ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Ю.П. КОРОТАЕВ
Высокие темпы развития газовой промышленности, намеченные XXII съездом КПСС, предъявляют новые повышенные требования к разведке и разработке газовых и газоконденсатных месторождений.
В последние годы в Советском Союзе открыто большое число газовых и газоконденсатных месторождений, такие как Шебелинское, Газлинское, Северо-Ставропольское и группа газоконденсатных месторождений Краснодарского края, в которых сосредоточены основные запасы газа.
При проектировании разработки газовых и газоконденсатных месторождений необходимо выбрать для каждой залежи и месторождения рациональную систему разработки, при которой запасы газа и конденсата будут поданы потребителям с наименьшими капитальными и эксплуатационными затратами, с учетом наиболее полного извлечения из недр газа и конденсата.
Проектирование разработки газовых и газоконденсатных месторождений является комплексной задачей, решаемой при помощи геологии, гидрогазодинамики и отраслевой экономики. При этом пласт - скважина - промысловые сооружения - газопровод - потребитель рассматриваются взаимосвязанно.
Комплекс разработки газовых и газоконденсатных месторождений неразрывно связан с их разведкой и включает: получение необходимых исходных данных для проектирования, выбор величин отбора газа из месторождений, выбор и осуществление оптимального варианта разработки и обустройства промысла.
Проектирование разработки газовых и газоконденсатных месторождений, различных по своим характеристикам, обладает и рядом особенностей.
Основными особенностями разработки крупных газовых и газоконденсатных месторождений являются: необходимость бурения известного числа эксплуатационных скважин, последовательность проектирования разработки и обустройства, особый анализ всех данных при установлении оптимального отбора газа из месторождения.
При этом на крупных газовых и газоконденсатных месторождениях величины отборов обычно во времени переменны (нарастающая, постоянная и падающая добыча), и месторождение разбуривается в течение нескольких лет и в определенной степени проектирование разработки идет по отдельным этапам. Первый этап - проектирование и осуществление опытной эксплуатации разведочных и оценочных скважин. Второй этап - проектирование разработки на весь или основной период эксплуатации месторождения. По мере уточнения и получения новых исходных данных в процессе эксплуатации месторождения и бурения новых эксплуатационных скважин проводится анализ составленного ранее проекта разработки, уточняется режим эксплуатации месторождения и вносятся соответствующие коррективы.
При разработке небольших по запасам месторождений практически все разведочные скважины, пробуренные в пределах газоносной части пласта, переходят в эксплуатационные, а законтурные должны переводиться в наблюдательные пьезометрические скважины, и по существу проектирование разработки упрощается и сводится к уточнению проекта опытной эксплуатации на весь период эксплуатации месторождения. На практике иногда отмечается бурение излишнего количества скважин.
Большое народнохозяйственное значение, особенно для крупных газовых месторождений, имеет вопрос сокращения сроков промышленной разведки, подготовки исходных данных для проектирования разработки и скорейшего ввода их в промышленную разработку с минимальной затратой материальных средств.
Проведение полного комплекса гидродинамических, термодинамических и геофизических исследований в процессе бурения и испытания первых разведочных скважин позволяет значительно сократить число разведочных скважин и сроки разведки. Например, применение в разведочных скважинах до спуска обсадных колонн испытателей пластов, обеспечивающих проведение гидродинамических исследований, и широкое использование на разведочных скважинах методов интенсификаций притока весьма повысит эффективность разведочных работ.
Повсеместное внедрение гидродинамических исследований газовых скважин при стационарных и нестационарных режимах фильтрации с применением глубинных приборов, измеряющих поствольные и забойные характеристики потока, позволяет с минимальными затратами средств и времени определять основные исходные параметры пластов и скважин, необходимые для проектирования разработки. К этим данным относятся: пластовые давления, рабочие дебиты, коэффициенты фильтрационного сопротивления, неоднородность пород по мощности и площади, проницаемость призабойной зоны и участков, удаленных от скважины, наличие экранов и зон ухудшенной проводимости, эффективные мощности, пористость и пр. При этом основным препятствием к широкому применению гидродинамических методов исследования газовых и газоконденсатных скважин является отсутствие соответствующей аппаратуры и приборов, обладающих достаточной точностью. В настоящее время нужно организовать разработку и выпуск дистанционных приборов с требуемой точностью измерений и переменной скоростью регистрации показаний во времени. В дальнейшем необходимо разработать методы использования специальных быстродействующих счетных машин, электрических моделей и отдельных интегрирующих блоков для определения параметров пластов и скважин по данным как геофизических, так и гидродинамических исследований скважин при стационарных и нестационарных режимах фильтрации. Большое будущее принадлежит комплексным гидродинамическим, термодинамическим и радиометрическим методам исследования освоенных скважин с одновременной автоматизацией определения физико-химических характеристик газа и конденсата при различных давлениях и температурах в промысловых условиях, в установленных точках на всем пути движения газа - от пласта до газопровода. Для этого необходимо полное обеспечение промыслов соответствующими приборами и аппаратурой.
