СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗА ОБВОДНЕНИЕМ СКВАЖИН И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING WATER ENCROACHMENT OF BOREHOLES AND UNIT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к оперативному контролю за обводнением скважин по результатам измерения электрического сопротивления попутной жидкости (далее также изобретение, техническое решение) относится к газодобывающей отрасли и может быть использована при контроле за разработкой газовых и газоконденсатных месторождений. Здесь и далее под обводнением понимается появление в продукции скважины пластовой воды.
Как известно, появление воды любого генезиса в интервале перфорации газовых и газоконденсатных скважин способствует разрушению прискважинной зоны пласта [Гасумов Р.А. Техника и технология ремонта скважин: в 2 т./ Р.А. Гасумов, В.3. Минликаев. - М: ООО «Газпром экспо», 2013. - Т. 1. - 360 с.], снижению продуктивности скважин и другим нежелательным последствиям. Своевременное обнаружение скважин с повышенным выносом воды и диагностирование генезиса воды позволяет подобрать необходимые геолого-технические мероприятия (далее - ГТМ) для восстановления продуктивности скважины, безопасной ее эксплуатации и определения эффективности проведенных ГТМ.
В настоящее время известны способы контроля продвижения газоводяного контакта (далее - ГВК) при помощи различных методов геофизических исследований в открытом стволе, в стволе, обсаженном не металлическими (индукционный каротаж, ядерно-магнитный каротаж, диэлектрический каротаж) и металлическими (различные модификации нейтронного каротажа, дивергентный каротаж) колоннами. Их существенный недостаток высокая стоимость и, обусловленная ею, низкая периодичность исследований [Хмелевской В.К. Основы геофизических методов: учебник для вузов / В.К. Хмелевской, В.И. Костицын. - Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2010. - 400 с.], [Сковородников И.Г. Геофизические исследования скважин: учебник для вузов. 4-е изд., переработ, и дополн. // Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. - 456 с.].
4D сейсмика [Hans de Waal Overview of global 4D seismic implementation strategy / Hans de Waal, Rodney Calvert // Petroleum Geoscience. - 2003. - №9. - pp. 1-6.] и гравиметрический мониторинг позволяют отслеживать ГВК в межскважинном пространстве. Их существенные недостатки: высокая стоимость, низкая периодичность исследований и недостаточная точность для адресных прогнозов обводнения.
Известен способ контроля за обводнением скважин при помощи устьевых акустических датчиков-сигнализаторов [Телеметрический мониторинг режимов эксплуатации скважин Харвутинской площади ЯНГКМ в условиях выноса песка и жидкости с использованием датчиков-сигнализаторов ДСП-А / С.В. Завьялов [и др.] // Газовая промышленность. - 2017. - №1 (747). - С. 74-84], что позволяет охватить весь фонд скважин.
Недостаток этого способа, в том, что он позволяет выполнить только качественную оценку обводнения - увеличение количества жидкости, но не позволяет определить ее генезис. Аналогичный недостаток и у дорогостоящих многофазных расходомеров, которые применяются в основном в нефтяной отрасли, где основная фаза - это жидкость, долю воды в которой определяют гамма-плотномером или емкостными датчиками [Обзор подводных многофазных расходомеров / Гречко А.Г., Новиков А.И. // Газовая промышленность. - 2019. - №1 (782). - С. 71-78].
Известные способы контроля за обводнением скважин, отмеченные выше, весьма затратные, большая часть из них не позволяют охватить исследованиями весь фонд скважин одновременно.
