Исследование скважин – ответственный этап при составлении проектов разработки нефтяных и газовых месторождений; при анализе, контроле и регулировании процессов, протекающих в недрах в процессе их эксплуатации. Полученная информация необходима для организации правильных, экономически оправданных процессов добычи нефти, для осуществления рациональных способов разработки месторождения, для обоснования способа добычи нефти, выбора оборудования скважины, для установления наиболее экономичного режима работы этого оборудования при высоком коэффициенте полезного действия.
В процессе добычи нефти условия в нефтяной залежи постоянно меняются. Продукция скважин обводняется, падает пластовое давление, изменяется газовый фактор. Исследование скважин позволяет постоянно получать обновляющуюся информацию о скважинах и пластах.
Основную информацию о состоянии скважины и призабойной зоны, можно использовать для решения двух основных задач. Первая заключается в определении эффективности геолого-технического мероприятия на скважине, например, гидроразрыва пласта и т.п., сравнением результатов исследования до и после мероприятия. Вторая задача связана с оценкой текущего состояния системы призабойная зона – скважина. В процессе эксплуатации происходит изменение ее характеристик, вызванное различными причинами: отложениями парафина в призабойной зоне и подъемных трубах, накоплением воды на забое скважины, образованием песчаных пробок и т.д. Контролирование состояния скважины и диагностирование возможных причин снижения ее продуктивности на основе результатов исследований позволяют своевременно и целенаправленно проводить необходимые геолого-технические мероприятия.
Для решения этих задач применяют комплекс методов исследования скважин: геофизические методы, гидродинамические, скважинные дебитометрические исследования.
Геофизические методы исследования основаны на физических явлениях, происходящих в горных породах и жидкостях при взаимодействии их со скважинной жидкостью и при взаимодействии на них радиоактивного искусственного облучения или ультразвука. Эти методы дают обильную информацию о состоянии горных пород, их параметрах и об их изменениях в процессе эксплуатации месторождения. Так как эти методы, их теория и техника осуществления основаны на знаниях специальных предметов, поэтому они осуществляются геофизическими организациями, имеющими специально-обученный персонал, оборудование и аппаратуру. К геофизическим исследованиям скважин относятся различного рода каротажи, т.е. прослеживание за изменением какой-то величины по стволу скважины с помощью специальной аппаратуры.
Исследование скважин методом установившихся режимов работы
... оценке технического состояния скважин. Существуют следующие методы исследований скважин и пластов: гидродинамические, дебитометрические, термодинамические и геофизические. Геофизические методы исследования. Из всех методов исследования скважин и пластов ... В процессе выработки запасов нефти условия в нефтяной залежи и в скважинах изменяются. Скважины обводняются, пластовое давление снижается, ...
Электрокаротаж – позволяет проследить за изменением электрического поля в результате взаимодействия скважинной жидкости с породой. Разновидности электрического каротажа – боковой каротаж, микрокаротаж, индукционный каротаж – позволяют определить положение кровли и подошвы коллекторов, нефтенасыщенные пропластки и другую информацию о породах.
Радиоактивный каротаж – основан на радиоактивных процессах, происходящих в ядрах атомов горных пород и жидкостей. Наиболее часто применяемым является гамма-каротаж, который позволяет дифференцировать породы по интенсивности естественной радиоактивности. Косвенно гамма-каротаж позволяет определить пористость коллекторов, а также обнаружить поступление воды в скважину.
Нейтронный каротаж – основан на взаимодействии нейтронов с ядрами элементов горных пород. Этот каротаж дает дополнительную информацию о коллекторе и пластовых жидкостях.
Акустический каротаж – это определение упругих свойств горных пород, который применяется для контроля цементного кольца и технического состояния скважины.