При проведении исследований большое значение имеет правильное определение оптимальных как практических устанавливаемых по каждой скважине, так и проектных гидродинамических и термодинамических технологических режимов эксплуатации скважин и наземных сооружений и характера их изменения во времени. С целью определения технологического режима при исследовании применяют передвижные установки, состоящие из двух-трех сепараторов со штуцерами между ними, емкостями для измерения количества жидкости и твердых примесей и другого оборудования и приборов. Присоединение к подобной передвижной установке двух теплообменников с сепаратором между ними, из которых один теплообменник - подогреватель, а другой холодильник, позволяет создать комплексную установку, при помощи которой уже в процессе разведки месторождения можно осуществить также моделирование температурного режима, определить количество жидкости (воды и конденсата) и исследовать условия гидратообразования в наземных сооружениях на различных этапах разработки месторождения при различных давлениях и температурах в газопроводах с учетом сезонных колебаний температуры. Применение таких комплексных передвижных установок позволит, например, наряду со снятием изотерм конденсации, включая пластовые, при промышленных дебитах также исследовать эффективность и продолжительность применения низкотемпературной сепарации, условия и место образования гидратов с учетом конкретных специфических условий работы месторождения на различных этапах разработки.
Организация гидродинамических исследований на промыслах и разведках в настоящее время не отвечает тем возросшим требованиям, которые поставлены при современной практике разведки и разработки газовых месторождений. Тематические партии по испытанию скважин на разведках и технологические группы на промыслах созданы не повсеместно и, как правило, не имеют ни достаточного количества необходимого оборудования и приборов, ни достаточного опыта и квалификации и крайне малочисленны.
Наряду с полным комплексом исследований скважин с целью получения наиболее достоверных исходных данных для проектирования разработки газовых и газоконденсатных месторождений осуществляется опытно-промышленная эксплуатация, являющаяся завершающим этапом комплексной промышленной разведки и началом разработки месторождений. В процессе опытно-промышленной эксплуатации обычно уточняются оптимальные рабочие дебиты скважин, запасы газа и условия работы наземных сооружений. На небольших месторождениях опытно-промышленная эксплуатация для подсчета запасов по падению давления наиболее эффективна. При опытно-промышленной эксплуатации предусматривается подключение новых месторождений к близко расположенным действующим газопроводам, сооружение газопроводов местного значения или осуществление перепуска газа из одних пластов в другие.
Промышленная разведка и опытная эксплуатация проводятся с учетом специфических особенностей каждого месторождения и местоположения потребителей. Так, например, разведка и подсчет запасов газа по Газлинскому и Северо-Ставропольскому месторождениям были закончены без широкого использования опытно-промышленной разработки для подсчета запасов газа, так как основные потребители расположены на большом расстоянии от них и это требовало сооружения газопроводов значительной протяженности. Шебелинское месторождение (расположенное в центре Европейской части СССР) еще задолго до полного окончания разведки вступило в промышленную эксплуатацию и из него за 1956-1961 гг. было добыто 42 млрд. м3 газа. Это с одновременным применением широкого комплекса гидродинамических исследований позволило на Шебелинском месторождении в значительной мере сократить сроки разведки месторождения, определить параметры пластов в сложных геологических условиях при наличии трещиноватых коллекторов и установить оптимальные рабочие дебиты газа, которые по отдельным скважинам достигают 1,5-2 млн. м3/сутки.
После установления величины отбора газа из месторождения выбирают оптимальный вариант разработки проведением соответствующих гидродинамических и технико-экономических расчетов различных вариантов разработки.
При газодинамических расчетах, как правило, проводится осреднение параметров и определенная схематизация реальных залежей, при которой стоит задача не допустить существенного и принципиального искажения характера перераспределения давлений и дебитов в процессе разработки и чтобы принятые упрощения приближались к реальным условиям. Часто пласт представляется однородным, нестационарный процесс истощения газовой залежи рассматривается как последовательная смена стационарных состояний и не учитывается отклонение реальных газов от законов идеального газа. В более точной постановке гидродинамические расчеты разработки могут быть решены на электроаналоговых машинах с учетом неоднородности и сложной формы пластов, различия дебитов и влияния неодновременного ввода скважин в эксплуатацию.