Наиболее распространенный в газовой промышленности способ контроля за обводнением скважин это гидрохимический контроль (далее - ГХК) проб попутной воды [Карцев, А.А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М: Недра, 1972. - 280 с.; Инструкция по методам анализа минерального состава пластовых вод и отложения солей: РД 39-23-1055-84: утв. Министерством нефтяной промышленности 11.03.1984: ввод в действие с 15.05.1984. - Тюмень: Ротапринт СибНИИНП, 1984. - 77 с.; Гончаров, В.С. Методическое руководство по гидрогеохимическому контролю за обводнением газовых и газоконденсатных месторождений / B.C. Гончаров, В.Г. Козлов, Т.В. Левшенко. - М.: ВНИИГАЗ, 1995. - 90 с.], отобранных любым из видов сепарационного оборудования, с последующим определением ее ионного состава и сравнением с эталонными (фоновыми) пробами конденсационной, пластовой и техногенной воды. Он значительно дешевле выше перечисленных методов и позволяет определить генезис попутной жидкости. Его недостатки -недостаточная частота исследований, так как интенсификация контроля возможна только за счет увеличения количества отбираемых проб, а, следовательно, пропорционального увеличения трудовых и материальных затрат, что невозможно по технико-экономическим причинам.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является [Контроль за обводнением газовых скважин по удельной электрической проводимости жидкой фазы водогазового потока / В.С. Пермяков [и др.] // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2020. - №5. - С. 52-57], основными элементами которого являются: резистивный датчик совместно с углублением на нижней образующей трубопровода образующие контактную кондуктометрическую ячейку, блок измерения электрического сопротивления переменному электрическому току на частоте 1 кГц, датчики температуры и алгоритмы расчета удельной электрической проводимости, минерализации и доли пластовой воды.
Недостатками прототипа являются:
1. Невозможность его реализации на газоконденсатных скважинах в продукции которых присутствуют жидкие углеводороды, являющиеся диэлектриками, и искажающими регистрируемые параметры;
2. Не описана процедура калибровки резистивного датчика: в качестве калибровочного раствора предусмотрено использование только хлорида натрия и используется постоянный температурный коэффициент электрического сопротивления, что не позволяет использовать оборудование для пластовых вод с другим составом, что приводит к неточностям.
3. Не описана технология применения оборудования, что не позволяет воспроизвести результат:
а) не определено положение электродов относительно направления движения газожидкостного потока, что может вызывать не одинаковое погружение электродов в жидкость и как следствие некорректные измерения электрического сопротивления;
б) отсутствует алгоритм фильтрации исходных данных от случайных величин, вызванных переключением измерительного блока на другой диапазон измерения электрического сопротивления и колебанием уровня жидкости над датчиком под действием движения газожидкостного потока.
Технической проблемой, на решение которой направлена группа изобретений, является создание оперативного контроля генезиса попутной воды в продукции газовых и газоконденсатных скважинах по ее минерализации, определенной поточным измерителем электрического сопротивления жидкостей.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, заключается в повышении эффективности оперативного контроля за обводнением газовых и газоконденсатных скважин за счет диагностики генезиса попутной жидкости в онлайн режиме.
Технический результат достигается предлагаемой группой изобретений, включающей способ контроля за обводнением скважин и установку для его осуществления.
Способ контроля за обводнением скважин включает непрерывное определение минерализации попутной воды, выносимой из скважин и расчете доли пластовой воды, новым является то, что предварительно выполняют калибровку резистивного датчика, заключающуюся в измерении электрического сопротивления и температуры солевых растворов заданной минерализации в лабораторных условиях с применением герметизированной кондуктометрической ячейки, имитирующей условия измерения в обвязке скважины, в качестве калибровочных используют солевые растворы и прямые эмульсии с различной долей пластовой воды, для каждого калибровочного раствора при помощи термостата задают не менее пяти режимов, равномерно расположенных в ожидаемом диапазоне температур, данные полученные при калибровке используют для численного подбора коэффициентов аппроксимации А, В, С, D путем минимизации нелинейного функционала методом Нелдера-Мида
i
i
i
где M, R, t - значения минерализации, электрического сопротивления и температуры, полученные при калибровке, в формуле расчета минерализации:
где R - зарегистрированное сопротивление, Ом; t - зарегистрированная температура, °С; A, B, C, D - коэффициенты аппроксимации, далее по минерализации и данным о применении технических жидкостей выполняют диагностику попутной воды в следующем порядке: вода с минерализацией менее или равной 1 г/л является 100% конденсационной; если в скважине не проводились геолого-технические мероприятия, связанные с закачкой в скважину технических жидкостей, то выносимая вода представляет собой смесь конденсационной и пластовой, при этом доля пластовой воды определяется по формуле:
пл
кон
пл
где S - доля пластовой воды в пробе; М, М, М - минерализация пробы попутной воды, конденсационной и пластовой соответственно, г/л, если расчетная минерализация выше, чем у пластовой воды или если отбору проб предшествовала закачка в скважину технической жидкости, то диагностика по минерализации с приемлемой точностью невозможна, в этом случае необходимо использовать дополнительные диагностические признаки, затем откалиброванный резистивный датчик устанавливают определенным образом на нижней образующей трубопровода, проводят измерения с заданной дискретностью температуры и электрического сопротивления попутной жидкости посредством резистивного датчика, далее выполняют обработку полученных данных заключающуюся в фильтрации пиковых значений связанных с переключением диапазонов измерения электрического сопротивления и расчете значения моды электрического сопротивления за заданный промежуток времени, рассчитывают минерализацию и диагностируют генезис попутной воды, хранят историю измерений и применения технических жидкостей на скважине, сигнализируют о заданных оператором событиях, принимают решения по скважине.
