книги из ГПНТБ / Закиров, С. Н. Проектирование и разработка газовых месторождений учебное пособие

скважин, расчет продвижения контурных или подошвенных вод, определение потребного числа эксплуатационных (и нагнетательных) скважин и изменения их числа во времени при различных схемах размещения скважин на площади газоносности, нахождение дебитов скважин, пластовых, забойных давлений и температур, определение их изменения во времени и т. д. Получение этих сведений позволяет определить параметры системы обустройства промысла — диаметры шлейфов и коллекторов, параметры схемы подготовки газа к даль­ нему транспорту и извлечения конденсата, мощность головной ком­ прессорной станции, продолжительность бескомпрессорной и ком­ прессорной эксплуатации и прочие показатели.

Многие из указанных задач весьма сложны в математическом отно­ шении. Успешное решение их часто оказывается возможным лишь конечно-разностными методами с применением быстродействующих электронных вычислительных машин (ЭВМ) и методов электрогидродинамической аналогии. Учет физико-химических и термодина­ мических процессов, происходящих в системе пласт — скважины — система обустройства — магистральный газопровод, повышает сте­ пень достоверности прогнозных расчетов.

Важное значение при проектировании рациональной системы разработки газовых и газоконденсатных месторождений имеет отра­ слевая экономика. Газогидродинамические и технологические рас­ четы проводятся для различных вариантов систем разработки место­ рождения и обустройства промысла. Только на основе сопоставления технико-экономических показателей всех вариантов разработки можно выбрать наилучший с народнохозяйственной точки зрения.

В последние годы для решения технико-экономических задач все больше применяются методы математического программирования с использованием ЭВМ. Эти методы начинают применяться и для нахождения оптимальных систем разработки газовых и газоконден­ сатных месторождений.

На открытие и разведку газовых и газоконденсатных месторожде­ ний затрачиваются большие средства. Запасы природных газов представляют всенародное достояние. Поэтому важное значение имеет полнота извлечения из пласта газа и конденсата. Следовательно, при сопоставлении различных систем разработки месторождения и выборе наиболее рационального варианта должное внимание необ­ ходимо обращать на достигаемые величины коэффициентов газоотдачи и конденсатоотдачи.

После составления проекта опытно-промышленной эксплуатации, технологической схемы или проекта разработки начинается разра­ ботка месторождения. В процессе разработки месторождения полу­ чается новая дополнительная информация о строении месторождения, распределении давления в пласте, продвижении контуров водонос­ ности и др. Обработка этой информации и правильная оценка ее значения невозможны без знания теории разработки месторождений природного газа. Без знания этой теории невозможны анализ про­ цессов, происходящих в пластах, и использование полученной инфор-

10

нации для дальнейшего совершенствования принятой системы раз­ работки, регулирования процесса разработки месторождения и определения ее перспектив.

§2. Этапы развития теории проектирования

иразработки месторождений природных газов

Развитие теоретических основ проектирования и разработки газовых и газо­ конденсатных месторождений можно разделить на четыре этапа.

В течение первого этапа, охватывающего дореволюционные годы и первые годы Советской власти, скважины бурили на случайно открытых газовых место­ рождениях в непосредственной близости от потребителя газа. Бурение после­ дующих скважин проводилось по соседству с предыдущими, без предварительной разведки, в объеме, необходимом для подачи нужного количества газа потре­ бителю. Так разрабатывались открытые в то время небольшие Мельниковское и Мелитопольское газовые месторождения в Ставрополье и месторождение Даге­ станские огни.

На смену первому этапу, характеризовавшемуся кустарными методами разработки, пришел второй этап. На этом этапе применялись чисто эмпирические методы разработки газовых месторождений с механическим распространением на них практики разработки нефтяных месторождений, а также методов раз­ работки газовых месторождений США. Наиболее полно и законченно этот второй этап нашел отражение в работе [67]. Исходя из концепции ограниченного радиуса дренирования скважин, И. Н. Стрижов предложил строго равномерное располо­ жение скважин на площади газоносности на расстоянии друг от друга, равном двойному радиусу дренирования. При установлении дебита газовых скважин рекомендовалась эксплуатация их при постоянном «проценте отбора», причем этот процент отбора фетишизировался 1.

