Разработка и добыча нефти и газа с использованием горизонтальных скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

скважина бурение горизонтальный

Разработкой и добычей нефти и газа с использованием горизонтальных или наклонных скважин в мире занимаются еще с середины прошлого века. Однако этот метод до восьмидесятых годов прошлого века использовался крайне незначительно, в основном для увеличения продуктивности вертикальных скважин применяли гидроразрыв пласта. Распространение метода горизонтального бурения сдерживалось повышенными затратами на бурение и «заканчивание» скважины. Современное развитие бурение получило благодаря ГНБ.

Прогресс в технологиях бурения и исследования скважин в процессе самого бурения кардинально изменил ситуацию в области добычи нефти и газа. За последние годы в мире пробурено огромное количество именно горизонтальных скважин. Основной задачей горизонтальной скважины является увеличение поверхностного контакта с коллектором и, вследствие этого, повышение производительности скважины в целом. Эксплуатационная скважина горизонтального типа может иметь большую поверхность контакта с пластом пород, что увеличивает коэффициент извлечения нефти из скважины и ее приемистость. Вследствие этого фактора во всем мире прослеживается тенденция бурения именно горизонтальных скважин, которые обеспечивает резкий рост доходов в сравнении с традиционными вертикальными.

В большей части случаев горизонтальная скважина бурится параллельно плоскости напластования коллектора. Используются буровые установки. Вертикальная же скважина бурится перпендикулярно к плоскости напластования. Даже в коллекторах с вертикальным залеганием нефтеносных слоев возможно вначале вертикальное бурение и после этого можно бурить поперечно с целью пересечения нескольких зон добычи. Производительность горизонтальной скважины зависит от длины ее контакта с пластом.

Благодаря этим преимуществам горизонтальная скважина обеспечивает большую и даже более быструю добычу нефти по сравнению с вертикальной скважиной за один и тот же промежуток времени (это при условии, что нефтеносный коллектор дает возможность пробурить горизонтальную скважину). В результате, существенная и быстрая отдача в состоянии оправдать дополнительные расходы на бурение, исследования и заканчивание горизонтальной скважины.

Главное преимущество горизонтальной скважины - большая область контакта с коллектором. В настоящее время возможно бурение горизонтальных скважин на нефть длиной более 1000 м, которые обеспечивают большую область контакта, чем вертикальная скважина. Главный недостаток при этом - одна продуктивная зона для дренирования. Для дренирования нескольких зон применяют два метода:

1) протяженные горизонтальные секции бурятся в более чем одной продуктивной зоне;

2) скважина цементируется, а затем возбуждается путем гидровзрыва пласта.

Как уже отмечалось, другой недостаток горизонтальных скважин - их повышенная стоимость. Как правило, стандартная горизонтальная скважина дороже вертикальной в 1,4-3 раза, в зависимости от выбранного способа бурения и схемы заканчивания работ. Эта стоимость бурения горизонтальных скважин по сравнению с вертикальными скважинами значительно сократилась в течение последних десяти лет. Еще один фактор, влияющий на стоимость бурения - опыт бурильных работ в конкретном районе. По мере увеличения числа пробуренных горизонтальных скважин в одном определенном районе, стоимость бурения по сравнению с вертикальными скважинами снижается. Приобретаемый опыт сказывается на уменьшении стоимости бурения вплоть до выравнивания стоимости до уровня вертикальных скважин. Отсюда следует, что для экономического успеха предпочтительным является проект по бурению нескольких горизонтальных скважин, а не одной отдельной. Кроме того, экономически выгодным может быть покупка и продажа ГНБ б/у.

Таким образом, наиболее эффективно использовать бурение горизонтальных скважин на нефть в следующих случаях:

1. В коллекторах с трещинами горизонтальные скважины используются для пересечения трещины с целью эффективного дренирования коллектора.

2. Для минимизации проблем обводнения и повышения нефтедобычи в коллекторах с опасностью водных и газовых прорывов.