Существует вариант, в котором в качестве измеряемых в обвязке скважины диагностических признаков используют другие физико-химические свойства контрастные для конденсационной, пластовой и техногенной воды в определенных геолого-технических условиях, в частности, но не только: водородный показатель (рН), концентрация ионов, концентрация специально введенных индикаторов.
Установка для осуществления способа включает измеритель электрического сопротивления жидкой фазы газожидкостного потока в трубопроводе и устройство обработки данных, причем измеритель электрического сопротивления состоит из резистивного датчика и блока измерения соединенных между собой, при этом резистивный датчик содержит два электрода выполненных из материала не корродирующего в минерализованной воде и расположенных на диэлектрическом основании, датчик температуры и шунт, подключенный параллельно электродам, причем резистивный датчик установлен на нижней образующей трубопровода, в выемке глубиной не менее чем в 1,6 раза больше высоты электродов, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, при этом прямая, соединяющая электроды, ориентирована перпендикулярно направлению газожидкостного потока.
Возможен вариант, при котором материал электродов выполнен из любого коррозионностойкого материала, например, графита, нержавеющей стали, платины и/или изменены геометрические размеры электродов, и/или их взаимное расположение, и/или геометрия пробоуловителя.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется нижеследующими фигурами и описанием.
На фиг. 1 представлена блок-схема к пояснению способа оперативного контроля за обводнением газовых и газоконденсатных скважин,
где БД - база данных;
R - электрическое сопротивление попутной жидкости; t - температура попутной жидкости;
М, Мкон, Мпл, Мтехн - минерализация расчетная, конденсационной, пластовой и техногенной воды соответственно;
Sкон, Sпл, Sтехн - доля конденсационной, пластовой и техногенной воды соответственно).
На фиг. 2 представлена схема работы оборудования и программного обеспечения.
На фиг. 3 представлен пример калибровки с раствором хлорида натрия минерализацией 3 г/л.
На фиг. 4 - линейные зависимости проводимости (обратного электрического сопротивления) от температуры для калибровочных растворов различной минерализации и соответствующие им аппроксимационные уравнения.
На фиг. 5 - взаимосвязь коэффициентов a, b и минерализации.
На фиг. 6 - электрическое сопротивление эмульсии при разном соотношении «водный раствор NaCl (1 г/л)»:«керосин».
На фиг. 7 - связь минерализации водного раствора хлорида натрия и измеренной резистивным датчиком электрической проводимости суспензии по результатам статического эксперимента. В:П - объемное отношение водный раствор: песок.
На фиг. 8 - динамический эксперимент в газожидкостном потоке по изменению электрического сопротивления суспензии, удельной электрической проводимости и минерализации при ступенчатом добавлении хлорида натрия.
На фиг. 9 представлены результаты испытания резистивного датчика на скважине №814 Медвежьего НГКМ.
