Otwory rozgałęzione w eksploatacji złóż gazu o niskiej przepuszczalności

Otwory rozgałęzione w eksploatacji złóż gazu o niskiej przepuszczalności
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Złoża gazu o niskiej przepuszczalności wymagają specjalnych technik eksploatacyjnych. Jedną z metod eksploatacji złóż takiego typu są otwory rozgałęzione (multilateralne), które mają być alternatywą do zabiegów szczelinowania hydraulicznego. Artykuł przedstawia wyniki obliczeń możliwych do uzyskania wydajności dla różnych konfiguracji otworów rozgałęzionych.

Streszczenie

Następnie przedstawione zostały wyniki obliczeń możliwej do uzyskania wydajności dla przykładowego złoża o niskiej przepuszczalności. Wydajność została policzona zarówno dla odwiertu pionowego, jak również dla kilku różnych schematów geometrii odwiertów multilateralnych, ze szczególnym uwzględnieniem zmian długości gałęzi i kątów ich nachylenia.

1. Wprowadzenie

Od wielu lat znane są pokaźne złoża gazu, których to eksploatacja była na tyle problematyczna i kosztowna, że próby jego wydobycia metodami konwencjonalnymi są nie ekonomiczne. Do tego typu złóż gazowych zaliczyć możemy te występujące na znacznych głębokościach (poniżej 4000 m), złoża metanu uwięzione w pułapkach węglowych często przykopalnianych, hydraty metanu oraz złoża "tight gas" oraz "shale gas"[2]. Wspólną cechą tych złóż jest bardzo mała przepuszczalność.

Mówiąc o złożach gazu o niskiej przepuszczalności mamy na myśli przepuszczalność nieprzekraczającą 0.1 mD. W przeszłości złoża tego typu z góry traktowane były jako niewydobywalne. Jednakże wraz ze wzrostem zapotrzebowania na gaz i rozwojem technologicznym powrócono do nich. W złożach tych niemożliwa jest ekonomiczna eksploatacja gazu bez wykonania dużego zabiegu hydraulicznego szczelinowania lub otworu poziomego albo rozgałęzionego [1,3]. Otwory rozgałęzione są alternatywą dla szczelinowania hydraulicznego. Pozwalają na sterowanie trajektorią, co ma duże znaczenie przy złożach z wodą aktywnie podścielającą (active bottom water). Natomiast w przypadku zabiegu szczelinowania zasięg i kierunek szczeliny są obarczone ryzykiem.

Złoża o niskiej przepuszczalności zaliczyć należy do zasobów niekonwencjonalnych, które w bardzo ogólny sposób można zobrazować za pomocą trójkąta zasobów gazu ziemnego (rys. 1). Z graficznego przedstawienia zasobów gazu ziemnego na świecie wynika, że zasoby gazu złóż niekonwencjonalnych są znacznie większe niż zasoby złóż konwencjonalnych. W celu ich optymalnego udostępniania i eksploatacji należy stosować najnowsze rozwiązania. Wiele krajów posiada już bogate kilkudziesięcioletnie doświadczenia w eksploatacji takich złóż.

Najwięcej złóż o niskiej przepuszczalności (głównie złóż typu "tight gas" i "shale gas") jest eksploatowanych w Stanach Zjednoczonych. Obecnie w USA shale gas to około 10% produkcji gazu i ta wartość szybko wzrasta. W USA szybko rośnie wydobycie gazu łupkowego w 1996 r. było to 8,5 mld m3, w 2006 r. już prawie trzykrotnie więcej. W 2007 r. ukończono tam 4185 nowych otworów tego typu. Ocenia się że w przyszłości sam shale gas będzie stanowił 50% produkcji gazu w USA [4,5]. Również jeśli chodzi o złoża typu "tight gas" pionierami są Amerykanie. W końcu lat 60 uruchomili pierwszy taki otwór w basenie San Juan w stanie Nowy Meksyk. Dzisiaj w USA działa 40 tysięcy otworów tego typu, które dostarczają 70 mld m3 gazu rocznie, co stanowi ponad 10% całkowitego tamtejszego wydobycia. Kluczem do sukcesu było opanowanie zaawansowanych metod szczelinowania hydraulicznego oraz spadek cen technologii wiercenia otworów poziomych [5]. Niekonwencjonalne złoża łącznie ("shale gas", "tight gas" i "Coal Bed Methane" czyli metan pokładów węgla kamiennego) dają około 50% produkcji gazu w USA [4].

