Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения притока закачиваемой воды в нефтедобывающей скважине

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для обнаружения поступления в нефтедобывающую скважину закачиваемой с целью заводнения воды и определения ее относительного содержания в попутно добываемых водах и продукции упомянутой скважины.

Для нефтегазовых месторождений, находящихся на поздних стадиях разработки, характерными являются низкие пластовые давления и высокая обводненность продукции скважин за счет заводнения. Это приводит к снижению рентабельности эксплуатации скважин, увеличению затрат на отделение попутно добываемой воды, повышению скорости коррозии внутрискважинного оборудования. Борьба с этим явлением включает определение происхождения, иными словами, установление источника поступающих в скважину посторонних вод и масштабов их проникновения для своевременного сооружения гидроизоляции, оценки экономической целесообразности и последующей проверки эффективности созданной гидроизоляции.

В процессе разработки месторождения в добывающую скважину возможно поступление чужеродных вод из различных источников, связанных как с геологическим строением залежи, так и с техническим состоянием самой скважины. Необходимо убедиться, что причиной появления воды в продукции скважины является именно поступление закачиваемых вод.

На текущий момент можно выделить несколько принципиально различных способов определения источника поступления вод в добывающие скважины.

Известен пользующийся популярностью метод трассерных исследований пласта (RU 2398962, опубл. 2010.09.10), основанный на добавлении в контрольную нагнетательную скважину определенного количества известного вещества с последующим контролем концентрации данного вещества в продукции добывающих скважин. Этот метод обладает высокой информативностью, но имеет специфические требования к используемым трассерам и требует больших финансовых затрат.

Известен способ определения источника поступления вод в добывающую скважину и их концентрации в смеси (Абукова Л.А. и др. Гидрогеохимический мониторинг разработки месторождений углеводородов // Георесурсы, геоэнергетика, геополитика. 2015 - №2(12). С. 1-8), включающий расчет гидрогеохимических коэффициентов, служащих критериями отнесения воды к определенному источнику. Расчет упомянутых критериев ведут на основе данных о химическом составе попутно добываемой воды с предварительным определением фоновых гидрохимических параметров пластовых вод, а также с учетом состава технологических растворов, используемых на конкретном месторождении. В качестве таких критериев могут быть использованы следующие показатели: rNa⁺/rCl^-; Cl^-/Br^-; rCa²⁺/rNa⁺; r(HCO₃^-+CO₃^2-)/r(Ca²⁺+Mg²⁺) и другие, включающие сразу несколько взаимосвязанных гидрохимических параметров, что повышает точность идентификации поступающей в добывающую скважину воды. Однако, в каждом конкретном случае выбор критериев для надежной идентификации типов вод, расчет их количества в смесях, поступающих в добывающие скважины, должен базироваться на использовании показателей, обоснованных применительно к конкретным условиям, что осложняет осуществление известного способа, причем произвольный выбор таких показателей приводит к возможным ошибкам и недостаточно точной идентификации происхождения поступающей воды.

Известен способ, в котором в качестве критерия поступления закачиваемой воды в добывающую скважину используют изменение содержания сульфатов в попутно добываемой воде (Крабтри М. и другие Борьба с солеотложениями - удаление и предотвращение их образования // Нефтегазовое Обозрение. Осень 2002. С. 52-73). Известный способ находит широкое применение при добыче нефти на морских нефтедобывающих платформах, где для заводнения используется морская вода с высоким содержанием сульфатов, в то время как в пластовых водах нефтяных месторождений содержание сульфатов, как правило, на порядок и даже несколько порядков ниже. Однако, поскольку содержание сульфатов в пластовых водах нефтяных месторождений способно изменяться не только при поступлении закачиваемой воды, но при взаимодействии воды с породой пласта, а также вследствие протекания процесса сульфатредукции, известный способ может не обеспечить достаточно надежных и достоверных результатов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ выявления притока посторонней воды в нефтедобывающей скважине по изменению состава попутно добываемых вод (RU 1208195, опубл. 1986.01.30). Согласно известному способу, проводят отбор проб попутно добываемых вод, определяют такие их гидрохимические характеристики, как общая минерализация и содержание в них меди, вычисляют отношение этого содержания к минерализации, при этом критерием поступления в скважину посторонней воды служит изменение этого отношения.

