Разработка технологии и методов регулирования хранения попутного газа в пластах-коллекторах временных подземных хранилищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Разработка технологии и методов регулирования хранения попутного газа в пластах-коллекторах временных подземных хранилищ

Исаева Наталья Александровна

Москва - 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы, по официальным данным, уровень использования попутного газа в большинстве работающих на территории России нефтяных компаний не превышает 70-75%. Наибольшие сложности его использования возникают в отдалённых малоосвоенных регионах конденсато- и нефтедобычи, в которых отсутствует газотранспортная система для поставок газа внешним потребителям. Перспективным направлением решения задачи доведения уровня использования попутного газа не менее 95%, особенно на начальных этапах разработки нефтегазоконденсатных месторождений, является закачка, хранение и накопление в течение нескольких лет излишков попутного газа в пластах-коллекторах врйменных подземных хранилищ (ВПХГ). Сооружение ВПХГ позволяет своевременно вводить в разработку нефтегазоконденсатные месторождения, избегая сжигания на факельных установках и сохраняя значительные объёмы попутного газа растворенного в нефти и прорывающегося из газовых шапок месторождений. Накопленные объёмы попутного газа на ВПХГ в дальнейшем могут быть использованы для поставок внешним потребителям, на собственные нужды промыслов или для газового воздействия на нефтяные пласты.

Режим многолетней закачки, сложные геологические условия ограниченного количества возможных объектов хранения, особенности состава и физико-химических свойств попутного газа обуславливают газогидродинамические риски и возникновение специфических задач при сооружении и эксплуатации ВПХГ. Существующая технология подземного хранения природного газа в пластах-коллекторах не позволяет в полной мере решать эти задачи. Это предопределяет актуальность научного обоснования и необходимость разработки технологии и методов регулирования хранения попутного газа в пластах-коллекторах ВПХГ.

Целью работы является разработка технологии и методов регулирования многолетней закачки и хранения излишков попутного газа в пластах-коллекторах врйменных подземных хранилищ, сооружаемых в газовых, газоконденсатных залежах и газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений, водоносных горизонтах, для обеспечения безопасности и повышения эффективности их сооружения, эксплуатации и надёжности функционирования.

Обоснована возможность многолетней закачки и хранения попутного газа в газовых шапках разрабатываемых нефтегазоконденсатных месторождений без практически значимого увеличения газового фактора добываемой продукции на начальных этапах разработки за счёт выбора проектного расположения горизонтальных газонагнетательных, нефтедобывающих и водонагнетательных скважин по площади и по разрезу пласта. Разработан метод расчёта давления на газонефтяном контакте при закачке попутного газа, позволяющий выбирать проектное положение горизонтального ствола газонагнетательной скважины по высоте газовой шапки.

Результаты проведённых исследований показали, что расчётные значения максимально допустимого давления нагнетания газа в объект хранения с использованием традиционного подхода, основанного на решении задачи «оценки прочности геологических структур» Ю.П. Желтовым, получаются завышенными. Разработан метод расчёта максимально допустимого давления на основе модели E.R. Simonson применительно к геологическим объектам хранения, представленным разными парами литотипов горных пород, позволяющий получать значения, адекватные данным мирового опыта проведения гидроразрыва пласта. Установлено, что темпы и объёмы закачки газа в объекты хранения ограничиваются не максимально допустимым пластовым давлением из условий герметичности покрышки, а максимально допустимым забойным давлением, которое зависит от пластового давления.

Разработаны методы регулирования закачки и хранения попутного газа в неразрабатываемых газовых, газоконденсатных залежах и газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений. Предложенные методы заключаются в площадном и селективном по разрезу пласта распределении темпов и объёмов закачки, регулировании забойного давления в газонагнетательных скважинах, снижении репрессии на пласт путём интенсификации оттока от скважин. Внедрение этих методов позволяет обеспечить необходимые темпы и объёмы закачки, повысить надёжность хранения газа путём снижения газогидродинамических рисков, связанных с уходом газа за пределы ловушки, расформированием нефтяной части залежи, нарушением герметичности покрышки.

На базе исследований темпов ввода в разработку и проектного уровня добычи нефти на нефтегазоконденсатных месторождениях, расположенных в отдалённых малоосвоенных регионах, обосновано, что учёт технико-экономических показателей сооружения врйменных подземных хранилищ попутного газа в комплексных проектах разработки месторождений позволяет повысить экономическую эффективность этих проектов.

Защищаемые положения

1. Усовершенствованный метод расчёта максимально допустимого давления нагнетания газа на забое скважин из условия герметичности геологических объектов хранения, который основан на обобщении результатов исследований механизма трещинообразования при гидравлическом разрыве пласта.

2. Методы регулирования забойного давления и репрессии в газонагнетательных скважинах, темпов и объёмов закачки попутного газа при многолетнем повышении пластового давления выше начального в неразрабатываемых газовых, газоконденсатных залежах и газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений.

3. Способ регулирования многолетней закачки и хранения в газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений попутного газа, растворённого в нефти и свободного прорывного, на основе выбора по площади и толщине пласта расположения горизонтальных газонагнетательных скважин, позволяющий сократить объёмы прорывов газа к нефтедобывающим скважинам, вызванных его закачкой.