Trudno jest na razie powiedzieć ile niekonwencjonalnego gazu jest w Polsce, ale wstępne, niepotwierdzone szacunki amerykańskich firm oceniają zasoby tylko gazu "łupkowego" w Polsce na 1,5 nawet do 3 bln m3. Dla porównania zasoby w konwencjonalnych złożach wynoszą ponad 100 mld m3 gazu, zaś roczne zapotrzebowanie Polski to 13 (dane z roku 2009 r.) 14 (dane z roku 2008 r.) mld m3 [6].

Obecnie na terenie Polski już 14 firm takich jak Chevron, ExxonMobil, ConocoPhillips czy Marathon Oil, prowadzi, na podstawie udzielonych przez Ministra Środowiska koncesji, poszukiwania niekonwencjonalnych złóż gazu ziemnego w rejonie Lubelszczyzny, Mazowsza, Pomorza i Monokliny Przedsudeckiej. Obszar objęty planowanymi pracami wynosi ponad 37 tys. km2,co stanowi prawie 12% obszaru Polski. Dotychczas Minister Środowiska udzielił już 70 koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie złóż kopalin, które obejmują niekonwencjonalne złoża gazu ziemnego szczególnie złóż gazu "z łupków" [4,6]. W Polsce były w przeszłości podjęte próby udostępniania złóż typu "tight gas" za pomocą otworów pionowych, jednak uzyskiwane wydajności były niskie.

W artykule omówiona zostanie metoda eksploatacji złóż o niskiej przepuszczalności, polegająca na zastosowaniu otworów rozgałęzionych. Otwór taki składa się z pionowego odcinka zwanego pniem oraz dowolnej ilości gałęzi leżących w płaszczyznach poziomych (rys. 2). Celem niniejszej pracy jest zbadanie wydajności kilku schematów otworów rozgałęzionych dla przykładowego, polskiego złoża gazu o niskiej przepuszczalności oraz porównanie wydajności dla otworów rozgałęzionych między sobą i wydajnością otworu pionowego.

2. Wydajność otworów rozgałęzionych

Głównym celem zastosowania tej technologii jest dążenie do zwiększenia powierzchni kontaktu otworu ze złożem, dzięki czemu zwykle uzyskuje się wyraźny przyrost wydajności eksploatacji. Pozwala ona na szersze udostępnienie złoża, czerpanie z cienkich warstw złożowych czy warstw szczelinowatych wykorzystując do tego istniejące już otwory [7]. W szczególności takie otwory mogą być zastosowane na złożach gazu o niskiej przepuszczalności poziomej. Otwór taki zwiększa obszar drenażu redukując w ten sposób liczbę otworów na złożu [8].

W literaturze występuje szereg prac poświęconych określaniu wydajności otworów multilateralnych [9,10,12,13]. W niniejszym artykule wykorzystano model matematyczny przedstawiony w [11].

Rozważa się otwór rozgałęziony składający się z pionowego odcinka oraz dowolnej ilości gałęzi leżących w płaszczyznach poziomych. Otwór taki zlokalizowany jest w dowolnym punkcie skończonego prostopadłościanu reprezentującego strefę zasięgu otworu (rys. 2).

Strop i spąg prostopadłościanu są nieprzepuszczalne, natomiast na pozostałych ścianach utrzymywane jest stałe ciśnienie. Obszar drenażu jest jednorodny, ale współczynnik przepuszczalności może by anizotropowy, tzn. określony przez współczynniki kx, ky, kz w kierunkach osi układu współrzędnych. Przepływ jest jednofazowy, współczynniki lepkości i ściśliwości są stałe. Wszystkie gałęzie są dowolnie zorientowane w płaszczyznach poziomych, równoległych do stropu i spągu. Każda gałąź może mieć indywidualnie definiowaną długość L_hi, średnicę, punkt początkowy z_wi oraz kąt nachylenia θ_wi.