3. При добыче газа горизонтальные скважины используются в коллекторах с любой проницаемостью. С низкой проницаемостью коллектора применение горизонтальных скважин уменьшает их количество, с высокой проницаемостью - снижает скорость газа в прискважинной зоне.

4. Использование горизонтальных скважин для увеличения нефтеотдачи пласта, особенно в случае методов термического воздействия на пласт.

5. Прочие случаи применения горизонтальных скважин связаны, в основном, с разрешением финансовых проблем при бурении. Особенно в случаях, где требуется минимизация числа скважин для дренирования коллектора, чтобы уменьшить экологическую нагрузку на окружающую природную среду. В таких случаях горизонтальные скважины предоставляют уникальные преимущества.

1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения о горизонтальных скважинах

Традиционные методы разработки месторождений системой вертикально пробуренных скважин не всегда эффективны. В 50-е годы в нашей стране группа специалистов начала разрабатывать и применять специальную технику и технологию бурения многозабойных наклонных и горизонтальных скважин. Большой вклад в этом направлении был сделан А.М. Григоряном. В эти же годы были выполнены первые теоретические работы по расчету притока нефти к горизонтальным скважинам (П.Я. Полубаринова-Кочина, Ю.П. Борисов, В.П. Пилатовский, В.П. Меркулов, В.П. Табаков). Однако отсутствие необходимой техники в то время не позволило найти широкое практическое применение этому методу.

В последнее десятилетие в нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные практические и теоретические работы в области применения технологии наклонно горизонтального бурения. Преимущества горизонтальных скважин в ряде случаев очевидны. Горизонтальная скважина имеет значительно большую область дренирования, чем вертикальная. Особенно сильно проявляется этот эффект в пластах малой продуктивной толщины. Область дренирования горизонтальной скважины можно аппроксимировать объемом достаточно протяженного вдоль напластования эллипсоида, тогда как вертикальная скважина дренирует объем кругового цилиндра. Продуктивность горизонтальной скважины растет с ее длиной. Выигрыш в производительности может быть в 3-5 раз.

Горизонтальные скважины особенно эффективны в месторождениях, содержащих вертикальные трещины. В сильно неоднородных по проницаемости пластах (таких, например, как карстовые залежи) горизонтальные скважины имеют большую вероятность встретить продуктивную зону, чем вертикальные. В плане борьбы с обводнением горизонтальная скважина также имеет преимущества.

1.2 Применение горизонтальных скважин

Горизонтальные скважины эффективно использовались в следующих случаях:

1. В трещиноватых коллекторах горизонтальные скважины использовались для того, чтобы пересечь трещины с целью эффективного дренирования коллектора (примеры: Bakken formation, Северная Дакота, США; Austin Chalk, Штат Техас, США и Devonian Shale, Западная Вирджиния, США).

2. В коллекторах с опасностью водных и газовых прорывов горизонтальные скважины использовались, чтобы минимизировать проблемы обводнения и повышать нефтедобычу (например: месторождение Rospo Маге, морское бурение, Италия; месторождение Helder, морское бурение, Нидерланды; месторождение Bima, Индонезия; Prudhoe Bay, Штат Аляска, США и Empire Abo Unit, Новая Мексика, США).

3. При добыче газа горизонтальные скважины могут использоваться как в коллекторах с низкой проницаемостью, так и в коллекторах с высокой проницаемостью. В низко-проницаемых коллекторах горизонтальные скважины могут улучшить дренажную зону и сократить число скважин, которые требуются для дренирования коллектора. В коллекторах с высокопроницаемым коллектором, где скорости газа в прискважинной зоне высоки в вертикальных скважинах, горизонтальные скважины могут использоваться для того, чтобы снизить скорости газа в прискважинной зоне. Таким образом, горизонтальные скважины могут использоваться для уменьшения турбулентности в прискважинной зоне и увеличения производительности скважины в коллекторах с высокой проницаемостью. Недавнее применение технологии горизонтального бурения на газовом месторождении Zuidwal в Нидерландах подтверждает эффективность горизонтальных скважин в снижении турбулентности в прискважинной зоне.