4. Метод учёта технико-экономических показателей сооружения врйменных подземных хранилищ попутного газа в качестве дополнительного фактора при обосновании темпов ввода в разработку и проектного уровня добычи нефти на нефтегазоконденсатных месторождениях в отдалённых труднодоступных регионах.

Практическая ценность

Разработана технология многолетней закачки и хранения излишков попутного газа в пластах-коллекторах, которая позволяет без сжигания этих излишков на факельных установках обеспечивать своевременный ввод и рациональную разработку нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений в малоосвоенных регионах, удалённых от основных потребителей и газотранспортных систем. Внедрение разработанной технологии позволяет довести уровень использования попутного газа до 95%, выполнять лицензионные требования по недропользованию и охране окружающей среды.

Результаты диссертационной работы использованы при составлении технологических проектов сооружения и эксплуатации врйменных подземных хранилищ попутного газа на Ново-Часельском, Харампурском, Юрубчено-Тохомском, Верхнечонском месторождениях, выполненных ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Разработанные системы хранения попутного газа и методы его регулирования прошли успешную промышленную апробацию на месторождениях нефтяных компаний ОАО «НК Роснефть», ОАО «НК Лукойл», ОАО «ТНК-ВР».

Апробация работы

Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на отраслевых и международных конференциях, научных семинарах, производственных научно-технических советах, среди которых:

- Седьмая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», 2007, Москва;

- Вторая международная конференция ОАО «Газпром» «ПХГ: надёжность и эффективность (UGS-2008)», 2008, Москва;

- научно-технический совет корпоративного научно-технического Центра ОАО «Роснефть», 2008, Москва;

- Первая научно-техническая конференция молодых специалистов ООО «Газпром ПХГ», 2009, Ставрополь;

- Восьмая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», 2009, Москва;

- Вторая научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», 2010, Москва;

- Региональный технологический форум ТНК-ВР - Сибирский форум «гринфилдов», 2011, Иркутск.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 статьях, в том числе в 3-х статьях в изданиях, включенных в “Перечень… ” ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников. Содержание работы изложено на 118 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунков, 13 таблиц. Список использованных источников включает 96 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определена цель работы, поставлены задачи исследований, сформулированы защищаемые положения, дана научная новизна и практическая ценность полученных результатов работы.

В первой главе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с разработкой технологии многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах ВПХГ на основе существующей технологии циклической эксплуатации подземных хранилищ природного газа (ПХГ).

Значительный вклад в разработку и развитие технологии подземного хранения природного газа внесли О.Е. Аксютин, С.Н. Бузинов, П.А. Гереш, О.Н. Грачёва, Н.А. Егурцов, С.Н. Закиров, Г.А. Зотов, А.П. Зубарев, В.А. Казарян, Л.Г. Кульпин, Е.В. Левыкин, М.В. Лурье, М.В. Максимов, Б.А. Резник, Г.И. Солдаткин, С.И. Трегуб, С.А. Хан, А.Л. Хейн, И.А. Чарный, А.И. Ширковский.

ВПХГ рассматривается как горно-техническое предприятие, предназначенное для многолетней закачки, хранения и последующего отбора закачанных объёмов газа. Оно включает геологический объект хранения, систему скважин разного назначения, наземные инженерно-технические сооружения. закачка хранение газ коллектор

Внедрение технологии многолетней закачки и хранения попутного газа наиболее перспективно на новых нефтегазоконденсатных месторождениях, расположенных в отдалённых труднодоступных регионах. В России к таким регионам относятся Восточная Сибирь, малоосвоенные территории Западной Сибири. Они характеризуются низкими зимними температурами воздуха, сложными орогидрографическими и геологическими условиями. При этом область поиска геологических объектов для закачки и хранения попутного газа значительно сужена, как правило, размерами лицензионных участков недр. В таких условиях для сооружения ВПХГ могут использоваться объекты, которые обычно рассматриваются как малопригодные для создания ПХГ, сложного геологического строения с низкими фильтрационно-емкостными свойствами и пластовыми температурами. Процесс закачки попутного газа в пласт-коллектор может сопровождаться технологическими осложнениями, связанными с гидрато- и солеобразованиями. В связи с этим разработана технология многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах, основанная на адаптации технологии подземного хранения природного газа к климатическим, орогидрографическим, геологическим условиям объектов для сооружения ВПХГ, особенностям режима их функционирования, состава и физико-химических свойств попутного газа.

Технология многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах включает последовательное выполнение следующих производственных операций: сепарация углеводородного и водного конденсата попутного газа после установки подготовки нефти, осушка газа до расчётной точки росы газа по влаге и углеводородам; очистка от механических примесей; компримирование; охлаждение газа; транспортировка его по промысловому коллектору и шлейфам к устьям газонагнетательных скважин; закачка через газонагнетательные скважины в пласт-коллектор; наблюдение и контроль герметичности объекта хранения.

При сооружении ВПХГ в пластах-коллекторах рассматривается следующий комплекс вопросов: выбор геологического объекта хранения; обоснование параметров системы подготовки и компримирования попутного газа после установки подготовки нефти; определение рациональной схемы внутрипромысловой транспортировки попутного газа; обоснование ограничений и условий распределения заданной суточной производительности ВПХГ по скважинам или группам скважин с учётом их разнодебитности; разработка рациональной схемы размещения газонагнетательных скважин; обоснование системы наблюдения и контроля за герметичностью хранилища; обоснование системы отбора закачанных объёмов газа.