И. Н. Стрижов — крупный ученый в области газового и нефтяного дела — обработал огромный материал, характеризующий эксплуатацию большого числа (свыше 70) газовых месторождений США и некоторых других стран. Однако, проведенный И. Н. Стрижовым анализ фактических данных разработки газовых месторождений сводился к чисто статистической их обработке, определению средних величин. Книга И. Н. Стрижова наряду с интересными фактическими данными, ценными и глубокими мыслями содержит и ошибочные положения. Автор ее не учитывал закономерностей фильтрации газа, изложение которых дается в курсах подземной газогидродинамики.

Третий этап характеризуется созданием и внедрением научно обоснованных методов эксплуатации газовых месторождений. Эта работа проводилась в Мо­ сковском нефтяном институте им. акад. И. М. Губкина. Теоретические (главным образом, газодинамические) основы ее изложены в ряде статей и в книге [38], вышедшей в 1948 г.

На основе полученных результатов наряду с проведением дальнейших теоретических исследований были выполнены и внедрены первые научно обосно» ванные проекты разработки газовых месторождений треста Куйбышевгаз. Дальнейшее развитие теория разработки газовых месторождений получила в трудах Московского нефтяного института, в исследованиях ВНИИгаза и выполненных им проектах разработки ряда крупных газовых месторождений — Шебелинского, Северо-Ставропольского, Газлинского и др.

1 Под «процентом отбора» понимается отношение в процентах рабочего дебита газовой скважины к дебиту «сполна» открытой скважины, т. е. к дебиту сква­ жины, фонтанирующей в атмосферу. Поддержание постоянного процента отбора отвечает условиям капиталистической системы хозяйства. При частной собствен­ ности на землю и ее недра введение режима постоянного процента отбора отвечает интересам владельцев различных участков,расположенных на единой газоносной площади. В условиях социалистической системы хозяйства такое условие отбора нерационально (см. [38]).

11

В результате научно-исследовательских работ третьего этапа в развитии теории разработки газовых месторождений были достигнуты значительные успехи. Созданы газодинамические методы расчета изменения во времени по­ требного числа газовых скважин, пластовых, забойных и устьевых давлений, приближенные методы расчета продвижения контурных или подошвенных вод при разработке месторождений в условиях водонапорного режима.

Вместо господствовавшего ранее режима постоянного процента отбора, считавшегося единственно рациональным технологическим режимом эксплуата­ ции газовых скважин, обоснованы и внедрены в практику проектирования новые технологические режимы. К их числу относятся режимы поддержания постоян­ ного максимального допустимого градиента давления на забое скважины или постоянной депрессии при недостаточной устойчивости коллекторов, режим предельного безводного дебита газовых скважин при наличии подошвенной воды.

Исследования фильтрации газа к несовершенным скважинам в условиях нарушения закона Дарси привели к созданию и повсеместному внедрению новой методики обработки и интерпретации результатов исследования газовых сква­ жин. Появились методы исследования скважин при нестационарных режимах фильтрации газа.

В результате выполнения ряда проектов разработки газовых месторождений накопился значительный опыт комплексного применения методов геологии, геофизики, подземной газогидродинамики и отраслевой экономики. На основе геолого-геофизических исследований устанавливается геологическое строение газовой залежи, составляется представление о пластовой водонапорной системе, возможном режиме газовой залежи. По данным испытания скважин определяются

во времени необходимого числа скважин для выполнения плана добычи газа, устанавливается продолжительность периодов бескомпрессорной и компрессор­ ной эксплуатации и по укрупненным показателям определяются объемы капи­ таловложений, себестоимость добычи газа, показатель рентабельности, произво­ дительность труда и т. д. На основе анализа технико-экономических показателей различных вариантов разработки выбирается наилучший из них.

