51

Лекция 11 Гидродинамическая модель баженовской свиты при термогазовом и парогазовом воздействии

Методами математического моделирования исследуются процессы подземной гидродинамики и геомеханики пластов в породах баженовской свиты в режиме термогазового воздействия. Считается, что структура этого объекта состоит из плоскопараллельных горизонтальных слоев, обладающих специфическими свойствами. Она состоит из чередующихся продуктивных и непродуктивных пластов или пропластков Продуктивные слои включают в себя керогены и являются малопроницаемыми. Именно они и являются источниками углеводородов (УВ), возникающих при разложении керогенов. Далее нефть вытесняется в высокопроницаемые слои, откуда она поступает в добывающие скважины. Возможно, что под баженовскими породами находятся высокопроницаемый непродуктивные абалакский слой и другие аналогичные слои.

Суть воздействия сводится к тому, что в пласты баженовской свиты поступает кислород воздуха (или водо-воздушная смесь), который вступает в реакцию низкотемпературного окисления и разогревает пласты до температуры порядка 200⁰С – 400⁰С. При этом из керогена выделяется нефть, которая заполняет образующиеся поры и приводит к растрескиванию вмещающих пород. В породах баженовской свиты есть защемленная нефть и нефть слабо связанная с керогеном. При определенных условиях может возникнуть т.н. синтетическая нефть, полученная в результате крекинга смол и тяжелых нефтей, содержащихся в керогене. Мы рассматриваем только такие процессы, при которых выделяется связанная нефть или защемленная нефть становится подвижной, не затрагивая процессы крекинга смол и тяжелых нефтей, а также пиролиза самого керогена.

Рассматриваются медленные процессы многофазной и многокомпонентной фильтрации в среде с жестким скелетом с учетом химических и физико-химических превращений. В уравнениях упругими деформациями скелета можно пренебречь. Неупругие деформации связаны с разрушением и пластическими деформациями скелета. Тем не менее, возможные упругие и неупругие деформации косвенно влияют на режим фильтрации через изменение коэффициента проницаемости и других коэффициентов определяющих соотношений. Основным фактором ослабления пород считается повышение температуры в результате низкотемпературного окисления. Под действием температуры происходит разложение керогена и ослабление скелета. Предполагается, что поры возникают при переходе части керогена в нефть, а трещиноватость образуется в ослабленных (разложением керогена) баженовских породах под действием механических напряжений, создаваемых температурой, поровым давлением (или градиентом этих величин) и весом вышележащих пород.

1. Введение

Как известно [1,2], продуктивные пласты баженовской свиты представляют собой некий конгломерат пористых пород, который может быть описан механикой пористых насыщенных деформируемых сред. На 70-80% они составлены из твердых осадочных пород (глины, карбонатов и т.п.), которые заполнены керогеном. В свою очередь кероген представляет собой твердое вещество, содержащее примерно 20-30% жидких углеводородов (УВ), близких по составу к нефтям. Нефти могут находиться как в связанном, так и в свободном состояниях. Вещество керогена идентифицируется как незрелые УВ (т.н. пелитовые угли), которые возникают в результате глубокой переработки органических пелитовых осадков в природных условиях при определенных термодинамических и барических условиях, ведущих к образованию углей и нефтей. В определенном смысле бажениты можно рассматривать как нефтематеринские породы, содержащие как зрелую, так и недозрелую нефти.

Нефть пропитывает как угли, так и твердые осадочные породы, заполняя собой все трещины и поры. За геологические масштабы времени она сочится из баженитов и образует сопутствующие нефтяные месторождения, которые находятся в условиях аномально высоких пластовых давлений (АВПД). Керогены и бажениты являются малопроницаемым. Однако при нагревании керогена (до температур не выше 400⁰С) в нем выделяются жидкие углеводороды (нефти), при удалении которых образуется пористое остаточное вещество, содержащее углерод (кокс). Пласты баженитов находятся на глубинах от нескольких сотен метров до 3 км. Температура в них значительно выше, чем температура в выше- и нижележащих слоях (порядка 60⁰С – 120⁰С). Это объясняется тем, что в керогенах есть высокий процент различных примесей, содержащих радиоактивные элементы (например, уран). Радиоактивный распад и приводит к повышению температуры. Возникает естественный вопрос, каким образом организовать оптимальную добычу УВ с помощью системы различных скважин (закачивающих, откачивающих, нагревательных и т.д.).

