Введение
Поскольку кислота растворяет карбонатные породы без разрушительных реакций, главная задача при кислотной обработке многослойных карбонатных коллекторов заключается в достижении оптимального размещения стимулирующей жидкости. Неоднородности, такие как присущая карбонатным породам двойная пористость, высокие контрасты проницаемости, различная степень повреждения, наличие естественных трещин или существование перепада давления между пластами коллектора, которые иногда могут иметь очень большую высоту или длину, как правило, влияют на профиль закачки жидкости. Неопределенность и часто ограниченные знания об этих различных параметрах обычно усложняют разработку методов кислотной обработки карбонатных пород, результат которых во многом зависит от того, насколько хорошо были учтены характеристики породы и повреждения при выборе стимулирующих жидкостей, а также от того, как и куда эти жидкости будут закачиваться в пласт.
Оптимальное размещение часто интерпретируется как равномерное распределение жидкости по всему продуктивному интервалу, и равномерное распределение стимулирующих жидкостей по этому интервалу за прошедшие годы стало общепринятым требованием для успешной обработки. Однако предполагается ли, что равномерность распределения жидкости всегда представляет собой оптимальное размещение жидкости, независимо от условий скважины и параметров обработки? Этот вопрос заслуживает особого внимания.
Во-первых, не обязательно, что равномерное распределение жидкости приводит к равномерной стимуляции вдоль продуктивного интервала, поскольку степень скин-эффекта зависит не только от объема закачиваемой жидкости, но и от локальной скорости ее поступления в пласт. Учитывая все вышеупомянутые проблемы, и в частности высокую неоднородность пласта, можно построить обоснованное предположение, что равномерное распределение жидкости приводит к неоднородному распределению скин-эффекта вдоль ствола скважины.
Кроме того, вполне возможно, что закачка всего объема обрабатывающей жидкости в сильно поврежденную зону с высокой проницаемостью для обхода повреждений обеспечит более высокую окупаемость инвестиций, чем при перенаправлении и использовании лишь части кислотной обработки на неповрежденную зону с низкой проницаемостью. Стремление к равномерному покрытию жидкостью действительно игнорирует начальные условия, такие как степень повреждения, которая может значительно варьироваться вдоль ствола скважины.
Наконец, даже если равномерное стимулирование по всей длине скважины достигается за счет поддержания постоянного отрицательного значения скин-эффекта вдоль ствола скважины, не установлено, что это всегда приводит к наибольшему увеличению добычи или наилучшей экономической отдаче.
Если равномерное распределение жидкости не является универсальной оптимальной стратегией, то можно задаться вопросом, можно ли заменить её каким-либо другим эмпирическим правилом. В действительности, оптимальное распределение должно учитывать как цель обработки, так и её ограничения. Например, целью может быть максимизация добычи из скважины или максимально равномерное осушение пласта. Также можно учитывать широкий спектр ограничений. Неполный список включает, среди прочего, объем кислоты и мощность, которую можно задействовать, максимально допустимое давление (как на забое, так и на поверхности) и экологические соображения.
Для инженера-специалиста по стимуляции крайне важно определить оптимальное место размещения жидкости до выбора метода размещения и материалов для отвода, а также до завершения проектирования обработки. Однако без инструмента оптимизации определить оптимальное место размещения жидкости до выбора материала для отвода невозможно. В этом случае для проектирования обработки, обеспечивающей приемлемый уровень стимуляции, используются компьютерные симуляции, но они не помогают определить, насколько решение отличается от оптимального размещения и уровня стимуляции, которые могли бы быть достигнуты в рамках тех же ограничений.
В данной статье мы описываем алгоритм проектирования и выполнения обработки методом матричной стимуляции, обеспечивающий оптимальное размещение стимулирующей жидкости. Инженер может выбрать метод отвода, позволяющий добиться заданного размещения, и разработать оптимальную обработку. Мы приводим примеры, в которых стратегия оптимального размещения не предполагает равномерного распределения жидкости вдоль бокового канала, а зависит от целевой функции и ограничений.
Методология
Представленная здесь методология позволяет разделить вопросы оптимального размещения жидкости в конкретной скважине, эффективности выбранных материалов и рассматриваемого графика обработки. Рабочий процесс состоит из пяти основных этапов.
Шаг 1. Этот шаг соответствует сбору данных обо всех переменных, которые могут влиять на введение жидкости во время инъекции. Список наиболее часто используемых данных такого рода приведен в таблице 1 полной версии статьи.
Важно подчеркнуть, что информация о повреждении состоит только из описания его характера, что полезно для выбора подходящей жидкости или добавки для его устранения. Однако количественная оценка повреждения имеет второстепенное значение для этапов с 1 по 4.
Шаг 2. Второй шаг заключается в определении цели лечения. Это цель, которая должна быть достигнута в рамках ограничений, которые будут определены на шаге 3. Типичные цели могут включать в себя:
Максимизация скорости производства после обработки
Максимизация коэффициента извлечения углеводородов
Обеспечение равномерного распределения жидкости по всем зонам.
Достижение равномерной закачиваемости после обработки (для нагнетательных скважин)
Минимизация давления закачки после обработки (для нагнетательных скважин)
Достижение определенных отрицательных значений параметров кожи в определенных зонах (при этом судьба других зон может иметь или не иметь значения).
Равномерное удаление повреждений без необходимости дальнейшей стимуляции зоны (например, доведение степени повреждения кожи до нуля в каждой зоне).