В начале шестидесятых годов теория проектирования и разработки место - рождений природных газов вступает в четвертый этап своего развития. Особен­ ностью этого этапа является комплексное применение в практике проектирова­ ния, анализа и определения перспектив разработки газовых и газоконденсатных месторождений методов геологии, геофизики, в том числе ядерной геофизики, подземной газогидродинамики, техники и технологии добычи газа; появляется стремление к использованию возможностей современных быстродействующих электронных вычислительных и аналоговых машин. При, этом главной задачей является нахождение при помощи ЭВМ такого варианта разработки газового (газоконденсатного) месторождения и обустройства промысла, который отли­ чался бы оптимальными технико-экономическими показателями.

Характерной особенностью ранних этапов развития теоретических основ разработки газовых месторождений является поиск аналитических решений задач подземной газогидродинамики. Нахождение аналитических решений всегда наталкивалось на большие математические трудности, обусловленные сложным геологическим строением месторождений и нелинейностью дифферен­ циальных уравнений неустановившейся фильтрации газов. В связи с этим полученные аналитические решения лишь приближенно отражали реальную действительность. Приближенность этих решений определяется, с одной сто­ роны, использованием приближенных математических методов и приемов реше­ ния соответствующих дифференциальных уравнений, а с другой стороны — тем, что определяющие граничные условия, сложные реальные геолого-промысловые условия коренным образом упрощались путем схематизации. Схематизации подвергались неоднородность пласта, геометрия фильтрационных потоков и т. д. Полученные аналитические решения относились преимущественно к плоскора­

12

§ 1. Газовая залежь как единое целое. Понятие об удельных объемах дренирования

На начальных этапах развития теории разработки нефтяных и газовых месторождений существовало представление об ограничен­ ном радиусе действия (влияния) скважин. Из концепции ограничен­ ного радиуса дренирования вытекало, в частности, что газовые скважины необходимо располагать на расстоянии друг от друга, не превышающем двойного радиуса действия скважин, во избежание оставления части газа неизвлеченной. К настоящему времени на­ коплен обширный промысловый материал, свидетельствующий о несо­ стоятельности этого положения *. Если не касаться вопросов о темпах и сроках разработки, о возможных значениях коэффициентов нефтеили газоотдачи, то можно утверждать, что теоретически любое нефтя­ ное или газовое месторождение может быть разработано даже одной скважиной, не говоря уже о системе скважин.

На рис. 1 приведена структурная карта Султангуловского место­ рождения. На этом месторождении летом 1948 г. по предложению Б. Б. Лапука для исследования особенностей перераспределения пластового давления были остановлены все эксплуатационные сква­ жины. До закрытия скважин было замерено статическое давление на устьях всех эксплуатационных скважин. Затем устьевое давление регулярно замерялось через определенные промежутки времени. Результаты этих измерений представлены на рис. 2. Здесь по оси ординат отложена величина абсолютного давления на устьях про­ стаивающих скважин, по оси абсцисс — расстояние от разведочной скв. 32к до соответствующих эксплуатационных скважин.

Пониженное давление в центральной зоне определялось тем, что здесь эксплуатировались наиболее продуктивные скважины: 39, 40, 41 и 43. Повышенные отборы газа из центральной зоны обусловили неравномерность распределения пластового давления по площади газоносности. Закрытие скважин привело к перераспределению пластового давления. Газ из периферийных участков стал притекать

1 Применительно к фильтрации неньютоновских нефтей понятие о радиусе влияния скважины имеет реальное значение (В. Н. Щелкачев, О. Н. Харин, В. Д. Полянин).

14

в центральную зону. В результате этого давление на периферии падало, а в центральной зоне месторождения повышалось (см. рис. 2).

Отбор газа из газовой залежи приводит к падению давления не только в газоносной, но и в водоносной частях пласта. Об этом сви­ детельствуют результаты замеров давления или уровней воды в пьезо­ метрических скважинах. Падение же давления в области газоносности приводит к поступлению воды в газовую залежь.