Способ контроля за обводнением скважин (фиг. 1) основан на непрерывном определении минерализации попутной воды, выносимой из скважин и расчете доли пластовой воды, технический результат достигается за счет применения технического решения, представляющего собой измеритель электрического сопротивления жидкой фазы газожидкостного потока в трубопроводе и определенного алгоритма обработки данных. Измеритель электрического сопротивления состоит из резистивного датчика и блока измерения соединенных между собой проводами для питания и считывания данных. Резистивный датчик представляет собой два электрода из материала не корродирующего в минерализованной воде, расположенных на диэлектрическом основании, датчик температуры и шунт, подключенный параллельно электродам для снижения электромагнитных помех, повышения точности и стабильности измерений (фиг. 2). Резистивный датчик устанавливают на нижней образующей трубопровода, в выемке глубиной не менее чем в 1,6 раза больше высоты электродов, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, при этом, прямая, соединяющая электроды, должна быть ориентирована перпендикулярно направлению газожидкостного потока, что обеспечивает одинаковое погружение электродов в жидкость и, тем самым, повышает точность измерений.
Блок измерения с заданной дискретностью измеряет температуру и электрическое сопротивление жидкости между электродами переменному току. Далее данные передаются по системе телеметрии на пульт (компьютер) оператора. Применен алгоритм обработки первичных данных, заключающийся: в фильтрации пиковых значений связанных с переключением диапазонов измерения электрического сопротивления и расчете значения моды электрического сопротивления за заданный промежуток времени.
Разработанное программное обеспечение на пульте оператора выполняет следующие функции: регистрация электрического сопротивления и температуры попутной жидкости с заданной дискретностью; расчет минерализации и диагностика генезиса попутной воды; сохранение истории измерений; загрузку истории применения технических жидкостей на скважине; сигнализирование о заданных оператором событиях (повышении доли пластовой воды выше заданной величины, необходимости отобрать контрольную пробы и пр.).
Так как допускается замена материала электродов (платина, нержавеющая сталь, графит и пр.), изменение их сечения и длинны, расстояния между ними, геометрических параметров пробоуловителя, поэтому основным и обязательным этапом предлагаемого способа является калибровка резистивного датчика. Она заключается в измерении электрического сопротивления и температуры солевых растворов заданной минерализации в лабораторных условиях с применением кондуктометрической ячейки, имитирующей условия измерения в обвязке скважины. В качестве калибровочных предлагается использовать солевые растворы и прямые эмульсии (дисперсная система жидких углеводородов в солевом растворе) с различной долей пластовой воды. Это позволяет откалибровать датчик для работы в обвязке газовых и газоконденсатных скважин. Для каждого калибровочного раствора при помощи термостата задается не менее пяти режимов, равномерно расположенных в ожидаемом диапазоне температур. Это позволяет учесть непостоянство температурного коэффициента электрического сопротивления. Для исключения влияния испарения воды на показания электрического сопротивления жидкости, кондуктометрическая ячейка должна быть герметизирована. Это позволяет повысить точность измерений.
Для получения метрологической зависимости предлагаемого устройства строится семейство зависимостей электрической проводимости (обратного электрического сопротивления) калибровочного раствора от его температуры:
-1
где R - проводимость в См, при температуре t, °С;
а, b - коэффициенты линейного аппроксимационного уравнения, рассчитанного по экспериментальным данным.
Затем определяется математическая зависимость между минерализацией калибровочного раствора и коэффициентами a, b линейных зависимостей обратного электрического сопротивления от температуры:
где Μ - минерализация, г/л;
k, h, m, n - коэффициенты аппроксимационного уравнения.
а
Подставляя (2) в (1) и учитывая, что логарифмы коэффициентов  и b линейно зависят от логарифма минерализации, а линейные отображения изоморфны, существует линейное биективное отображение одной линейной зависимости коэффициента а на другую линейную зависимость коэффициента b, тогда связь температуры, минерализации и проводимости можно записать в следующем виде:
где
Подставляя (4) и (5) в (3) получаем:
Данное равенство можно представить в следующем виде:
Выражая Μ из (7) получаем формулу для расчета минерализации по электрическому сопротивлению и температуре попутной жидкости, измеренным поточным резистивным датчиком:
где R - зарегистрированное сопротивление, Ом; t - зарегистрированная температура, °С; А, В, С, D - коэффициенты аппроксимации.