Целевая функция преобразуется в математические термины в инженерном инструменте, используемом на шаге 4. Она может быть сформирована как любая комбинация основных целей, упомянутых ранее, с различными весами, позволяющими ранжировать приоритеты целей.
Следует отметить, что целевая функция определяется до рассмотрения материала, используемого для достижения этой цели. Это разделение между целью обработки (которая приведет к определению целевого объема и распределения скорости) и материалами и графиком перекачки для достижения этой цели является одной из важных особенностей предлагаемой методологии. Это преимущество перед симуляторами, в которых инженер одновременно выполняет задачи выбора материала, определения графика перекачки и оптимизации цели, не указывая, является ли проектируемая обработка оптимальной. Это непростая задача, поскольку взаимосвязи между скоростью впрыска и эффективностью стимуляции не являются тривиальными, даже в простом случае, когда рассматривается только одна зона.
Шаг 3. После определения целей обработки, следующий шаг направлен на выявление ограничений обработки. Они представляют собой границы, в рамках которых будет проводиться оптимизация на шаге 4. Ограничения могут быть различного характера. Типичные примеры включают тип кислот, которые могут быть использованы для стимуляции, мощность, давление, объем жидкости и ограничения по стоимости. Эти ограничения необходимо перевести в математические термины для использования с инженерным инструментом на шаге 4.
Шаг 4. Цель этого шага — определить распределение объемов и скоростей закачки в каждую дискретизированную единицу потока вдоль ствола скважины. На рис. 1 показан пример двухзонного случая, в котором рассматривается одна единица потока на зону. Расчет потока производится с помощью симулятора, характеристики которого описаны здесь.
Дискретизация ствола скважины и пласта вдоль скважины выполняется с разрешением не менее одной единицы потока на зону. Для повышения точности расчетов, когда распределение потока в данной зоне может быть неравномерным (например, из-за гравитационных эффектов), каждой зоне может быть присвоено несколько единиц. Входными данными для симулятора являются данные, собранные на шагах 1–3. Симулятор вычисляет зависимость скин-эффекта от объема закачки для различных скоростей закачки и для выбранных жидкостей независимо, слой за слоем. В случае двух зон, как показано на рис. 1а, поток сначала вычисляется в единице потока зоны А путем изоляции зоны В и изменения параметров закачки. Затем зона А изолируется, и компьютер выполняет тот же набор вычислений для единицы потока зоны В (рис. 1б). Программный модуль выполняет ряд моделирований для каждой единицы потока.
После определения набора кривых для всех единиц потока алгоритм оптимизации определяет, какая комбинация объемов и скоростей приводит к целевой функции, выбранной на шаге 2, или наиболее близка к ней, в рамках ограничений, установленных на шаге 3. Это в конечном итоге определяет оптимальный вариант лечения. Этот алгоритм способен предсказывать, насколько каждый результат лечения отличается от целевой функции и выполняются ли ограничения. Например, если цель состоит в обеспечении максимальной выработки после лечения, автоматически запускается симулятор производства для расчета выработки на основе профиля кожи, полученного в результате каждого моделирования. Затем алгоритм определяет набор входных параметров, которые позволили максимизировать выработку после лечения. Аналогично, если целью является равномерная кожа после лечения определенного значения, то алгоритм рассматривает все комбинации лечения, которые были смоделированы ранее и которые привели к этой цели, без необходимости (повторного) расчета потока.
Цели, ограничения и параметры резервуара могут быть гораздо сложнее, и поэтому для определения оптимума на основе базы данных результатов потребуется использование специализированного компьютерного программного обеспечения.
В конечном итоге, по завершении 4-го этапа, инженер получает более четкое представление о том, куда следует направлять кислоту. Все последующие решения относительно выбора метода отвода будут приниматься таким образом, чтобы максимально приблизиться к оптимальному распределению жидкости, определенному на 4-м этапе.
Шаг 5. Этот шаг включает в себя выбор материалов и разработку схемы очистки. На данном этапе необходимо решить основные вопросы, касающиеся выбора метода отвода и параметров графика перекачки.
На этапе проектирования отводное устройство выбирается на основе свойств, полученных в ходе лабораторных испытаний. Выбор материала и расчет графика откачки могут быть выполнены с помощью симулятора размещения. На этом этапе можно провести анализ чувствительности некоторых переменных. Также это подходящее время для включения переменных, характеризующих повреждения, таких как толщина защитного слоя и глубина проникновения повреждений, поскольку они будут влиять на распределение потока и результат каждого этапа отвода. Следует отметить, что повреждения не повлияют на оптимальный вариант размещения, определенный на шаге 4, который не зависит от характеристик повреждений вблизи ствола скважины.
Описание примеров из практики, иллюстрирующих использование этого подхода в шельфовой зоне Катара, приведено в полном тексте статьи.
Данная статья, написанная технологическим редактором JPT Крисом Карпентером, содержит основные моменты доклада SPE 166184 «Достижение оптимального размещения стимулирующих жидкостей в многослойных карбонатных пластах: новый подход», авторами которого являются Пьер Рамонденк ( SPE), Бруно Лесерф и Филипп М.Ж. Тарди (SPE), Schlumberger, подготовленного для ежегодной технической конференции и выставки SPE 2013 года, Новый Орлеан, 30 сентября – 2 октября. Доклад не проходил рецензирование.