В качестве объектов для ВПХГ рассматриваются газовые и газоконденсатные залежи, газовые шапки нефтегазоконденсатных месторождений и водоносные горизонты.

Анализ климатических и орогидрографических условий объектов для ВПХГ, а также физико-химических свойств попутного газа позволил выявить основные элементы технологической схемы его подготовки и транспортировки к устьям газонагнетательных скважин в период закачки. К ним относятся сепаратор, система осушки газа, компрессорная станция, система охлаждения газа, коллектор высокого давления, газораспределительный пункт, шлейфы скважин, узел замера и регулирования расхода газа. Низконапорный попутный газ после установки подготовки нефти следует дополнительно подготавливать с целью предупреждения выпадения гидратов и углеводородного конденсата в промысловых трубопроводах, скважинах и в призабойной зоне пласта, растепления многолетнемерзлых пород.

В работе показано, что сооружение ВПХГ на вновь вводимых месторождениях во многих случаях сопряжено с повышенными геолого-технологическими рисками недостижения проектных показателей. С целью снижения рисков в работе предложена концепция поэтапного сооружения хранилища с выделением нескольких очередей строительства и инвестиций. Поэтапное сооружение ВПХГ позволяет последовательно решать вопросы, связанные с уточнением фильтрационно-емкостных свойств пласта-коллектора, приемистости, потребного количества и рационального размещения проектных газонагнетательных скважин, герметичностью ранее пробуренных скважин и возможностью их использования для нужд ВПХГ.

Разработанная концепция поэтапного сооружения ВПХГ предусматривает обоснование на каждой стадии проектирования резервов основных производственных мощностей (количество скважин, мощность компрессорной станции) по двум направлениям. Первое направление связано с компенсацией недостижения проектных показателей ВПХГ на случай неподтверждения исходных геолого-промысловых данных по объекту хранения, второе - с недостоверностью прогнозов газового фактора и объёмов добычи попутного газа.

Во второй главе приведены результаты анализа основных газогидродинамических рисков, которые сопряжены с внедрением технологии многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах, предложены методы регулирования, направленные на снижение этих рисков. Представлены результаты исследований методов регулирования хранения попутного газа на моделях элементов пластов-коллекторов ВПХГ.

В работе проведён сопоставительный анализ основных газогидродинамических рисков при сооружении и эксплуатации ПХГ и ВПХГ (таблица 1).

В настоящее время с целью снижения газогидродинамических рисков на ПХГ разработаны и широко применяются методы регулирования закачки и отбора природного газа. Большой вклад в их разработку внесён в работах Д.И. Астрахана, С.Н. Бузинова, С.А. Варягова, А.М. Власова, А.В. Григорьева, С.Н. Закирова, А.Л. Ковалёва, А.А. Михайловского, В.И. Парфёнова, С.А. Хана, И.А. Чарного, Е.В. Шеберстова. К основным методам регулирования на ПХГ можно отнести повышение давления нагнетания, площадное и селективное по толщине пласта регулирование закачки и отбора газа, интенсификацию притока к скважинам.

Таблица 1 - Основные газогидродинамические риски хранения природного газа на ПХГ и многолетней закачки и хранения попутного газа на ВПХГ

Под регулированием хранения попутного газа в пластах-коллекторах ВПХГ понимается воздействие на фильтрационные процессы, происходящие в объекте хранения при многолетней закачке попутного газа. Проведенный в диссертации сравнительный анализ показал, что внедрение методов регулирования характеризуется разными эффектами на объектах ПХГ и ВПХГ (табл. 2).

В работе при исследовании методов регулирования многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах ВПХГ решены следующие задачи:

- определение максимально допустимого давления нагнетания попутного газа в пласты-коллекторы при использовании метода регулирования забойного давления в газонагнетательных скважинах;

- определение рационального положения горизонтального ствола газонагнетательной скважины при селективном по толщине пласта регулировании темпов и объёмов закачки попутного газа в газовую шапку нефтегазоконденсатной залежи;

- разработка условий проведения гидроразрыва пласта (ГРП) на скважинах ВПХГ при регулировании репрессии на пласт путём интенсификации оттока.

Таблица 2 - Эффект внедрения методов регулирования на ПХГ и ВПХГ

На ВПХГ и ПХГ, объекты хранения которых представлены низкопроницаемыми коллекторами, при закачке газа могут образовываться высокие репрессионные воронки пластового давления. Поэтому максимально допустимое давление нагнетания газа из условий герметичности покрышки оказывается решающим фактором при обосновании темпов закачки и объёмов хранения попутного и природного газа. Распространённым подходом к расчёту максимально допустимого давления нагнетания является использование теории гидроразыва пласта (ГРП) для оценки условий образования вертикальных трещин.