Однако поскольку изменение содержания одного конкретного компонента, как уже было отмечено, может быть вызвано множеством причин, известный способ не обеспечивает достаточно надежных и достоверных результатов. Кроме того, он не предусматривает количественной оценки доли посторонней, преимущественно закачиваемой, воды в попутно добываемых водах.

Задачей изобретения является создание надежного, достоверного и одновременно достаточно простого в осуществлении способа выявления притока закачиваемой воды в нефтедобывающую скважину.

Технический результат способа заключается в повышении его надежности и достоверности получаемых результатов за счет использования комплекса обобщенных показателей для определения изменения состава попутно добываемой воды с одновременной количественной оценкой в ней доли закачиваемой, воды в попутно добываемых водах.

Указанный технический результат достигают способом обнаружения притока закачиваемой воды в нефтедобывающей скважине по изменению состава попутно добываемых вод, предусматривающим отбор проб попутно добываемой воды и анализ их физико-химических параметров, разработку на основании полученных результатов критериев определения происхождения посторонней воды, поступающей в скважину, в котором, в отличие от известного, создают рабочую выборку полученных результатов анализа, выполняют стандартизацию их значений, проводят иерархический кластерный анализ исследуемой выборки с получением матрицы статистических расстояний между образцами, после чего, используя максимальные значения статистических расстояний относительно образцов закачиваемой воды, выделяют реперные образцы пластовой воды и методом k-средних проводят разделение подготовленной выборки на три кластера, содержащие, соответственно, реперный образец пластовой воды с наиболее близкими по составу пробами, пробы закачиваемой воды и пробы, имеющие наибольшее отличие по составу и от тех, и от других, затем, используя в качестве критерия расположение средних стандартизованных значений физико-химических параметров каждого из сформированных кластеров по отношению друг к другу, а также изменение со временем соотношения пластовой и закачиваемой воды в смеси попутно добываемых вод определяют наличие притока закачиваемой воды, при этом долю пластовой и закачиваемой воды в упомянутой смеси рассчитывают путем сопоставления статистических расстояний между образцами воды из матрицы расстояний, полученной при помощи иерархического кластерного анализа, по уравнениям:

где ω_f - доля пластовой воды в смеси попутно добываемых вод;

ω_i - доля закачиваемой воды в смеси;

d_mix-i - статистическое расстояние от образца смеси до закачиваемой воды;

d_f-I - статистическое расстояние между реперными образцами пластовой и закачиваемой воды.

В преимущественном варианте осуществления способа стандартизацию результатов анализа проб воды осуществляют с помощью приведенного ниже уравнения:

где z_i - стандартизованная величина для x_i;

xi - первичный результат;

- среднее арифметическое значение первичных результатов;

σ - стандартное отклонение первичных результатов

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально получают набор исходных данных для последующего анализа. Для этого проводят отбор проб попутно добываемых вод месторождения нефти и вод, закачиваемых с целью заводнения; исследуют их физико-химических параметры; затем на основе полученных результатов методами иерархической кластеризации и k-средних осуществляют проведение кластерного анализа. Обработку больших массивов данных, как правило, осуществляют с помощью программных средств с использованием соответствующей компьютерной программы, обеспечивающей проведение статистических расчетов.

Пробы попутно добываемых вод из исследуемой скважины, а также закачиваемых вод из соответствующих технологических участков нефтепромыслового оборудования отбирают предпочтительно в количестве не менее 10 в течение заданного промежутка времени, что обеспечивает проведение мониторинга поступления закачиваемой воды в течение этого промежутка и одновременно позволяет минимизировать влияние случайного изменения параметров (не связанного с процессом смешивания пластовых и закачиваемых вод).