Коэффициенты А, В, С, D подбираются численно путем минимизации нелинейного функционала методом Нелдера-Мида:
i
i
i
где M, R, t - значения минерализации, электрического сопротивления и температуры, полученные при калибровке.
Наконец по минерализации и данным о применении технических жидкостей выполняется диагностика попутной воды в следующем порядке:
• вода с минерализацией менее или равной 1 г/л является 100% конденсационной (К);
• минерализация больше 1 г/л указывает на приток пластовой (П) и/или техногенной (Т) воды. Если в скважине не проводились геолого-технические мероприятия, связанные с закачкой в скважину технических жидкостей, то выносимая вода представляет собой смесь конденсационной и пластовой (К-П), при этом доля пластовой воды определяется по формуле Ахундова [Чоловский, И.П. Нефтегазопромысловая геология и гидрогеология залежей углеводородов: Учебник для вузов / И.П. Чоловский [и др.]. - М: ГУП изд-во «Нефть и газ» РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 456 с.]:
пл
где S - доля пластовой воды в пробе;
пл
М - минерализация пробы попутной воды,
Мкон, - конденсационной и пластовой соответственно, г/л.;
• если расчетная минерализация выше, чем у пластовой воды или если отбору проб предшествовала закачка в скважину технической жидкости, то диагностика по минерализации с приемлемой точностью невозможна, в этом случае необходимо использовать дополнительные диагностические признаки, полученные по результатам гидрохимического анализа пробы воды, и другие методики диагностики, основанные на концентрации ионов в пробе и их отношениях - генетических коэффициентах.
Пример реализации предлагаемого способа.
Резистивный датчик представляет собой два цилиндрических электрода из платинированной проволоки диаметром 0,5 мм и высотой 5 мм с расстоянием между ними 9 мм, расположенных на диэлектрическом основании, в котором установлен цифровой датчик температуры и шунт с электрическим сопротивлением 120 кОм подключенный параллельно электродам. В качестве блока измерения применен портативный прибор измеритель RLC Е7-22, способный измерять сопротивления переменному электрическому току частотой 1 кГц в диапазоне от 0,1 Ом до 10 МОм и передавать данные по оптическому интерфейсу на компьютер. Результаты измерений электрического сопротивления и температуры жидкости каждые 2 секунды передаются на компьютер в специализированное программное обеспечение, которое осуществляет запись исходных данных, их обработку (фильтрация пиковых значений связанных с переключением диапазонов измерения электрического сопротивления и расчет значения моды электрического сопротивления за заданный промежуток времени, в данном случае 3 минуты), расчет минерализации и генетического типа попутной воды, сохранение и отображение результатов в виде временных графиков.
1
Перед установкой датчика в обвязку скважины выполнена его калибровка. Заглубление и уровень жидкости при калибровке выбраны в соответствии с результатами лабораторных экспериментов. По результатам лабораторных экспериментов в статике (скорость газожидкостного потока 0 м/с) установлено, что при уровне жидкости в ячейке более 6 мм значение электрического сопротивления и расчетная минерализация не зависят от уровня жидкости. По результатам лабораторных экспериментов в динамике на специальном стенде, имитирующем условия работы в обвязке скважины, при скорости газожидкостного потока 5-15 м/с установлено, что при заглублении датчика на 8 мм скоростной режим газожидкостного потока не влияет на значение электрического сопротивления и расчетную минерализацию, поэтому калибровка резистивного датчика осуществляется при уровне жидкости над ним не менее 8 мм, с последующей его установкой в обвязку скважины с заглублением относительно внутренней образующей трубопровода так же на 8 мм. Калибровка заключается в измерении электрического сопротивления и температуры солевых растворов заданной минерализации в лабораторных условиях с применением кондуктометрической ячейки идентичной условиям измерения в обвязке скважины и герметизируемой для предотвращения испарения воды. В качестве калибровочных растворов применены водные растворы хлорида натрия идентичные по составу смеси конденсационной и пластовой воды (минерализация 20,6 г/л) пласта ΠК (сеноман) Медвежьего НГКМ.