Другие виды каротажа: кавернометрия – т.е. измерение диаметра необсаженной скважины вдоль ствола, что позволяет уточнить положение проницаемых и непроницаемых пород; термокаротаж — изучение распределения температуры по стволу скважины, это позволяет получить информацию о теплоемкости и теплопроводности пластов, местоположение газонефтяного контакта, дефекта в обсадной колонне, зоны поглощения воды и газа при закачке.
Гидродинамические методы исследования
Эти исследования выполняются персоналом и техническими средствами нефтедобывающих предприятий. При гидродинамических методах исследования процессом охватывается вся зона дренирования, поэтому результаты этих исследований охватывают большие радиусы, чем при геофизических исследованиях. Гидродинамические методы исследования разделяются на 2 вида: при установившихся режимах работы скважины и при неустановившихся режимах работы скважины.
Исследования при установившихся режимах называется методом пробных откачек. Этот метод позволяет получить индикаторную линию скважины, которая представляет собой графическую зависимость между установившимися дебитами скважины Q и депрессиями на пласт Δр = Рпл – Рзаб. В результате исследований получают коэффициент продуктивности скважины К, исходя из соотношения
Q = К
- Δр.
Это соотношение необходимо для определения оптимального дебита скважины и технических средств для подъема жидкости. С помощью этого метода также можно определить гидропроводность пласта:
где k – проницаемость пласта, м2 h – толщина пласта, м μ – динамическая вязкость жидкости, Па·с
Значения этого параметра ε наиболее характерно для призабойной зоны, т.к. здесь происходит наибольшее падение давления.
Для правильного проведения исследований необходимо, чтобы при каждой депрессии (или дебите) скважина вышла на установившийся режим. Установление режима в скважине может происходить в течение длительного времени – от нескольких часов до нескольких суток, поэтому обычно проводят исследования на 3-5 режимах.
В качестве примера рассмотрим данные исследования скважины № 5:
| Режим | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Дебит, м3/сут | 48 | 132 | 178 | 222 |
| Депрессия, МПа | 0,5 | 0,98 | 1,26 | 1,62 |
Тогда
,
Получится 4 разных значения К, рекомендуется принять среднее арифметическое.
Если пластовое давление неизвестно, то индикаторную линию можно функции забойного давления, т.е. Q = f (Pc).
индикаторную линию до пересечения с осью ординат, можно определить пластовое давление; а пересечение с осью дебитов дает величину так называемого потенциального дебита Qпот.
Фактические точки Q (P), получаемые при исследовании скважины, обычно не лежат на одной прямой и дают разброс, иногда значительный. Таким образом, индикаторная линия не всегда получается прямой, а искривляется, что объясняется причинами: 1) образованием вокруг скважины области с двухфазной фильтрацией при Рзаб < Рнас; 2) изменением проницаемости при изменении внутрипластового давления; 3) превышением скоростей движения жидкости в призабойной зоне критических значений, при которых линейный закон Дарси нарушается.
При любом виде искривления индикаторной линии ее всегда можно аппроксимировать уравнением
Q = K
- (Pk — Pc)n
Это уравнение называют общим уравнением притока. Если n = 1, то индикаторная линия прямолинейна. При 1 > n > Ѕ и индикаторная линия с искривлением в сторону оси Р, при n > 1 – с искривлением в сторону оси Q.
Линейная фильтрация является аналогом ламинарного течения жидкости в трубной гидравлике, такая фильтрация с энергетической точки зрения наиболее экономична. Таким образом, n > 1 не может быть. При n = Ѕ приток имеет четко выраженное турбулентное течение жидкости, когда коэффициент трения λ не зависит от числа Re.
Исследования на неустановившихся режимах дают наиболее полную информацию о свойствах пласта. Общая схема проведения этих исследований состоит в следующем. Создают определенное воздействие на пласт, например, изменением дебита или давления в скважине. Затем проводят наблюдение за изменением дебита или давления в некоторой точке пласта. По полученной информации определяют гидродинамические свойства исследуемого пласта. Различают 2 основных вида исследований – исследование скважин и гидропрослушивание.