Для анализа попутно добываемых и закачиваемых вод большинства месторождений оптимальным набором физико-химических параметров является следующий: общая минерализация (TDS), содержание НСО₃^-, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, что не исключает другой выбор, отражающий особенности химического состава исследуемых вод и инструментальные возможности промысла на конкретном месторождении.

Для создания рабочей выборки и проведения стандартизации результаты исследования состава попутно добываемых и закачиваемых вод вносят в общую таблицу, организуя таким образом массив данных.

Поскольку физико-химические параметры исследуемых вод могут быть представлены в различных единицах измерения и иметь значения различного порядка, для «равноправного» представления в последующих расчетах всех параметров проводят процедуру стандартизации (нормирования) переменных, обеспечивающую их совместимость.

Нормирование проводят в соответствии с уравнением (1):

где z_i - стандартизованная величина для x_i;

x_i - первичный результат;

- среднее арифметическое значение первичных результатов;

σ - стандартное отклонение первичных результатов,

Его также целесообразно осуществлять с помощью программных средств с использованием соответствующего инструмента в компьютерной программе, выбранной для расчетов.

Относительное изменение с течением времени состава попутно добываемых вод рассматривают как результат возможного поступления посторонних, преимущественно закачиваемых, вод в рассматриваемую добывающую скважину. Однако, поскольку в процессе разработки месторождения возможно поступление в добывающую скважину чужеродных вод из различных источников, связанных как с геологическим строением залежи, так и с техническим состоянием самой скважины, при этом необходимо убедиться, что причиной появления посторонней воды в продукции скважины является именно поступление закачиваемых вод.

Заключение о поступлении закачиваемых вод и возможном прорыве делают на основе сравнения стандартизированных значений физико-химических параметров исследуемых образцов попутно добываемой воды с реперными образцами закачиваемой и пластовой воды при помощи кластерного анализа методом k-средних.

В качестве реперного образца закачиваемой воды используется условный образец, имеющий средние значения физико-химических параметров закачиваемых вод за исследуемый промежуток времени. В качестве реперного образца пластовой воды принимают образец воды, отобранный из рассматриваемой скважины до поступления в нее посторонней воды, т.е. до начала заводнения, либо образец, датируемый самым ранним периодом ее эксплуатации, которые по составу будут наиболее близкими к «чистой» пластовой воде.

В случае отсутствия возможности установить состав образца наиболее близкого к «чистой» пластовой воде, в качестве реперного образца пластовой воды выбирается образец, имеющий наибольшее статистическое расстояние от закачиваемой воды, что устанавливают на основе результатов иерархического кластерного анализа.

Проведение иерархического кластерного анализа исследуемой выборки проводится на основе переменных, в данном случае представляющих собой нормализованные физико-химические параметры образцов попутно добываемой и закачиваемой воды. Кластеризация в предлагаемом способе проведена с использованием метода Варда на основе Евклидового расстояния, что не исключает возможности ее проведения с использованием одного из известных алгоритмов, выбранных из ряда включающего метод одиночной связи, метод полных связей, центроидный метод, а также с применением одного из способов расчета статистического расстояния между объектами (расстояние Чебышева, Манхеттенское расстояние).

Результатом иерархического кластерного анализа является матрица статистических расстояний между объектами (образцами исследуемых вод), на основе которой в качестве реперного образца пластовой воды выбирается образец, обнаруживающих наибольшее значение статистического расстояния до образцов закачиваемой воды.

Далее с целью подтверждения поступления закачиваемых вод проводят кластерный анализ методом k-средних подготовленной выборки переменных, в качестве служат ранее определенные физико-химические параметры попутно добываемых и закачиваемых вод, преимущественно общая минерализация (TDS), содержание НСО₃^-, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, либо других минеральных составляющих, в зависимости от особенностей химического состава пластовых и закачиваемых вод. Метод k-средних предусматривает разбиение множества объектов на группы, называемые кластерами, при этом внутри каждой группы должны оказаться «похожие» объекты, а объекты разных групп должны как можно более различаться.