Исследованиям механизма трещинообразования на основе анализа отечественного и зарубежного опыта проведения ГРП посвящены работы Ю.Н. Васильева, Р.Д. Каневской, И.В. Кривоносова, В.А. Реутова, I.S. Abou-Sayed, M.J. Economides, J.L. Gidley, S.A. Holditch, Z.A. Moschovidis, D.E. Nierode, K.G. Nolte, C.D. Parker, H.S. Price, A. Setteri, R.W. Veatch, N.R. Warpinski и др. Результаты исследований показывают, что на глубине более 1000 м образуются, как правило, вертикальные трещины. Для раскрытия вертикальной трещины необходимо преодолеть горизонтальную составляющую горного давления (боковое горное давление), сдерживающую образование трещины. Боковое горное давление меньше или равно горному давлению, может превышать его лишь в случаях высоких тектонических напряжений в горизонтальной плоскости.

В традиционно применяемом методе расчёта максимально допустимого давления используется зависимость (1), предложенная Ю.П. Желтовым, на основе которой Э.Л. Гусевым проведены исследования применительно к геологическим объектам ПХГ с песчаными пластами-коллекторами и глинистыми пластами-покрышками (2)-(3):

(1)

(2)

(3)

Расчёты традиционным методом (Метод 1) показывают, что максимально допустимое давление нагнетания выше давления смыкания вертикальной и горизонтальной трещины, поскольку выше бокового горного давления пласта-коллектора и пласта-покрышки , а также выше горного давления при некоторых значения отношения толщины коллектора к толщине покрышки (рисунок 1).

Так в диссертации на основе проведённых исследований установлена неадекватность традиционного метода расчёта максимально допустимого давления нагнетания современным представлениям об условиях образования трещин гидроразрыва пласта. В связи с этим разработан усовершенствованный метод расчёта максимально допустимого давления нагнетания с использованием формулы (4), предложенной E.R. Simonson. Согласно этому методу в расчёте бокового горного давления пласта-коллектора по формуле (5) предлагается учитывать его рост с увеличением пластового давления с учётом постоянной Био (пороэластической константы). Боковое горное давление покрышки предлагается рассчитывать в зависимости от коэффициента Пуассона породы пласта-покрышки с использованием формулы (6).

(4)

(5)

(6)

Сравнение результатов расчётов максимально допустимого давления закачки традиционным методом (Метод 1) по формулам (1) - (3) и предлагаемым усовершенствованным (Метод 2) по формулам (4) - (6), представлено на рисунке 1. В расчёте принимался коэффициент Пуассона глинистого пласта-покрышки 0,4 и песчаного пласта-коллектора 0,29 при заданном постоянном пластовом давлении.

Полученные результаты показывают, что рассчитываемое усовершенствованным методом максимально допустимое давление закачки в зависимости от относительной толщины пласта-коллектора лежит в диапазоне между боковым горным давлением пласта-коллектора и боковым горным давлением покрышки. Эти результаты являются адекватными данным мирового опыта проведения гидроразрыва пласта.

Усовершенствованный метод позволяет получать достоверные значения максимально допустимого давления нагнетания в разных горно-геологических условиях для терригенных и карбонатных пластов-коллекторов, глиняных и соляных пластов-покрышек. Проведённые исследования показали, что поскольку значение коэффициента Пуассона может варьироваться в широких пределах, для достоверного расчета необходимо адресное лабораторное определение коэффициента на керновом материале коллектора и покрышки каждого геологического объекта совместно с комплексом геофизических исследований.

Традиционно в технологических расчётах закачки газа в пласты-коллекторы в качестве ограничивающего фактора принимается максимально допустимое пластовое давление. Проведёнными исследованиями установлено, что основным фактором, ограничивающим темпы и объёмы закачки газа в объекты хранения, является не максимально допустимое пластовое давление, а максимально допустимое забойное давление или репрессия на пласт. Анализ зависимостей (4) - (6) показывает, что максимально допустимое давление нагнетания газа в пласт-коллектор является функцией пластового давления. Максимальное превышение допустимого давления закачки над начальным пластовым давлением увеличивается в процессе закачки, поскольку напряжение смыкания трещины гидроразрыва в пласте-коллекторе увеличивается по мере роста порового давления. При этом в начальные периоды закачки газа на ПХГ и ВПХГ можно создавать бульшую репрессию на пласт, по мере повышения пластового давления репрессия должна уменьшаться. В связи с этим максимально допустимый дебит скважины изменяется с ростом пластового давления при закачке газа (рисунок 2).

В работе на основе исследований селективного по толщине пласта регулирования закачки попутного газа на ВПХГ решена задача выбора проектного положения горизонтального ствола газонагнетательной скважины по высоте газовой шапки. Рациональное положение горизонтального ствола позволяет снизить конусы газа в нефтяной части нефтегазоконденсатной залежи в процессе многолетней закачки попутного газа. Автором разработан метод расчёта давления на газонефтяном контакте (ГНК) при закачке попутного газа. Предложенный метод позволяет обоснованно выбирать положение горизонтального ствола газонагнетательной скважины по высоте газовой шапки с учётом воздействия на нефтяную оторочку на основе расчёта потерь давления при фильтрации газа от ствола скважины до газонефтяного контакта.