Исследование скважин заключается в наблюдении за изменением давления или дебита скважины во времени вызванного изменением режима ее работы. Наиболее часто проводится метод снятия кривой восстановления давления (КВД).
Скважину останавливают и следят за восстановлением забойного или устьевого давления во времени. Аналогично снимаются кривые падения давления (КПД) при пуске скважины в работу.
Методы обработки результатов гидродинамических исследований скважин основаны на различных математических моделях в зависимости от типа коллектора и реологических свойств пластовой нефти. Распространенным способом определения параметров пласта является обработка КВД в полулогарифмических координатах. Тогда изменение забойного давления во времени может быть представлено в виде:
где Q0 – дебит скважины до остановки; rc – приведенный радиус скважины;
по тангенсу угла наклона прямолинейной зависимости ΔP – lnt (величина а) определяют коэффициент гидропроводности:
и коэффициент пьезопроводности (величина b)
Полученные параметры пласта характерны для удаленных зон пласта. Аналогично исследуются нагнетательные скважины, и снимается кривая падения давления (КПД).
Обработка данных КПД аналогична КВД.
Исследование пласта методом гидропрослушивания заключается в изучении особенностей распространения возмущений по пласту между 2-мя скважинами. В одной из них, называемой скважинной – источником или возмущающей скважиной, изменяют режим, т.е. остановка, пуск в работу, а в другой – удаленной или в нескольких скважинах – реагирующих фиксируется изменение давления во времени.
Для обработки результатов гидропрослушивания используется формула:
где ΔQ – изменение дебита возмущающей скважины; R – расстояние между скважинами: возмущающей и реагирующей; t – время, истекшее с начала возмущения.
Исследования на неустановившихся режимах позволяют качественно оценить изменение проницаемости или наличие непроницаемых включений в удаленных областях пласта. Наличие таких аномалий показывает вид концевых участков КВД.
Лекция №2, Термодинамические исследования скважин
Колебания температуры на земной поверхности вызывают изменения температуры на малой глубине. Суточные колебания температуры затухают на глубине не менее метра, а газовые – на глубине ≈ 15 м. Этот уровень называют нейтральным слоем, ниже которого температура постоянна и равномерно нарастает от действия теплового потока, идущего из глубины земли. Мощность этого теплового потока q связана простым соотношением с теплопроводностью λ и температурным градиентом
:
Температурный градиент земли для различных геологических районах отличается и в среднем Г ≈ 0,03 0С/м. Естественное распределение температуры в неработающей скважине – это естественная геотерма. Термограмма – распределение температуры в работающей скважине имеет отклонения от геотермы, которые связаны с термодинамическими и гидродинамическими процессами, происходящими в продуктивном пласте.
В настоящее время имеются скважинные термометры – дебитомеры. Основанные на принципе охлаждения нагретой электротоком спирали, омываемой потоком жидкости. Чем больше расход жидкости, тем интенсивнее понижается температура спирали. Таким образом можно экспериментально установить зависимость между температурой спирали и расходом жидкости. С помощью термодебитомера снимаются 2 термограммы: первая – обычная, когда нагретая спираль подвергается воздействию потока жидкости; вторая – геотерма в остановленной скважине.
По разности показаний этих 2-х термограмм с помощью калибровочных кривых определяется изменение расхода жидкости вдоль исследуемого интервала.
Но это еще не все возможности термометрических исследований. Изучение изменения температуры на забое скважины при изменении ее режима работы позволяет проводить термозондирование пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин.
Лекция №3, Основы теории движения газожидкостных смесей в скважине
При всех известных способах добычи нефти приходится иметь дело с движением газожидкостных смесей либо на всем пути от забоя до устья, либо на большей части этого пути. Поэтому для умения проектировать установки для подъема и выбирать необходимое оборудование скважин, необходимо знать законы движения газожидкостных смесей (ГСЖ) в трубах. Эти законы сложнее законов движения однородных жидкостей в трубах и изучены хуже.