Газодинамические расчеты при проектировании разработки газовых и газоконденсатных месторождений в дальнейшем должны основываться на решении задачи нестационарной фильтрации газа с учетом нарушения линейного закона для реальных пластов неоднородных по мощности и площади трещиноватых коллекторов, фазовых превращений и реальных свойств газа. Кроме того, с учетом изменения гидродинамических и термодинамических характеристик потока выпадения жидкой фазы, изменения состава и реальных свойств газа должны проводиться расчеты работы ствола скважин, газосборных сетей, наземных сооружений.
Такие расчеты, а также выбор оптимального варианта из многочисленной системы разумных вариантов газодинамических и технико-экономических расчетов разработки наиболее эффективно могут быть решены при помощи быстродействующих ЭВМ.
В настоящее время возникла необходимость использования кибернетики для решения задач разведки и разработки газовых и газоконденсатных месторождений.
Методика проектирования разработки газоконденсатных месторождений разработана еще в недостаточной степени и требует проведения дальнейших гидродинамических и технико-экономических исследований.
В связи с этим рассмотрим подробнее специфические особенности разработки газоконденсатных месторождений.
При проектировании разработки газоконденсатных месторождений дополнительно рассматривается вопрос о потерях конденсата в пласте и экономической целесообразности полного извлечения конденсата в зависимости от его содержания в газе, физико-химической характеристики конденсата и возможности использования запасов газоконденсатной смеси, эффективности применения методов поддержания давления закачкой сухого газа или воды в пласт, характеристики топливного баланса прилегающих районов и географического положения месторождения. Газоконденсатные месторождения в СССР разрабатываются без поддержания давления, что объясняется как быстрорастущими потребностями газа, так и обычно небольшим содержанием конденсата. В последнее время на Северном Кавказе и в других районах открыты новые газоконденсатные месторождения с большим содержанием конденсата. По этим месторождениям необходимо серьезно рассмотреть вопрос о их разработке с поддержанием давления. Особенностью гидрогазодинамических расчетов разработки газоконденсатных месторождений без поддержания давления является влияние на фильтрационные параметры выпадения конденсата в пласте и призабойной зоне. При этом, как показывают расчеты, основная масса конденсата выпадает за счет общего снижения пластового давления в процессе разработки. Тем не менее последнее из-за относительно небольшого количества конденсата к объему пор практически не отражается на общем характере процесса фильтрации в пласте. Выпадение же конденсата в призабойных зонах, имеющих небольшие размеры, может существенно влиять на изменение фильтрационных параметров этих зон в процессе разработки. При движении газа от контура до скважины в процессе разработки наблюдается последовательное изменение условий накопления конденсата в пласте и призабойной зоне и характера движения двухфазных смесей после выпадения предельного количества конденсата. При работе газоконденсатной скважины можно условно выделить в пласте три зоны: в первой, непосредственно прилегающей к забою скважины, происходит движение двухфазных смесей; во второй в этот период происходит накопление конденсата, отражающееся на фильтрационных параметрах, но возможность движения по пласту отсутствует; в третьей зоне происходит также выделение конденсата, практически не влияющее на фильтрационные параметры. В процессе разработки размеры и местоположение этих зон будут изменяться. Кроме того, при работе газоконденсатных скважин появляется новый вид нестационарности процесса фильтрации, вызванный изменением параметров в результате происходящего непрерывного процесса выпадения жидкой фазы в пласте. Наряду с изменением гидродинамических параметров по мере падения давления в процессе разработки газоконденсатных месторождений без поддержания давления наблюдается изменение физико-химических характеристик газа и конденсата в каждой из указанных зон. В свете изложенного большое значение приобретает проведение специальных экспериментальных исследований по фильтрации при выпадении конденсата и определение пластовых изотерм конденсации, фазовых диаграмм и физико-химических характеристик газа и конденсата на различных периодах разработки газоконденсатного месторождения. Выделение конденсата за счет теплообмена и дросселирования и характер изменения его состава в процессе разработки также должны учитываться при расчетах движения газа от забоя до устья, в газосборных сетях и наземных сооружениях.