Рис. 1. Структурная карта Султангуловского месторождения:

1 —изогипсы по кровле терригенной свиты (ТС); 3 — контур газоносности по кровле ТС;

з— контур газоносности по подошве ТС; 4 — восточная граница газоносной площади, при­ нятая при подсчете запасов газа; 5 — эксплуатационные (и наблюдательные) скважины

Если к одному и тому же водоносному бассейну приурочен ряд месторождений природного газа, то в результате разработки происхо­ дит их взаимодействие. Так, разработка Угерского газового место­ рождения (Западная Украина) привела к падению давления на соседнем Бильче-Волицком месторождении еще до того, как из него начали отбирать газ. О том, как велики расстояния, на которые распространяется взаимодействие месторождений, можно судить по данным о разработке нефтяных месторождений Восточный Техас и Хоукинс в США, приуроченных к пласту вудбайн: разработка месторождения Восточный Техас привела к падению давления на 20 кгс/см2в удаленном от него на расстояние более 20 км место­ рождении Хоукинс [45].

Итак, газовая залежь представляет собой единую газодинами­ ческую систему. Газовая залежь вместе с окружающей ее пластовой

15

водой или группа залежей в единой пластовой водонапорной системе представляют собой единую газогидродинамическую систему. Сле­ довательно, при проектировании, анализе и определении перспектив разработки месторождений природных газов необходимо рассма­ тривать пласт как единое целое.

Вместе с тем в теории проектирования и разработки месторожде­ ний природных газов оказывается полезным понятие об удельных

Рис. 2. Профилп пластового давления по Султангуловскому месторождению на разные даты после закрытия эксплуатационных скважин (по осп абсцисс указаны номера эксплуатационных скважин)

Рис. 3. Схемы профилей давления в пласте при эксплуатации трех (б), двух (в) равнодебитных и трех (г) разнодебитных скважин

объемах дренирования. Это означает, что каждая газовая скважина дренирует как бы свой отдельный газонасыщенный объем пласта. Для примера рассмотрим пласт прямоугольной формы, однородный по коллекторским свойствам и разрабатываемый тремя равнодебит­ ными скважинами. В этом случае в пласте можно выделить две нейтральные линии — I жII (рис. 3, а). Левее линии I весь газ, например и из точки а, притекает к скв. 1, а правее линии/, в том числе и из точки б, течет к скв. 2. Следовательно, к каждой скважине газ притекает из соответствующего, своего объема дренирования.

Вводимое понятие об удельных объемах дренирования не противо­ речит принципу, что газовая залежь представляет единую газо­ гидродинамическую систему. Действительно, пусть распределение давления в рассматриваемом пласте для некоторого момента времени имеет вид, изображенный схематично на рис. 3, б. Здесь, как и ранее,

16

газовой залежи. Следовательно, при водонапорном режиме приток газа к забоям скважин обусловливается как энергией давления сжа­ того газа, так и напором продвигающейся в газовую залежь контур­ ной или подошвенной воды. Продвижение воды в газовую залежь приводит к замедлению темпа падения пластового давления.

Довольно часто при разработке месторождений природных газов в условиях водонапорного режима давление вначале падает, как при газовом режиме. Это явление объясняется тем, что в начальный промежуток времени в газовую залежь поступает мало воды по сравнению с начальным газонасыщенным объемом норового про­ странства. Поэтому вначале поступление воды незначительно влияет на темп падения пластового давления. Дальнейшее поступление воды в залежь приводит иногда к заметному замедлению темпа паде­ ния пластового давления. Складывается впечатление, что место­ рождение вначале разрабатывается при газовом, а затем при водо­ напорном режиме 1.

Наиболее характерной для газовых месторождений является величина средневзвешенного по газонасыщенному объему норового пространства пластового давления. Физический смысл этого понятия: это такое давление, которое установится в газовой залежи после достаточно длительного простаивания всех эксплуатационных сква­ жин (предполагается, что за время простаивания не происходит заметного продвижения границы раздела газ—вода).