Для наглядности процесса движения ГЖС в вертикальной трубе проделаем (см. рис.1)
Рис.1 Схема газожидкостного подъемника
Пусть трубка 1 длиною L погружена под уровень жидкости на глубину h. К нижнему концу трубки (или башмаку НКТ) подведена другая трубка 2 для подачи газа с поверхности. На трубке 2 имеется регулятор 3 подачи газа. Давление у башмака подъемной трубки 1 будет равно гидростатическому на глубине h, т.е. Р1 = ρ
- g
— h. Это давление будет меняться в зависимости от количества газа, подаваемого к башмаку. В трубке 1 образуется ГЖС средней плотности ρс, которая поднимается на высоту Н. Внутренняя полость трубки 1 и наружная область являются сообщающимися сосудами, тогда можно записать равенство:
ρgh = ρc
- g
- H, или H = h
Плотность смеси в трубке ρc зависит от расхода газа V, причем, чем больше V, тем меньше ρc. Значит, меняя V, можно регулировать Н. При некотором расходе V = V1 величина Н = L, отсюда при V < V1 Н < L, а при V > V1 Н > L и наступает перелив жидкости через верхний край трубки 1. При дальнейшем увеличении V количество жидкости, поступающей на поверхность, q увеличится. Но при непрерывном увеличении V, ΔP = P1 – P2 = const, т.к. h = const, то при некотором расходе газа V2 дебит достигнет максимума q = qmax. Однако если увеличивать расход газа, то он достигнет определенной величины V = V3, когда пропускная способность трубки 1 при заданных L,d, ΔP будет равна V3. Очевидно, что при этом дебит жидкости будет равен нулю q = 0 (см. рис.2).
Анализируя график рис. 2 можно сделать выводы:
1) при V < V1 q = 0 (Н < L)
2) при V = V1 q = 0 (Н = L)
3) при V1 < V < V2 0 < q < qmax (Н > L)
4) при V = V2 q = qmax — точка max подачи
5) при V2 < V < V3 qmax > q > 0
6) при V = V3 q =0 – точка срыва подачи.
Для всех точек кривой постоянным является давление Р, т.к. погружение h в процессе опыта не меняется. На практике существует понятие – относительное погружение 
. Очевидно, что ε будет меняться от 0 до 1, вид кривых q(V) будет одинаковый (см. раис3).
По рис.3 видно, что при увеличении ε новые кривые обогнут прежнюю, т.к. с ростом h потребуется меньший расход газа для наступления перелива. При уменьшении ε кривые q(V) расположатся внутри предыдущих и при ε = 0 кривая превратится в точку. В случае ε = 1 (h=L; 100% погружение) при очень малом расходе газа начинается перелив, поэтому точка начала подачи сместится в начало координат.
Теперь рассмотрим, как изменяется кривые q(V) при изменении диаметра подъемника d. Новое семейство кривых для трубы диаметром d2 > d1 показано на рис.4.
Рис.4. Кривые q (V) для различных диаметров подъемника при d2 > d1
По рис.4 видно, что с увеличением диаметра требуется большего расхода газа, т.к. увеличивается объем жидкости пропорционально d2. Пропускная способность трубы с d2 увеличится, а семейство кривых q(V) будут смещены вправо в сторону увеличения объемов, кроме точки при ε = 1, совпадающей с началом координат.
Лекция №4, К.П.Д. Подъемника ГЖС
При работе газожидкостного подъемника очень важно определить точку, так называемой оптимальной производительности, соответствующий наибольшему к.п.д. подъемника определенного диаметра и при заданном ε.
Из определения понятия к.п.д. η следует:
,
где Wп – полезная работа Wз – затраченная работа
Полезная работа заключается в поднятии жидкости с расходом q на высоту (L — h), т.е.