4. Горизонтальные скважины использовались для увеличения нефтеотдачи пласта, особенно с применением термических методов воздействия на пласт. Длинная горизонтальная скважина обеспечивает большую область контакта с коллектором и поэтому повышает приемистость нагнетательной скважины. Это особенно выгодно в тех случаях увеличения нефтеотдачи, когда приемистость является проблемой. Горизонтальные скважины также использовались как эксплуатационные.

Надлежащая ориентация горизонтальных скважин, особенно в трещиноватых коллекторах, может также повысить эффективность вытеснения при интенсификации нефтеотдачи пласта. С недавних пор горизонтальные скважины используются в обводненных районах для закачки полимеров и других агентов для повышения эффективности вытеснения нефти.

Другие случаи применения горизонтальных скважин связаны, главным образом, с преодолением финансовых проблем, обусловленных бурением. На морских месторождениях, на отдаленных месторождениях в чувствительных к загрязнениям областях, где стоимость проекта может быть снижена только путем сокращения до минимума числа скважин, которые требуются для дренирования данного коллектора, горизонтальные скважины очень предпочтительны. В этих случаях горизонтальные скважины обеспечивают уникальные преимущества. Например, при бурении морских скважин затраты на содержание платформы пропорциональны количеству скважин, которые можно пробурить с этой платформы. Протяженные горизонтальные скважины могут использоваться не только для того, чтобы сократить число скважин, требуемых для дренирования данного объема коллектора, но они могут также увеличить объем коллектора, который может быть дренирован с Одной платформы, и значительно сократить проектные затраты. Аналогично в чувствительных к загрязнению областях и на месторождениях, находящихся под городами, горизонтальные (скважины могут использоваться для дренирования большого объема коллектора с минимальным поверхностным ущербом с позиций экологии).

Таблица 1.1 Пробуренные горизонтальные скважины

1.3 Области дренирования горизонтальных скважин

Рисунок 1 показывает область дренирования для вертикальной и горизонтальной скважин. Вертикальная скважина дренирует цилиндрический объем, в то время как горизонтальная скважина дренирует объем, представляющий трехмерный эллипс. Вообще, предполагается, что горизонтальная скважина дренирует больший объем коллектора, чем вертикальная скважина.

Рисунок 1.

На рисунке 2 показана вертикальная скважина с гидроразрывом. Скважина бурится в коллекторе высотой h. В скважине производится разрыв пласта, и получаемая трещина является полностью проникающей, или можно сказать, что она покрывает всю высоту коллектора. Половина длины трещины равна x_f. Кроме того, трещина имеет бесконечную проводимость, что означает, что снижение давления внутри разрыва незначительное. Другими словами, давление в вертикальном стволе скважины и в любой точке в пределах разрыва - то же самое. Это представляет идеальный или желательный разрыв для вертикальной скважины.

Рисунок 2.

Если высоту этого разрыва уменьшить, можно было бы получить горизонтальную скважину (рис. 3). Горизонтальная скважина, таким образом, представляет собой вариант бесконечно-проводимой трещины, высота которой равна диаметру ствола горизонтальной скважины. Становится очевидно, что диаметр ствола горизонтальной скважины имел бы влияние на эффективность скважины. Например, вместо того, чтобы бурить ствол скважины диаметром 4 1/2 дюйма, бурится ствол диаметром 9 7/8 дюйма, т.е. диаметр ствола скважины более чем удваивается. Это увеличивает поверхность ствола скважины, открытую для притока.

Дренажная скважина обычно бурится из вертикального ствола (рис. 3). Это также называется повторным входом. Радиус искривления здесь - приблизительно от 20 до 40 футов (6,5--13 м). При этом длина скважины изменяется от 100 до нескольких сотен футов. Таким образом, дренажная скважина также представляет случай бесконечно проводимого разрыва.

