроницаемых коллекторов. При таком способе заводнения создается градиент давления между высоко- и низкопроницаемыми пропластками, что способствует притоку воды в зоны с низкими фильтрационно-емкостными свойствами и подключает их к активной разработке [37, 38];
  • по тематике выбора оптимального режима эксплуатации скважины c целью недопущения возникновения прорывов воды встречаются публикации [21, 40], но их небольшое количество.
3. Адаптивная регулируемая эксплуатация скважин с помощью системы автоматического управления:
  • широкое применение системы автоматического управления в нефтегазовой промышленности с начала XXI века;
  • перспективная технология регулирования режимов работы скважин сопряжена со сложностью используемого оборудования;
  • существуют проблемы с подбором параметров системы автоматического управления [24–27, 41];
  • может рассматриваться как альтернатива периодической эксплуатации скважин и как дополнение.
4. Автономное устройство контроля притока (АУКП):
  • широкое применение АУКП с начала XXI века;
  • является эффективным средством по выравниванию профиля притока к скважине, а также ограничения нежелательных флюидов [30, 42];
  • дороже других видов ограничения, таких как пассивные УКП и периодическая эксплуатация скважин.
Ялаев А.В., Исламов Р.Р., Муслимов Б.Ш., Кулеш В.А.

ООО «РН-БашНИПИнефть» (ОГ ПАО «НК «Роснефть»), Уфа, Россия

yalaevav@bnipi.rosneft.ru
Рассмотрен опыт применения различных вариантов борьбы с конусообразованием воды и газа: ограничение режимов работы скважины, в том числе периодическая эксплуатация, а также автономные устройства контроля притока.
оптимальный режим работы скважины, предотвращение конусообразования, критический дебит нефти, методы снижения газового фактора, устройства контроля притока, нефтяная оторочка
Ялаев А.В., Исламов Р.Р., Муслимов Б.Ш., Кулеш В.А. Обзор мирового опыта ограничения режимов работы скважин в контексте борьбы с прорывами воды и газа в подгазовых зонах // Экспозиция Нефть Газ. 2024. № 2. С. 24–31. DOI: 10.24412/2076-6785-2024-2-24-31
21.03.2024
УДК 622.276
DOI: 10.24412/2076-6785-2024-2-24-31

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88