При расчёте давления ГНК рассматривается следующая модельная схематизация: горизонтальная скважина полностью вскрывает полосообразный однородный анизотропный пласт, представленный газовой шапкой постоянной высоты; отток газа от скважины происходит при нелинейном законе фильтрации. Распределение давления в процессе закачки попутного газа определяется с использованием аналитической модели, предложенной З.С. Алиевым, в которой истинная область фильтрации газа заменяется фиктивной областью с суммарным сопротивлением пласта, эквивалентным истинному фильтрационному сопротивлению. В расчётах учитываются потери давления на трение по длине горизонтального ствола, зависимость дебита скважины от её расположения по толщине пласта.

Конечное выражение для оценки давления на ГНК на i-ом участке длиной , представляется в следующем виде:

, (7)

где , , .

В выражении (7) давлению на газонефтяном контакте на i-ом участке соответствует давление на стенке горизонтального ствола скважины и расход газа , приходящийся на часть пласта от скважины до ГНК высотой .

Поскольку в процессе закачки максимальное давление на стенке скважины соответствует начальному участку интервала перфорации, то в расчётах давления на ГНК в первую очередь рассматривался этот участок. Эффект переноса горизонтального ствола скважины от ГНК в прикровельную часть определяется уменьшением давления на газонефтяной контакт при заданной репрессии на пласт.

В результате проведенного параметрического анализа зависимости давления на ГНК выявлены основные факторы, влияющие на эффективность переноса горизонтального ствола скважины в прикровельную часть. К ним отнесены высота газовой шапки, проницаемость пласта и анизотропия, радиус контура питания скважины. При большой высоте газовой шапки и прикровельном расположении горизонтального ствола снижается давление на ГНК при закачке с заданной репрессией. При расположении горизонтального окончания не симметрично относительно кровли пласта и поверхности ГНК дебит скважины уменьшается, причем отклонение дебита от максимально возможного возрастает при увеличении высоты газовой шапки. Чем выше анизотропия и проницаемость пласта-коллектора и чем меньше радиус контура питания скважины, тем более эффективно перенесение горизонтального участка ствола скважины в прикровельную часть пласта с целью уменьшения давления на нефтяную часть залежи.

В работе проведены исследования эффективности гидроразрыва низкопроницаемых пластов-коллекторов ВПХГ с целью снижения репрессии на пласт и уменьшения давления нагнетания или увеличения приёмистости и уменьшения количества скважин. Дополнительным эффектом от проведения ГРП на скважинах ВПХГ является приобщение к активному аккумулированию слабопроницаемых пропластков и участков, увеличение объёмов хранения попутного газа.

Автором развивается технология ГРП путём рассмотрения дополнительных ограничивающих условий для газонагнетательных скважин ВПХГ. При проведении ГРП необходимо создать трещину гидроразрыва в призабойной зоне пласта большой длины и проводимости и обеспечить безопасную эксплуатацию хранилища с сохранением герметичности покрышки. Поэтому на забое скважины должно обеспечиваться давление выше давления смыкания трещины в пласте-коллекторе , но ниже давления раскрытия трещины в пласте-покрышке , т.е. ,

где , (8)

.(9)

Проведённый анализ расчётных формул (8) - (9) показал, что давление смыкания трещины растёт по мере роста пластового давления. В связи с этим, для уменьшения затрат на операцию в работе рекомендовано проводить ГРП газонагнетательных скважин на начальном этапе сооружения ВПХГ, когда давление в пласте минимально. Выполненный анализ позволил также выявить основные ограничивающие факторы применения ГРП для интенсификации скважин на ВПХГ, такие как: небольшие толщины пласта-коллектора и/или пласта-покрышки; низкие упругие свойства пласта-покрышки относительно свойств пласта-коллектора; высокая расчлененность пласта-коллектора; плохое техническое состояние пробуренного фонда скважин. Определены наиболее предпочтительные геологические условия объектов хранения попутного газа для применения ГРП с целью интенсификации газонагнетательных скважин. К таким объектам отнесены те, которые характеризуются однородными низкопроницаемыми пластами-коллекторами большой толщины и низким коэффициентом Пуассона и пластами-покрышками большой толщины и большим коэффициентом Пуассона.

В третьей главе представлены результаты апробации разработанных методов регулирования многолетней закачки и хранения попутного газа в геологических объектах разных типов и строения (на примере Юрубчено-Тохомского, Верхнечонского и Ново-Часельского ВПХГ).

Исследования проводились с использованием разработанных с участием автора гидродинамических моделей трехмерной, многофазной, нестационарной фильтрации в неоднородной и анизотропной среде с учетом капиллярных и гравитационных сил, имеющей общий вид для каждой фазы (газ, нефть, вода):

(10)

Плотность и вязкость фазы задавались в виде функции от давления . Относительная фазовая проницаемость задавалась в виде функции насыщенности . Пористость пласта задавалась в виде функции от порового давления и сжимаемости породы. В системе уравнений (10) учитывался масообмен между нефтью и газом (фазами и ) через объёмный коэффициент растворимости и объёмный фактор фазы с учётом растворимости в ней фазы . Массообмен нефти и газа с водой пренебрегался.

Получаемые результаты расчётов технологических показателей ВПХГ проверялись на упрощенных моделях (балансовых, профильных, двухмерных) с заданием эквивалентных фильтрационно-емкостных свойств, начальных и граничных условий, а также режимов закачки и отбора газа.