Калибровка выполнена для минерализации (хлорид натрия) 0,5, 1, 3, 5, 10, 20, 50 г/л, при уровне жидкости в ячейке 8 мм, в диапазоне температур 4-64°С (нагрев до 64°С с последующей термостабилизацией при 60; 40; 20; 10; 4°С). Значения сопротивлений и температуры непрерывно записывались в течение нескольких часов (фиг. 3).
Построено семейство зависимостей проводимости (обратного электрического сопротивления) от температуры для каждого калибровочного раствора (фиг. 4) и определены линейные аппроксимационные зависимости вида (1).
После обработки всех экспериментальных данных была установлена взаимосвязь между минерализацией раствора и коэффициентами a, b линейных зависимостей обратного электрического сопротивления от температуры (фиг. 5):
С учетом аппроксимационных зависимостей (фиг. 4, фиг. 5) и преобразований по формулам (3)-(7) получена аппроксимирующая функция, для расчета минерализации по электрическому сопротивлению и температуре попутной жидкости, измеренным поточным резистивным датчиком:
где R - зарегистрированное сопротивление, Ом; t - зарегистрированная температура, °С; коэффициенты аппроксимации А, В, С, D подбираются численно путем минимизации нелинейного функционала методом Нелдера-Мида (для приведенного примера А=0.5517991; В=11.08279; С=55.43371; D=0.00027888).
По результатам экспериментальных данных наличие жидких углеводородов в газожидкостном потоке увеличивает значение электрического сопротивления жидкой фазы, но оно практически постоянное и не зависит от доли жидких углеводородов при соотношении водный раствор/керосин более 0,4 (фиг. 6). Это при калибровке резистивного датчика соответствующими эмульсиями, позволяет применять его на газоконденсатных скважинах. Практически этот критерий определяется как отношение расчетных значений удельного количества конденсационной воды (рассчитывается по формуле Р.Ф. Бюкачека [Бюкачек Р.Ф. Равновесное содержание влаги в природных газах: пер. с англ. - М.: ВНИИГАЗ, 1959. - 56 с.]) к удельному количеству жидких углеводородов, выделившихся из добываемого газа при изменении термобарических условий при движении флюида от пласта до устья скважины (точки установки поточного резистивного датчика).
Результатами статических (фиг. 7) и динамических (фиг. 8) экспериментов с суспензиями, представленными смесью солевого раствора и кварцевого песка размером 0,05 мм, показано, что содержание механических примесей в газовом потоке практически не влияет на значения электрического сопротивления и расчетной минерализации при доле механических примесей в жидкой фазе газожидкостного потока до 10% по объему.
После калибровки резистивный датчик установлен на нижней образующей трубопровода в цилиндрической выемке глубиной 8 мм и внутренним диаметром 20 мм, являющейся одновременно пробоуловителем и измерительной ячейкой, при этом, прямая, соединяющая электроды, ориентирована перпендикулярно направлению газожидкостного потока.
Работоспособность резистивного датчика подтверждена лабораторными экспериментами на стенде, имитирующем условия в обвязке газовой скважины и испытаниями на реальной газовой скважине №814 Медвежьего месторождения.
При сравнении результатов измерений поточным резистивным датчиком с результатами лабораторного гидрохимического анализа, принятого эталоном, минерализация от 0,3 до 20 г/л успешно диагностируется с погрешностью менее 20%. При минерализациях более 20 г/л, датчик работает как индикатор, фиксируя рост минерализации, указывающей на наличие в продукции скважины техногенных растворов.
Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления позволяет выявлять ранние признаки обводнения газовых и газоконденсатных скважин. Например, по сеноман-аптским залежам Надым-Пур-Тазовского района и полуострова Ямал предложенный способ позволяет диагностировать долю пластовой воды в смеси конденсационно-пластовой воды в диапазоне от 0 до 97% с учетом, что максимальная минерализация пластовой воды составляет 20,6 г/л.