При проектировании разработки газоконденсатных месторождений с поддержанием давления закачкой сухого газа, наряду с рассмотрением и выбором наилучших методов выделения конденсата на поверхности, очень важно выбрать оптимальное расположение эксплуатационных и нагнетательных скважин с минимальными технико-экономическими затратами, оптимальный отбор конденсата при практически полном извлечении его из пласта и рассмотреть целесообразность снижения давления на забоях эксплуатационных скважин ниже давления начала выпадения конденсата в пласте. При проектировании нагнетания воды в пласт для поддержания давления в газовых и газоконденсатных месторождениях необходимо также проведение предварительного технико-экономического обоснования возможных потерь за счет защемления части газа и конденсата водой, однако этот вопрос недостаточно изучен и требует тщательного исследования.
Проект разработки газового и газоконденсатного месторождения - основной программный документ для проектирования обустройства промысла и осуществления разработки на практике.
Проектирование разработки и обустройства промысла - единое целое. Обычно в проектах разработки приводятся необходимые исходные данные и рассматриваются основные принципиальные положения обустройства. При этом проектирование и выбор диаметра эксплуатационных колонн и конструкций скважин приводится в проектах разработки, а детальное рассмотрение наземного оборудования в проектах обустройства промысла.
Выбор диаметра и конструкции скважин, наземных сооружений, газосборных сетей, установок по осушке и очистке газа и головной компрессорной станции тесно связан с условиями работы пласта, характера изменения отборов газа, давления, дебитов и температур газа в течение всего периода разработки месторождения.
По мере изменения давлений, дебитов газа и отборов газа в процессе разработки соответственно изменяются и требования к конструкции оборудования и сооружений. Например, при наличии избыточного давления на устье для выделения влаги и конденсата может быть использована низкотемпературная сепарация газа, которая в последующем должна быть заменена на холодильные машины или сорбцию. Оптимальные диаметры новых скважин, шлейфов и коллекторов, вводимых на различных стадиях разработки, зависят от характера изменения дебитов и давлений. Наряду с выбором конструкций оборудования, оптимальных для длительного срока разработки, должна предусматриваться планомерная целесообразная, не нарушающая работы промысла замена действующего, установленного ранее и устаревшего оборудования.
Указанные положения должны учитываться в генеральной схеме обустройства промысла, составляемой в соответствии с проектом разработки месторождения. Проектирование различных вариантов обустройства промысла должно увязываться с установленным уже ранее оборудованием с тем, чтобы избежать излишних переделок в наземных сооружениях.
После пуска скважин в эксплуатацию осуществляются постоянный контроль и наблюдение за выполнением проекта разработки месторождения.
Ликвидацию законтурных водяных скважин, расположенных вокруг газовых месторождений, следует считать совершенно недопустимой, так как в последующем это в значительной мере затрудняет контроль за разработкой, уточнением режима работы данного месторождения и определением взаимовлияния работы соседних нефтяных и газовых месторождений.
Также нельзя согласиться с практикой ликвидации поисковых разведочных скважин после выполнения ими своего назначения, которые обычно заполняются глинистым раствором и на устье устанавливается цементная пробка. Их также необходимо переводить в пьезометрические наблюдательные скважины. По этим скважинам можно контролировать разработку соседних нефтяных и газовых месторождений и их взаимовлияние. Это также в значительной мере будет способствовать уточнению дальнейшего направления разведочных работ на нефть и газ, путем проведения систематических исследований движения подземных вод, растворимости в них газа и их состава на площади больших регионов.
В общий комплекс задач разработки месторождения и эксплуатации промысла входит управление процессами движения газа в пласте и наземных сооружениях, которые должны включать широкое применение комплексной автоматизации и телемеханизации всего процесса добычи газа.
Для обеспечения и выбора наиболее оптимальных условий эксплуатации скважин, контроля за работой пласта и наземных сооружений, оперативного принятия наивыгоднейших решений при изменении отбора газа и режима работы скважин наряду с автоматизацией и телемеханизацией процесса добычи газа необходимо рассмотреть возможность применения в первую очередь на крупных месторождениях быстродействующих ЭВМ, работающих в комплексе с электроаналоговыми машинами, на которых должен отражаться весь процесс разработки месторождения.
Рассмотренные выше пути улучшения разработки газовых и газоконденсатных месторождений позволят внедрить современные достижения науки и техники в практику разработки и обеспечить выполнение добычи газа в СССР с наибольшей эффективностью, минимальными затратами материальных средств и весьма значительно повысить производительность труда.
ВНИИгаз