Разработка систем закачки и методов регулирования хранения попутного газа в газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений рассмотрена на примере Юрубчено-Тохомского ВПХГ. Объект хранения представлен газовой шапкой крупной по запасам нефтегазоконденсатной залежи, при разработке нефтяной части которой добывается основная часть попутного газа в виде растворённого в нефти и прорывного свободного газа. Массивная залежь представлена карбонатным пластом-коллектором рифейских отложений с интенсивно развитой трещиноватостью, проницаемостью по ГДИ и по керну 310 и 43 мД соответственно, коэффициентом анизотропии 0,41, средней газонасыщенной и нефтенасыщенной толщиной 43,3 и 41,9 м соответственно. Начальная пластовая температура и давление в газовой шапке составляют 27 ^оС и 21,1 МПа. Нефть в пластовых условиях имеет вязкость 1,01 мПа*с и плотность 702 кг/м³, газовый фактор 191 м³/т.

Эксплуатация ВПХГ в данных условиях сопряжена с риском расформирования нефтяной части за счёт вытеснения нефти газом по системе трещин и образования конусов газа в нефтяной части при значительном повышении пластового давления в районе газонагнетальных скважин, уменьшения дебитов нефтедобывающих скважин в результате прорывов газа, вызванных его закачкой.

С целью уменьшения влияния ВПХГ на разработку нефтяной части разработана схема размещения газонагнетательных скважин и комплекс методов регулирования хранения. Для этого использовалась трёхмерная трёхфазная гидродинамическая модель залежи, учитывающая массообмен между нефтяной и газовой фазами. При этом для более детального описания фильтрационных потоков использовалась модель двойной пористости коллектора залежи. Проводилось совместное моделирование процессов добычи нефти, компенсационной закачки воды, закачки попутного газа, продвижения пластовой воды из водоносного бассейна. Объём закачиваемого газа задавался равным объёму добываемого попутного газа за вычетом объёма газа, используемого на собственные нужды промысла.

Схема размещения газонагнетательных скважин выбиралась с учётом направления эксплуатационного разбуривания юрубченской залежи и распределения её фильтрационно-емкостных свойств. В результате определены места заложения кустов газонагнетательных скважин, удаленные от очагов нефтедобычи и характеризующиеся повышенными газонасыщенными толщинами. С точки зрения обеспечения заданных темпов закачки попутного газа и уменьшения давления нагнетания определена длина горизонтального ствола 400 - 500 м газонагнетательных скважин. Исследовались варианты размещения горизонтальных скважин в кусте с учётом наличия стратиграфического выклинивания. Выбрана схема полулучевого размещения горизонтальных окончаний скважин, обеспечивающая наименьший рост пластового давления в районе газонагнетательных скважин.

Использование вышеописанного метода расчёта давления на ГНК в процессе закачки газа позволило выбрать рациональное положение горизонтального окончания ствола газонагнетательной скважины по высоте газовой шапки с учётом его влияния на нефтяную часть залежи и на приёмистость скважин. Проведённые расчёты свидетельствуют о том, что в условиях анизотропного пласта юрубченской залежи наиболее рациональным является прикровельное расположение горизонтальных стволов скважин на 50-60 м выше начального ГНК.

Сравнение расчётных вариантов разработки месторождения с закачкой попутного газа в газовую шапку и без его закачки показало, что в первые шесть лет предложенная система закачки попутного газа не приводит к существенной активации продвижения ГНК в нефтяную область и не оказывает негативного влияния на разработку нефтяной залежи. В этот период с целью снижения возможного риска ухудшения технологических показателей разработки нефтяной части залежи дополнительно разработаны следующие рекомендации: не вводить проектные нефтедобывающие скважины вблизи газонагнетательного куста до окончания эксплуатации ВПХГ; водонагнетательные скважины перенести дальше от газонагнетательных.

Таким образом, на примере юрубченской залежи обоснована возможность многолетней закачки и хранения попутного газа в газовых шапках нефтегазоконденсатных залежей с разрабатываемыми нефтяными частями. Реализация предлагаемого способа регулирования, включающего рациональное расположение горизонтальных газонагнетательных, нефтедобывающих и водонагнетательных скважин по площади и по разрезу, позволяет сократить объёмы прорывов газа к нефтедобывающим скважинам, вызванных его закачкой, и предотвратить практически значимое увеличение газового фактора добываемой продукции на начальных этапах разработки.

Разработка систем закачки и методов регулирования хранения попутного газа в литологически и тектонически ограниченных газовых и газоконденсатных залежах при проявлении газового режима рассмотрена на примере Верхнечонского ВПХГ. Объектом хранения попутного газа являются три газоконденсатные залежи осинского горизонта кембрийских отложений. Наличие гидродинамической связи между ними и законтурной водоносной зоны не предполагается. Карбонатный порово-трещинный пласт-коллектор объекта хранения имеет среднюю газонасыщенную толщину 48 м, пористость 9 %, проницаемость 10 мД, расчлененность 3,3 пропластка, пластовую температуру 10-14 ^оС, начальное пластовое давление 14,95 МПа. Пласт-коллектор перекрывает выдержанная покрышка каменной соли толщиной 50 м.