С помощью метода k-средних исследуемую выборку делят на три кластера, в один из которых попадает реперный образец пластовой воды, в другой - реперный образец закачиваемой воды. Третий кластер формируют из образцов, имеющих наибольшее отличие по составу и от пластовых, и от закачиваемых вод.

Возможное нечеткое разделение образцов на три кластера в большинстве случаев связано с дополнительным поступлением посторонних вод из другого (не рассматриваемого) источника, а также с процессами, произошедшими в пласте за истекший промежуток времени. В таком случае повторяют исследование, уменьшив количество наблюдений (образцов) в выборке, например, сократив исследуемый временной промежуток.

В случае прорыва закачиваемой воды в скважину большая часть значений физико-химических параметров попутно добываемой воды на участке с предположительным прорывом должна находиться между значениями физико-химических параметров реперных образцов пластовой и закачиваемой воды. Кластерный анализ методом k-средних позволяет получить график средних значений переменных каждого кластера. В данном случае на графике (фиг. 1), представлены три линии, каждая из которых соответствует своему кластеру. В том случае, когда большинство средних условных (нормированных) значений физико-химических параметров третьего кластера находится на графике между средними значениями физико-химических параметров первого кластера, включающего реперные образцы пластовой воды, и второго кластера, включающего реперные образцы закачиваемой воды, можно сделать вывод, что образцы из третьего кластера являются результатом смешивания этих вод, следовательно, в данный промежуток времени в исследуемой скважине наблюдается поступление закачиваемых вод.

Если значения большинства переменных третьего кластера не попали в промежуточный интервал, следовательно, их изменение, по всей вероятности, связано не с процессом смешивания пластовых и закачиваемых вод, а с другими процессами, происходящими в пласте. Это означает, что обводнение скважиной продукции не связанно с поступлением закачиваемых вод, а вода поступает из другого источника.

Количественно приток закачиваемых вод определяют методом расчета на основе сопоставления статистических расстояний образцов попутно добываемых вод между реперными образцами пластовой и закачиваемой воды.

Соотношение пластовой и закачиваемой воды в смеси попутно добываемых вод рассчитывают по уравнениям:

где ω_f (formation water) - доля пластовой воды в смеси попутно добываемых вод;

ω_i (injection water) - доля закачиваемой воды в смеси попутно добываемых вод;

d_mix-i - статистическое расстояние от образца смеси попутно добываемых вод до закачиваемой воды;

d_f-I - статистическое расстояние от пластовой воды до закачиваемой.

Изменение количественного соотношения пластовой и закачиваемой воды при его последовательном определении в течение установленного промежутка времени дает возможность не только выявить наличие притока закачиваемой воды, но и оценить примерную интенсивность этого притока.

Примеры конкретного осуществления способа

Пример 1

В ходе добычи нефти с морской нефтедобывающей платформы на одном из шельфовых месторождений России для заводнения нефтеносного пласта использовали морскую воду. Для установления наличия прорыва закачиваемой воды в добывающую скважину №1 и определения эффективности проведения водоизоляционных работ в течение заданного промежутка времени осуществляли пробоотбор попутно добываемой воды из упомянутой скважины.

Результаты анализа следующих физико-химических параметров: общая минерализация (TDS), содержание НСО₃^-, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2- приведены в Таблице 1.

Затем выполнили стандартизацию полученного массива данных, результаты которой показаны в Таблице 2.

Для установления реперного образца пластовой воды провели иерархический кластерный анализ. Кластеризацию выполнили при помощи метода Варда на основе Евклидового расстояния. По результатам расчетов наиболее высокое значение статистической дистанции до закачиваемой воды было у образца «январь 2016», являющегося самым ранним в исследуемой выборке (Таблица 3).

Для подтверждения поступления закачиваемой воды в данную скважину №1 провели кластерный анализ методом k-средних, в результате которого исследуемая выборка разделилась на три ожидаемых кластера. Методом k-средних построили график, отображающий средние стандартизированные значения физико-химических параметров в каждом кластере (фиг. 1). На графике видно, что большинство условных (нормированных) значений физико-химических параметров третьего кластера занимают промежуточное положение. Исключение составляет только содержание гидрокарбонатов, отклонение которого может являться следствием нарушения углекислотного равновесия в процессе добычи или отбора проб. Таким образом, можно сделать вывод, что образцы из промежуточного кластера являются результатом смешивания пластовых и закачиваемых вод.