Рисунок 3.

Скважины так же, как дренажные, представляют собой случай полностью проникающей бесконечно проводимой вертикальной трещины.

Изложенное выше суждение относится к одиночной горизонтальной или дренажной скважине. Однако при использовании специальных методов бурения возможно бурение нескольких дренажных скважин из одного вертикального ствола. При этом возможно бурение нескольких дренажных скважин в одной горизонтальной плоскости на фиксированной глубине (рис. 4). Некоторые методы бурения облегчают бурение дренажных скважин в различных уровнях из одной вертикальной скважины (рис. 5). Каждая из этих мультискважин индивидуально представляет случай полностью проникающего разрыва.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

2. Эмпирическая часть

2.1 Анализ формул для расчета коэффициента продуктивности горизонтальных скважин

Гидродинамические расчеты технологических показателей процесса разработки месторождений горизонтальными и наклонными скважинами не могут быть выполнены при помощи обычных формул, применяемых для расчета взаимодействия вертикальных скважин. Поэтому развитие гидродинамических методов подобных расчетов является в настоящее время крайне актуальной задачей. Приведем здесь идею некоторых приближенных подходов к определению дебита горизонтальной скважины, не останавливаясь на выкладках и преобразованиях.

Рассмотрим стационарный приток несжимаемой жидкости (нефти) к горизонтальной скважине длины 2l в однородном изотропном пласте проницаемости k с продуктивной толщиной h и непроницаемой кровлей и подошвой. Для простоты предполагаем, что скважина расположена на оси пласта. Учет несимметричности ее расположения (эксцентрисета) связан лишь с некоторыми дополнительными техническими трудностями. Будем считать справедливым закон Дарси. Пусть на забойной поверхности скважины поддерживается постоянное рабочее давление P₀, а на удаленном круговом «контуре питания» с радиусом R_k, (эффективный радиус дренажа) постоянное давление P_k (P_k > P_c). Требуется определить суммарный дебит такой скважины.

Такая задача сводится к решению трехмерного уравнения Лапласа для давления с соответствующими краевыми условиями и не имеет простого аналитического решения. Для получения простой расчетной формулы для дебита может быть использован следующий приближенный прием. Будем моделировать горизонтальную скважину в горизонтальном (А-А) и вертикальном (В-В) сечениях, соответственно:

а) линейным стоком длины 2l с постоянной плотностью q = Q/(2l) (Q общий объемный расход жидкости в стоке) или

б) «точечным» стоком радиуса r_c, расположенным посередине между двумя плоскостями.

Тогда исходную пространственную задачу можно свести к решению двух плоских задач: течению нефти в горизонтальной плоскости к линейному стоку (очень тонкой пластине) и притоку нефти в вертикальной плоскости к точечному стоку в полосе шириной h. Суммарная производительность горизонтальной скважины рассчитывается как суперпозиция соответствующих решений этих двух плоских задач. Для решения каждой из плоских задач может быть использован метод отображения источников и стоков, метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений или часто более удобный метод комплексного потенциала.

Гидродинамическое поле течения представляет семейство взаимно ортогональных линий тока - гиперболы и эквипотенциалей-эллипсы для первой плоской задачи. Дебит линейного стока определяется по формуле:

где ДP = P_к-- Рс, а - большая полуось удаленного эллипса, на котором поддерживается постоянное давление Р_k.

При расчетах обычно используют эффективный радиус R_k, кругового контура питания, который определяется из двух соотношений:

1) (равенство площадей дренажа: круговой и эллиптической);

2) условия того, что точки -l и l являются фокусами эллипс; дренажа, так что .

Эти условия приводят к равенству:

 (1)

В случае притока жидкости к «точечному» стоку в полосе дебит находится по формуле:

Результирующий дебит Q скважины находится суммированием фильтрационных сопротивлений, соответствующих каждой из задач.