Исходные геолого-промысловые данные об объекте хранения Верхнечонского ВПХГ характеризуются невысокой достоверностью и разной степенью изученности залежей, поэтому сооружение рассматриваемого ВПХГ сопряжено с повышенными рисками недостижения проектных технологических показателей. С целью снижения рисков разработана концепция двухэтапного функционирования хранилища с выделением двух очередей строительства. Её реализация позволит последовательно решать вопросы, связанные с уточнением технологических параметров, объёма и сроков инвестиций.

С использованием детальной трёхмерной трёхфазной фильтрационной модели объекта хранения разработана система закачки и методы регулирования хранения попутного газа в осинских залежах Верхнечонского ВПХГ. При этом учитывались особенности геологического строения и степень изученности объекта хранения, риски превышения максимально допустимого давления нагнетания и недостижения необходимых объёмов хранения. В расчётах темпы закачки излишков попутного газа задавались в соответствии с прогнозными объёмами добычи попутного растворённого в нефти и прорывного свободного газа, собственных нужд промысла при разных вариантах разработки месторождения. Разработанный комплекс методов регулирования включает в себя:

- распределение темпов и объёмов закачки между залежами пропорционально начальным запасам газа, фильтрационным характеристикам и степени изученности;

- выбор рациональной схемы размещения одиночных газонагнетательных скважин в каждой залежи, обеспечивающей максимальный объём аккумулирования попутного газа;

- ограничение забойного давления газонагнетательных скважин максимально допустимой величиной в зависимости от пластового давления;

- выбор профиля газонагнетательных скважин и интервалов вскрытия пласта;

- разработка условий и оценка эффективности проведения ГРП газонагнетательных скважин с целью снижения репрессии на пласт.

Реализация разработанной системы закачки и методов регулирования хранения попутного газа в газоконденсатных залежах осинского горизонта обеспечит своевременный ввод и рациональную разработку нефтяных залежей в ближайшие 8 лет (до строительства соединительного газопровода) путём эффективной и безопасной закачки, хранения и накопления излишков попутного газа.

Особенности систем закачки и методов регулирования хранения попутного газа в газовых и газоконденсатных залежах при проявлении водонапорного режима рассмотрены на примере Ново-Часельского ВПХГ. Объектом хранения попутного газа при разработке месторождений Кынско-Часельской группы является неразрабатываемая газовая залежь сеноманских отложений Ново-Часельского месторождения. Залежь приурочена к структурной ловушке с замыкающей изогипсой, определенной по комплексу сейсмических и геолого-промысловых исследований, на 8 м ниже начального ГВК. Согласно имеющимся данным объект характеризуется средней эффективной газонасыщенной толщиной 8,8 м, высокой проницаемостью (до 1100 мД), повышенной степенью неоднородности (расчлененность 5,1), наличием активных пластовых вод.

В связи с указанными особенностями геологического строения объекта хранения, высокими темпами закачки в течение нескольких лет и большими объёмами хранения попутного газа существует риск ухода газа за замыкающую изогипсу в период закачки, простоя и в начале периода отбора накопленного объёма газа. С целью снижения указанного риска автором с использованием построенной трёхмерной двухфазной (газ-вода) стохастической гидродинамической модели объекта хранения (с несколькими реализациями геологической модели по имеющейся выборке геолого-геофизических данных) проведены многовариантные расчёты по выбору схемы размещения газонагнетательных скважин.

Схема размещения скважин выбиралась так, чтобы было возможно наиболее эффективным образом использовать поровый объём геологического объекта, к которому приурочена газовая залежь. Для этого в процессе хранения необходимо использовать часть ловушки изначально газонасыщенную и водонасыщенную от уровня начального ГВК до замыкающей изогипсы. В поровом объёме ловушки выше начального ГВК необходимо повысить пластовое давление при соблюдении ограничения на максимально допустимое забойное давление. Поровый объём водонасыщенной части ловушки необходимо использовать за счёт насыщения газом, избегая при этом ухода газа за замыкающую изогипсу.

В результате проведённых расчётов найден рациональный вариант размещения проектных скважин для обеспечения заданных темпов закачки и площадного регулирования с целью снижения опасности ухода газа за пределы структуры. Внедрение разработанной схемы размещения скважин и площадного регулирования позволяет обеспечить закачку и сохранность заданных объёмов попутного газа в течение нескольких лет. При этом после закачки заданных объёмов и непродолжительного простоя хранилища (3-4 месяца) необходимо начать отбор для избежания возможности расширения газовой залежи и ухода газа за замыкающую изогипсу.

Проведенные исследования методов регулирования закачки и хранения попутного газа на примере объектов хранения разных типов позволили выявить области их предпочтительного использования:

- комплексное применение методов площадного и селективного регулирования закачки и хранения попутного газа в газовых шапках нефтегазоконденсатных залежей;

- комплексное применение площадного и селективного регулирования, повышения давления нагнетания и интенсификации газонагнетательных скважин в газовых и газоконденсатных залежах с низкими фильтрационно-емкостными свойствами при проявлении газового режима;

- площадное регулирование закачки и хранения попутного газа в газовых залежах с водонапорным режимом и водоносных горизонтах при высоких темпах закачки и сравнительно больших объёмах хранения газа.

Четвертая глава представляет результаты исследования рациональной динамики годовой добычи нефти и конденсата на вновь вводимых месторождениях в отдалённых малоосвоенных регионах при создании ВПХГ.