Równanie dyfuzji 3D dla jednofazowego, nieściśliwego płynu w ośrodku anizotropowym ma następującą postać [18] (wzór 1) gdzie: SD jest bezwymiarową funkcją źródła otworu multilateralnego.

Model jest oparty na rozwiązaniu powyższego równania dyfuzji w stanie ustalonym generowanego przez otwór rozgałęziony, w warunkach pseudociśnienia (dla gazu), który jest wyrażony następującym wzorem[17] (wzór 2) m(p) jest pseudociśnieniem wyrażonym poniższym wzorem [18] (wzór 3).

W pracy [11] zostało podane rozwiązanie powyższego problemu różniczkowego z warunkami brzegowymi w postaci szeregu Fouriera, poprzez zastosowanie skończonej, sinusowej transformaty Fouriera do współrzędnych x i y oraz skończonej, cosinusowej transformaty Fouriera do współrzędnej z. Jako rozwiązanie otrzymuje się bezwymiarowe ciśnienie w j-tej gałęzi z włączeniem skin efektu oraz bezwymiarowe wydajności wszystkich gałęzi, pozwalające na wyznaczenie udziału każdej gałęzi w całkowitym wydatku. Zadając depresje w otworze można wyliczyć jego całkowitą wydajność a następnie wydajności poszczególnych gałęzi.

W literaturze występują dwa rodzaje modeli symulacyjnych otworów rozgałęzionych [7]:

1. modele trójwymiarowe, numeryczne, uwzględniające rzeczywistą geometrię złoża,
2. uproszczone modele analityczne.

W niniejszej pracy wykorzystano modelowanie metodą analityczną.

3. Modelowanie otworów rozgałęzionych dla przykładowego złoża

W ramach artykułu wykonano obliczenia symulacyjne wydajności ośmiu różnych schematów geometrii otworów rozgałęzionych dla rozpatrywanego złoża (tab. 1), wykorzystując program napisany w programie Mathcad przez J. Stopę na podstawie [10]. Przyjęto do obliczeń następujące konfiguracje, zmieniając w obliczeniach długości i kąty nachylenia gałęzi (rys. 3):

1. otwór przeciwległy lub poziomy z dwoma gałęziami ułożonymi w górnym interwale;
2. otwór piętrowy z dwoma gałęziami ułożonymi po jednej w każdym interwale;
3. otwór piętrowo przeciwległy z trzema gałęziami ułożonymi: dwie gałęzie w górnym interwale, jedna w dolnym;
4. odwiert piętrowo przeciwległy z czterema gałęziami ułożonymi po dwie gałęzie w każdym interwale;
5. otwór promienisty z trzema gałęziami ułożonymi w górnym interwale;
6. otwór promienisty z czterema gałęziami ułożonymi w górnym interwale;
7. otwór piętrowo promienisty z pięcioma gałęziami ułożonymi: trzy gałęzie w górnym interwale, dwie w dolnym;
8. otwór piętrowo promienisty z sześcioma gałęziami ułożonymi: cztery gałęzie w górnym interwale, dwie w dolnym.

W celu umożliwienia porównania uzyskanych wyników, obliczenia wykonano we wszystkich przypadkach dla takiej samej struktury złożowej, zakładając nasycenie strefy złożowej gazem.

Do prezentacji wyników wybranych zostało 25 przypadków, wyraźnie polepszające wydajność dla danego schematu. Uzyskane wyniki dla wszystkich przypadków przedstawione zostały na poniższych rysunkach. W tabeli 2 zawarto po jednym, najbardziej wydajnym przypadku dla każdego z ośmiu schematów.

4. Podsumowanie

W ramach artykułu wykonano obliczenia symulacyjne wydajności ośmiu różnych schematów geometrii otworów rozgałęzionych dla przykładowego złoża gazu o niskiej przepuszczalności. Otrzymane wydajności porównano z policzoną wydajnością dla otworu pionowego o długości sięgającej do drugiego interwału (4820 m).

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń stwierdzić można, że zastosowanie otworów rozgałęzionych znacząco wpływa na zwiększenie wydobycia gazu ze złoża o niskiej przepuszczalności.