Wп = q
- ρ
- g
- (L — h)
Затраченная работа – это работа газа, расход которого приведен к стандартным условиям, равен V. Будем считать процесс расширения газа изотермическим, тогда на основании законов термодинамики идеальных газов будем иметь:
где Р1 + Р0 – абсолютное давление у башмака; Р2 + Р0 – абсолютное давление на устье; Р0 – атмосферное давление
Подставим Wп и Wз в формулу для η , тогда получим:
В последней формуле все величины, кроме q и V, постоянны, так как рассматривается одна кривая q(V) при ε = const. Тогда перепишем формулу:
,
где С — константа
Таким образом, к.п.д. будет иметь максимальное значение в точке, в которой максимально отношение q/ V. Но q/ V = tg φ, т.к. q – ордината, V – абсцисса, φ – угол наклона прямой, проведенной из начала координат через данную точку (q, V).
Только для касательной tg φ будет иметь max значение, т.к. только для нее угол φ будет max. Поэтому в точке касания прямой, проведенной из начала координат к кривой q(V), получаются такой дебит q и такой расход газа V, при которых к.п.д. процесса будет наибольшим. Дебит при максимальном к.п.д. называют оптимальным дебитом qопт. (см.рис.5)
Понятие об удельном расходе газа
Удельным расходом газа называют отношение
,
т.е. необходимое количество газа для подъема 1 объема жидкости. Из определения следует, что для точек начала и срыва подачи, когда q = 0, а V > 0, удельный расход R обращается в бесконечность (см. рис 6.).
Таким образом, анализируя вышеизложенное можно сделать вывод, что для достижения наибольшей эффективности работы газожидкостного подъемника погружение подъемной трубы под уровень жидкости необходимо осуществить на 50-60% (ε ≈ 0,5 – 0,6) от всей длины трубы L. Но эта рекомендация не всегда может быть осуществлена в реальных условиях из-за низкого динамического уровня жидкости или из-за органического давления газа, используемого для подъема жидкости.
потока ГЖС в вертикальной трубе
Рис. газожидкостного потока:
- а – эмульсионная; б – четочная, в – стержневая
Различные движения ГЖС в трубе существенно влияют на энергетические показатели подъема жидкости. потока ГЖС зависит от физических свойств жидкости и характера ввода газа в поток.
Рассмотрим изменение в фонтанной скважине. На участке НКТ, где давление меньше давления насыщения, выделяющийся из нефти газ образует тонкодисперсную которая называется эмульсионной. Мелкие пузырьки газа равномерно расположены в массе нефти и образуют однородную смесь газа и жидкости. Из-за маленьких размеров (доли мм) и большой плотности газовые пузырьки обладают малой архимедовой силой, поэтому их скорость всплытия очень мала и в расчетах может не учитываться. Далее при движение ГЖС по трубе вверх давление уменьшается, газовые пузырьки расширяются, сливаются друг с другом, и образуют глобулы больших размеров (диаметр глобул составляет несколько см).
Скорость всплытия этих глобул становится большой, что ухудшает энергетические показатели процесса подъема. называется четочной. При больших расходах газа возникает стержневая которой пленка жидкости по стенкам трубы увлекается потоком газа с каплями жидкости. При этом скорость газа по отношению к жидкости достигает нескольких метров в секунду.
На практике не существует резких границ перехода между ГЖС, здесь могут образовываться переходные Возникновение различных ГЖС зависит от вязкости нефти, наличия в ней ПАВ, способствующих распылению газа в потоке.
Знание различных ГЖС необходим для расчетов движения потоков в вертикальной трубе.
Лекция №5, Гидродинамический расчет процесса движения ГЖС в вертикальной трубе
скважина гидродинамический газ фонтанный
Расчет подъемника заключается в определении распределения давления по стволу работающей скважины, диаметра подъемника, глубины его спуска и пропускной способности.