В действующем регламенте по составлению проектных технологических документов на разработку нефтяных и газонефтяных месторождений не содержится указаний по выбору проектного уровня добычи нефти. На практике, как правило, проектный уровень добычи нефти определяется из условия получения максимальной прибыли от реализации комплексного проекта разработки месторождения и устанавливается обычно на уровне 3-5% от извлекаемых запасов. При этом учитываются основные статьи капитальных и эксплуатационных затрат на добычу, подготовку и транспортировку нефти, систему поддержания пластового давления, но затраты на сбор, утилизацию, хранение попутного газа чаще всего не учитываются. В связи с этим в работе исследована возможность повышения экономической эффективности комплексных проектов разработки нефтегазоконденсатных месторождений при внедрении технологии многолетней закачки и хранения попутного газа в пластах-коллекторах путём учёта технико-экономических показателей создания ВПХГ.

Исследование проводилось на модельном примере нефтяного месторождения, при разработке которого попутный газ в полном объёме закачивается в пласт-коллектор ВПХГ. Динамика добычи нефти и попутного газа при разработке рассматриваемого месторождения обобщает динамику основных технологических показателей месторождений, на которых внедряется технология ВПХГ с целью закачки и хранения добываемого попутного газа, в том числе рассмотренные в главе 3. Трёхмерная двухфазная (нефть-вода) фильтрационная модель без учёта межфазного массообмена рассматриваемой нефтяной залежи использовалась для вариантных расчётов уровней добычи нефти. В базовом варианте воспроизведена динамика основных технологических показателей, в том числе динамика отбора нефти и воды, схема размещения и число добывающих и водонагнетательных скважин, коэффициент компенсации добычи нефти закачкой воды. Полученная расчётным путём динамика добычи попутного газа задавалась в качестве ресурсной базы для создания ВПХГ на базе газовой залежи.

Для указанного примера проведена оценка необходимого числа скважин и наземных инженерно-технических сооружений для закачки и хранения необходимого объёма попутного газа. Расчётный анализ использования оборудования ВПХГ показал, что в среднем оборудование будет использоваться на 37% (27 лет функционирования ВПХГ), а на 100% - только в 3-ем году эксплуатации хранилища, которому соответствует максимальный объём добычи нефти и максимальная суточная производительность закачки. С целью увеличения коэффициента использования оборудования ВПХГ и его рационального использования рассмотрен альтернативный вариант, полученный путём учёта дополнительного ограничения на уровень добычи попутного газа в базовом варианте. В альтернативном варианте уменьшается потребное число газонагнетательных скважин и потребная мощность компримирования, при этом средний коэффициент использования оборудования ВПХГ составляет 71%, а на 100% - используется на протяжении 4-х лет разработки месторождения (рисунок 3). При этом конечный коэффициент извлечения нефти в обоих вариантах меняется незначительно.

Сравнение вариантов освоения нефтяного месторождения проводилось на основе оценок технико-экономических показателей по удельным стоимостным нормативам капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Проведённые расчёты показали, что для реализации альтернативного варианта требуется меньше капитальных вложений за счёт уменьшения объёма строительства газонагнетательных скважин и инженерно-технических сооружений ВПХГ, систем сбора и подготовки нефти. Базовый вариант характеризуется бульшим сроком окупаемости капитальных вложений. Накопленный чистый дисконтированный поток денежной наличности в альтернативном варианте выше на 10%, чем в базовом (рисунок 3). В связи с этим альтернативный вариант разработки месторождения, полученный на основе базового варианта путём дополнительного учёта технико-экономических показателей сооружения ВПХГ, представляется предпочтительнее.

Таким образом, на рассмотренном примере показана необходимость учёта показателей ВПХГ при поиске рациональных темпов освоения вновь вводимых месторождений в комплексных проектах разработки. Предлагаемый метод учёта уровня загрузки и капитальных вложений в инженерно-технические сооружения и скважины ВПХГ при обосновании проектного уровня добычи нефти на нефтегазоконденсатных месторождениях в отдалённых малоосвоенных регионах в качестве дополнительных факторов позволяет повысить экономическую эффективность комплексных проектов их разработки. При применении представленного метода динамику добычи нефти и попутного газа следует выбирать для каждого объекта индивидуально, исходя из особенностей обустройства, горно-геологических особенностей строения объекта хранения и газогидродинамических рисков хранения попутного газа в пластах-коллекторах.

По результатам проведенных исследований и анализа основных технико-экономических показателей создания и эксплуатации Юрубчено-Тохомского ВПХГ принят предложенный вариант освоения месторождения со сниженными уровнями добычи нефти и попутного газа в начальный период разработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана технология, позволяющая в сложных климатических, орогидрографических и геологических условиях проводить многолетнюю закачку и хранение попутного газа в пластах-коллекторах ВПХГ, сооружаемых в газовых и газоконденсатных залежах, газовых шапках нефтегазоконденсатных месторождений и в водоносных горизонтах. Использование этой технологии даёт возможность своевременно вводить и осуществлять рациональную разработку месторождений в отдалённых малоосвоенных регионах нефтедобычи без сжигания на факельных установках излишков попутного газа.