Dla otworów rozgałęzionych istotna jest prawidłowa lokalizacja oraz właściwe określenie długości odgałęzień zapewniające dostęp do strefy złożowej. Jak widać z zamieszczonej tabeli oraz rysunków dla różnych schematów otworów rozgałęzionych zostały uzyskane wydajności od ok. 9 tys. do ok. 32 tys. m3/dobę. Widać więc, że otwór rozgałęziony już o dwóch gałęziach podwyższa wydajność otworu pionowego, która wynosiła ok. 4 000 m3/dobę. Z przeprowadzonych symulacji łatwo zauważyć, że zarówno zwiększenie liczby gałęzi odchodzących od głównego otworu, jak i ich długości wpływa pozytywnie na zwiększenie całkowitej wydajności, czasem bardzo znacząco, szczególnie przy zwiększaniu długości odgałęzień. Decydujące znaczenie przy planowaniu otworu rozgałęzionego i dla optymalizacji wydobycia ma odpowiedni dobór kątów pomiędzy poszczególnymi gałęziami. To właśnie dzięki temu możliwe jest uzyskanie większego wydobycia przy tej samej lub nawet mniejszej liczbie gałęzi (dla gałęzi tej samej długości).

W przypadku złoża o bardzo niskiej przepuszczalności gałęzie muszą mieć odpowiednią długość, ze względu na bardzo mały ich zasięg, którego powodem jest mała przewodność złoża.

Jak zwykle w tego typu sytuacjach wybranie odpowiedniego modelu szerszego udostępnienia złoża czy to poprzez otwór rozgałęziony czy użycie innej metody intensyfikacji wydobycia jest uzależnione od analizy ekonomicznej, kosztów wykonania i odpowiadającym im wzrostom wydobycia.

Literatura

[1] Naik G.C: Tight Gas Reservoirs An Unconventional Natural Energy Source for the Future, The Association of Petroleum Geologists of India, www.sublette-se.org/files/tight_gas.pdf . Accessed on 3 April 2007.
[2] http://www.naturalgas.org/overview/unconvent_ng_resource.asp
[3] http://www.wisegeek.com/what-is-tight-gas.htm
[4] http://www.mos.gov.pl/artykul/7_aktualnosci/10915_polska_jak_teksas.html
[5] http://www.polityka.pl/nauka/283356,1,wyciskanie-gazu.read
[6] http://chrisfugiel.pl/articles/0/211
[7] Stopa J., Rychlicki S., Wojnarowski P., Kosowski P.: Zastosowanie odwiertów rozgałęzionych w eksploatacji złóż ropy i gazu, Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 24/2, 2007, s. 869 878.
[8] Stopa J., Wojnarowski P., Rychlicki S.: Wykorzystanie wyników symulacji komputerowej do oceny efektywności udostępniania złoża ropy naftowej za pomocą otworów horyzontalnych, Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 25/2, 2008, s. 679 687.
[9] Salas J.R., Clifford P.J., Jenkins D.P.: Brief: Multilateral Well Performance Prediction, JPT, 1996.
[10] Yildiz T.: Multilateral Horizontal Well Productivity, SPE Paper 94223, 2005.
[11] Stopa J.: Komputerowe modelowanie otworów o skomplikowanej geometrii (multilateralnych), Prace Instytutu Nafty i Gazu, nr 137, Wydanie konferencyjne: Międzynarodowa konferencja naukowo techniczna Geopetrol 2006 nt. Problemy techniczne i technologiczne pozyskiwania węglowodorów a zrównoważony rozwój gospodarki, Kraków 2006, s. 1107 1113.
[12] Brand C., Economides M.J., Frick T.P., Retnanto A.: Optimal Configuration of Multiple-Lateral Horizontal Wells, SPE 35712, 1996.
[13] Economides M.J., Retnanto A.: Performance of Multiple Horizontal Well Laterals in Low to Medium Permebility, SPERE, 1996.
[14] Holditch S.A.: Tight gas sands, SPE 103356.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Otwory rozgałęzione w eksploatacji złóż gazu o niskiej przepuszczalności

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!