На основании полученной матрицы статистических расстояний, по уравнениям (2) и (3) рассчитали содержание закачиваемой воды в исследованных образцах попутно добываемых вод. Из данных таблицы 4 видно, что на протяжении заданного промежутка времени наблюдалось постепенное поступление закачиваемой воды в исследуемую скважину. В январе 2018 произошел существенный прорыв, в результате которого количество закачиваемой воды в скважине увеличилось до 30,76%. После проведения водоизоляционных работ эта доля снизилась до 11,59%.

Содержание сульфатов в пластовых водах исследуемого месторождения не превышает 50 мг/л, а для заводнения используется морская вода с содержанием сульфатов около 2700 мг/л. Поэтому содержание сульфатов в попутно добываемой воде используют как надежный критерий для идентификации поступления закачиваемой воды в добывающую скважину. Для сравнения рассчитали долю закачиваемой воды в попутно добываемой воде и по содержанию сульфатов. Результаты представлены в таблице 4. Таблица 4 показывает, что соотношение пластовая/закачиваемая вода, рассчитанное при помощи метода кластерного анализа, хорошо коррелирует с соотношением, рассчитанным на основе концентрации сульфатов, что еще раз подтверждает работоспособность предлагаемого способа, а также его достаточно высокую надежность и достоверность полученных результатов.

Следует отметить, что расчеты, полученные при помощи предлагаемого способа с использованием кластерного анализа, являются более точными, так как они основаны на использовании совокупности целого ряда физико-химических параметров и менее подвержены влиянию случайных или не связанных со смешиванием вод процессов. В частности, в данном примере значения доли закачиваемой воды, полученные при помощи кластерного анализа незначительно выше значений, полученных с использованием содержания сульфатов. Полученная разница объясняется тем, что при попадании в нефтеносный пласт сульфаты способны осаждаться в виде солей кальция, бария и стронция, что оказало влияние на точность результата.

Пример 2

Для того, чтобы установить наличие прорыва закачиваемой морской воды в добывающей скважине №2 нефтяного месторождения осуществили отбор проб воды аналогично примеру 1 и провели анализ физико-химических параметров: TDS, содержание НСО₃^-, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, результаты которого приведены в таблице 5.

Провели стандартизацию полученного массива данных. Результаты показаны в Таблице 6.

Затем выполнили иерархический кластерный анализ полученного массива данных. Кластеризацию осуществили при помощи метода Варда на основе Евклидового расстояния. Из полученной матрицы расстояний между образцами взяли значения расстояний образцов попутно добываемых вод до реперного образца закачиваемой воды (Таблица 7). Из Таблицы 7 видно, что в данном случае систематического уменьшения упомянутых расстояний не наблюдается. Наибольшее расстояние обнаруживает образец «Сентябрь 2016», находящийся в центральной части исследуемого временного промежутка. Таким образом, поступление закачиваемой воды в данную скважину за исследуемый промежуток времени маловероятно.

Для подтверждения предположения об отсутствии поступления закачиваемой воды в данную скважину №2 провели кластерный анализ методом k-средних, в результате которого исследуемая выборка была разделена на три кластера, в один из которых попала закачиваемая вода, а два других составили попутно добываемые воды. Распределение попутно добываемых вод между кластерами не было взаимосвязанным, реперный образец «сентябрь 2016» оказался в кластере №1.

По полученным данным при помощи метода k-средних построили график средних значений (фиг. 2), на котором видно, что значения переменных в обоих кластерах попутно добываемых вод имеют близкие значения. Кластер попутно добываемой воды без реперного образца не занимает промежуточного положения. Следовательно, прорыв закачиваемой морской воды в данной скважине отсутствует. Это подтверждается низким содержанием сульфатов во всех образцах (таблица 1).