Как будет показано в § 4 данной главы, изменение во времени среднего р пластового давления 2 в случае газового режима опре­ деляется следующим уравнением:

VZh айн /

Здесь рн — начальное пластовое давление; 0 доб (t) — суммарное добытое количество газа ко времени t, приведенное к атмосферному

давлению р ат и пластовой температуре Тпл; ocQH— газонасыщенный объем норового пространства залежи; а — коэффициент газонасыщенности; QH— поровый объем залежи; zH и z (р) — соответственно коэффициенты сверхсжимаемости газа при температуре Тпл и давле­ ниях рн и р (t).

Из приведенного уравнения следует, что для газового режима характерна прямолинейность зависимости p/z (р) = / (Qflo6 (t)). При водонапорном режиме зависимость plz (р) = / (0доб (t)) отклоняется

1Согласно работе А. X . Мирзаджанзаде, Г. И. Баренблатта, В. М. Ентова,

10.В. Желтова, Г. Д. Маргулова, Г. В. Рассохина и В. М. Рыжика замедление поступления воды в газовую залежь может быть связано с существованием и про­ явлением в водоносном пласте предельного градиента давления (в глинизирован­ ных коллекторах).

2Здесь и в дальнейшем часто для упрощения под средним давлением будем понимать средневзвешенное по газонасыщенному объему норового пространства пласта давление.

18

от соответствующей зависимости, справедливой для газового режима. Таким образом, при водонапорном режиме начальный участок кривой зависимости средневзвешенного по газонасыщенному объему порового пространства газовой залежи пластового давления от добытого количества газа во многих случаях может описываться формулой, справедливой для газового режима. В ряде случаев (при хорошей проницаемости пласта, малом темпе разработки газо­ вой залежи) вода поступает в газовую залежь настолько интенсивно, что водонапорный режим проявляется уже на ранней стадии раз­

работки.

Уменье правильно установить режим месторождения, определить темп продвижения воды в процессе разработки газовой залежи имеет большое значение при проектировании, анализе и определении перспектив разработки газового месторождения. Знание количества поступившей в газовую залежь воды необходимо при определении запасов газа по данным о количестве отобранного Таза и изменении во времени среднего пластового давления.

От темпов продвижения контурной или подошвенной воды зависит темп падения пластового давления. Темп падения пластового давле­ ния оказывает непосредственное влияние на падение дебитов газовых скважин, а следовательно, на число необходимых скважин для обеспе­ чения запланированного отбора газа из месторождения. Темп падения пластового давления определяет продолжительность периодов бескомпрессорной и компрессорной эксплуатации, постоянной и падающей добычи газа, эффективной работы установок низкотемпературной сепарации газа, изменение во времени потребной мощности установок искусственного холода, мощности дожимной компрессорной станции.

Таким образом, режим месторождения и связанные с ним темпы падения пластового давления непосредственно влияют на технико­ экономические показатели разработки месторождения н обустройства промысла.

Проявление водонапорного режима оказывает благоприятное влияние на эти показатели разработки и обустройства. Однако проявление водонапорного режима приводит и к некоторым отри­ цательным последствиям, которые необходимо учитывать при проек­ тировании и осуществлении процесса разработки газового место­ рождения. Прежде всего в результате продвижения воды в газовую залежь часть скважин обводняется и вместо них приходится бурить новые скважины.

Вследствие изменчивости коллекторских свойств продуктивных отложений по площади газоносности, а также при неравномерном распределении отборов газа по площади залежи газовые скважины могут преждевременно обводняться. Неоднородность продуктивных отложений по мощности и неравномерность их дренирования по разрезу могут приводить к быстрому продвижению воды по наиболее проницаемым и дренируемым прослоям, пропласткам, пачкам, что также вызывает преждевременное обводнение скважин. Это ухудшает технико-экономические показатели разработки месторождения.