Рассмотрим 2 случая работы скважины – добычу маловязкой и высоковязкой нефти. Здесь основные отличия заключаются
потери на трение при подъеме высоковязкой нефти играют существенную роль в общем балансе энергии, тогда как потери на трение при подъеме маловязкой нефти достаточно малы;
- потока и режим движения ГЖС в подъемнике при подъеме высоковязкой нефти обычно остаются постоянными, т.е. эмульсионная ламинарном режиме;
- скольжение фаз (относительная скорость газа в нефти) пренебрежимо мало.
При расчете распределения давления по стволу скважины необходимо учитывать различные потока ГЖС, которым соответствуют различные схемы для определения гидравлических характеристик потока. Изменение потока играет существенную роль в скважинах с маловязкой нефтью.
При подъеме маловязкой нефти потери на трение составляют незначительную долю перепада давления между забоем и устьем скважины (примерно ≈ 0,6 – 1%).
потока по глубине может изменяться, в нижней части НКТ обычно имеет место эмульсионная который выше может переходить в четочную т.д. Граница перехода одного режима в другой четко не определяется, что снижает точность расчетов.
Таким образом, расчет перепада давления по стволу скважины при движении ГЖС сводится к расчету гидростатического давления. Для этого необходимо знать, как изменяется удельный вес ГЖС по глубине: γсм = γсм (h).
Поскольку γсм = γж (1 — φ) + γг
- φ,
где γж, γг – удельный вес соответственно жидкости и газа; φ – объемная концентрация газа в данном сечении.
удельный вес газа, приведенный к условиям Р и Т.
В практических условиях объемное газосодержание φ не определяют. Удобной для измерения величиной является расходное газосодержание – отношение расхода газа к сумме расходов газа и жидкости.
Зная зависимость γсм (h), интегрированием уравнения
находят распределение давления по глубине.
При известном давлении на устье Ру формула имеет следующий вид:
,
где h – глубина скважины.
При известном забойном давлении Рз
где Н – глубина скважины.
При определении расходного газосодержания следует учитывать как свободный газ, поступающий в скважину из пласта, или газ, закачиваемый в скважину при газлифтном способе эксплуатации, так и газ, выделяющийся из нефти при подъеме жидкости вверх. Обозначим массовый дебит свободного газа через qгс. Примем линейный закон растворимости газа в нефти (закон Генри) и рассмотрим участок подъемника длиной dh. Изменение qг на этом участке происходит за счет выделения газа из нефти, т. е. баланс массы газа за время dt будет:
где а – коэффициент Генри; ρго – плотность газа при нормальных условиях; F – площадь поперечного сечения труб.
Δq2 = q2 (h + dh) – q (h)
Δp = p (h) – p (h + dh)
Учтем, что dh = υж
- dt, тогда получим:
где υж – скорость движения жидкости в трубах.
Расходное газосодержание
Очевидно, что υж
- (1 — φ)
- F = Q,
где Q – дебит скважины
Зная зависимость φ = φ (β) находим распределение давления по стволу скважины Р, объемное газосодержание φ и дебит газа qг.
Теперь рассмотрим особенности расчета подъемника высоковязкой жидкости. В этом случае необходимо учесть потери давления на трение, т.е.:
где 
— скорость движения смеси;
- λсм – коэффициент гидравлического сопротивления смеси.
λсм можно оценить по формуле λсм ≈ λж; при ламинарном движении потока 
. При высокой вязкости откачиваемой жидкости необходимо учитывать изменение температуры потока по глубине, т.к. вязкость очень сильно зависит от температуры. Распределение температуры по глубине можно определить опытным путем или расчетным.
Рассмотрим установившийся поток в подъемных трубах. По мере подъема жидкости температура ее понижается в результате теплообмена с окружающей средой. Получим уравнение теплового баланса.
Пусть в сечении h температура потока равна T(h), соответственно в сечении h + Δh – T (h + Δh).
Время, за которое жидкость проходит расстояние Δh, равно 