Соответствующая формула имеет вид:

(2)

Эта расчетная формула была получена S.D. Joshi (1988 г.).

Приведем два других соотношения для определения дебита Q:

(3)

Ю.П. Борисов (1964 г.)

В.П. Пилатовский (1964 г.)

(4)

Таблица 2.1

Интересно отметить, что максимальное различие в величинах дебита Q, рассчитанного по формулам (2) (4), полученным различными методами, не превышает 11%. В таблице 1 приведены сравнительные результаты расчетов безразмерного коэффициента продуктивности J*=Q?/(2рkhДP) в зависимости от половины длины скважины l при различных значениях эффективного радиуса контура питания R_k При этом было принято h = 10 м, r_c = 0,1 м, а величина а в соотношении (2) вычислялась по следующей формуле, получающейся из (1):

а = l(0,5 ++R_k⁴/l⁴)^1/2

В заключение заметим, что при определенных условиях формулы (2)-(4) можно упростить. Например, если длина горизонтальной скважины 2l значительно больше продуктивной толщины пласта h, т. е. 2l»h, то вторым слагаемым в знаменателе формулы (3) можно пренебречь, и она сводится к виду, эквивалентному формуле Дюпюи:

(5)

Таким образом, дебит достаточно протяженной горизонтальной скважины можно приближенно вычислять по формуле, т.е. так же, как для эквивалентной совершенной вертикальной скважины с приведенным радиусом r_c, равным одной четверти длины L горизонтальной скважины: r_c = l/2 = L/4.

Заключение

В результате выполненного курсового проекта были изучены интересные и немаловажные достоинства и преимущества горизонтальных скважин перед её вертикальными аналогами. В основном это повышение производительности скважины в целом и эта производительность зависит от длины контакта данной скважины с пластом. Благодаря этому горизонтальная скважина обеспечивает больший дебит, и, как следствие, более быструю добычу нефти, нежели вертикальная. В результате существенная и быстрая отдача в состоянии оправдать дополнительные расходы на бурение, исследования и заканчивание горизонтальной скважины, что являлось сдерживающим фактором при разработке и добыче нефти с использованием горизонтальных скважин в середине прошлого века.

Главное преимущество горизонтальной скважины - большая область контакта с коллектором. В настоящее время возможно бурение горизонтальных скважин на нефть длиной более 1000 м, которые обеспечивают большую область контакта, чем вертикальная скважина.

Главный недостаток при этом - одна продуктивная зона для дренирования. Для дренирования нескольких зон применяют два метода:

1) протяженные горизонтальные секции бурятся в более чем одной продуктивной зоне;

2) скважина цементируется, а затем возбуждается путем гидровзрыва пласта. Таким образом, так как об эффективности бурения горизонтальных скважин уже указано выше во введении, следует добавить несколько замечаний об основной задаче курсовой работы - о расчете коэффициента продуктивности, так как развитие гидродинамических методов исследования скважин является актуальной задачей.

В этой работе, мною рассмотрены три формулы, а именно: S.D. Joshi (1988 г.), Ю.П. Борисова (1964 г.), В.П. Пилатовского (1964 г.)

Выполнены расчеты для наглядности и сравнения результатов. В результате расчетов выяснилось, что результаты расходятся максимум на 11%. Таким образом, можно считать, что рассмотренные формулы не противоречат друг другу, расхождение в расчётах допустимое для практического применения и эти формулы можно использовать для расчетов дебитов горизонтальных скважин.

Список литературы

1. S.D. Joshi, Ph.D. Joshi Technologies International, Inc. Tulsa, OK, U.S.A. «Основы технологии горизонтальной скважины»

2. К.С. Басниев; И.Н. Кочина; В.М. Максимов. «Подземная гидромеханика». Москва "НЕДРА" 1993

3. Бердин Т.Г. «Проектирование разработки нефтегазовых месторождений системами горизонтальных скважин». Москва "НЕДРА" 2001.

Размещено на Allbest.ru