Существуют различные точки зрения на строение и динамику баженовской свиты, в том числе и в процессе разработки. Они представлены различными геологическими моделями (модель 1 и модель 2 [1,2]). Модель 1 разработана коллективом МИМГО и представлена на рис. 1. Она предполагает, что баженовская свита состоит из переслаивающихся прослоек – продуктивных и непродуктивных, но сильно проницаемых.

Модель 2 разработана в губкинском институте. В этой модели проницаемыми прослойками в самом баженовской слое пренебрегается, но при этом считается, что роль сильно проводящего слоя играет абалакский пласт, в который стекают УВ из баженовского пласта. В модели 2 считается, что флюид находится в состоянии газокондесата, т.е. там находится легкие нефти с растворенным УВ-газом. Более того, пласты баженовской свиты подвергаются элизионному сжатию. В обеих моделях предполагается, что мало пористые и мало проницаемые баженовские пласты в процессе разработки становятся трещиновато-пористыми породами, которые обладают двойной пористостью. По-видимому эти модели не противоречат, а дополняют друг друга. Подводя итоги, можно сделать следующие утверждения.

Принципиальными с точки зрения моделирования являются следующие факты, которые обычно признаются всеми геологами [3,4]. Они выявлены при исследовании геологических моделей и при анализе значений определяющих параметров и констант модели. К объектам исследования относятся мало проницаемые продуктивные баженовские пласты и высокопроницаемые слои и прослойки, в которые легкая нефть поступает из низко проницаемых коллекторов, но которые сами по себе не являются продуктивными. Параметры этих структур колеблются для разных месторождений. Толщины продуктивных слоев порядка 3-5 м, а толщины прослоек в пределах от 1 до 3 м. Хотя прослойки и считаются непродуктивными, тем не менее, в них содержится до 3-4% керогена, который играет важную роль в технологии термогазового воздействия.

Воздух по проницаемым прослойкам поступает в породы баженовской свиты, в которых уже находятся легкие нефти. В результате реакции низкотемпературного окисления нефти происходит разложение керогена в первую очередь в проницаемых прослойках, которое способствует разогреву этих прослоек и последующему нагреванию основных продуктивных прослоек, содержащих кероген с помощью механизма теплопередачи. Получение нефти именно из этих прослоек и является главной целью технологий термогазового и водогазового воздействий.

В основу рассматриваемой математической модели кладется геологическая модель Славкина, которая представлена на рис. 1. Внутри баженовской свиты находятся три зоны: IиII– матрица,III– проницаемый пропласток. ЗоныIиIIмало проницаемы по сравнению с зонойIII, но они содержат кероген. ЗонаIпрактически совсем непроницаема. ЗонаIIимеет анизотропную проницаемость (максимальная проницаемость направлена вдоль слоя). В зонеIIIпроницаемость лежит в интервале 0,1 – 2 мкм². Трещинная пористость в этой зоне равна примерно 2– 4 %. Толщина этого пропластка 1м, а толщины первых двух зон составляет первые метры. Содержание нефти вIиIIзонах составляет соответственно 70 л/м³ и 50 л/м³. В целях определенности и конкретности мы опираемся на данные по Галяновскому месторождению, которые приведены в следующем разделе.

Цель технологии воздействия состоит в том, чтобы извлечь нефть, содержащуюся в зонах IиII. Суть технологии термогазового и водогазового воздействия заключается в том, что в проницаемый пропласток закачивается активный агент, содержащий кислород воздуха, и с помощью реакции низкотемпературного окисления этот пропласток разогревается. Это приводит в движение некие механизмы воздействия на соседние слои, в результате чего нефть из зонIиIIпоступает в зонуIII, из которой она может быть извлечена на поверхность через откачивающие скважины. Для оптимизации этого процесса необходимо создать математическую модель. Рассмотрим сначала для простоты термогазовое воздействие без воды, а затем уже и водогазовое воздействие. Сравнение этих процессов может показать их достоинства и недостатки.

Совершенно очевидно, что если размер возмущения порядка толщины слоя III(т.е. 1м), то практически вообще невозможно создать разумную и управляемую технологию воздействия. В этом случае необходимо учитывать трехмерный характер возмущения в этом и других слоях, который трудно поддается вычислению и тем более – управлению. Значит, модель "толстого" слоя неприемлема. Для того, чтобы эти слои можно было бы рассматривать как тонкие и применять соответствующие приближения, необходимо, чтобы горизонтальный размер возмущения значительно превышал бы суммарные толщины этих слоев. С другой стороны он должен быть меньше расстояния между скважинами (около 1000 – 700м). Следовательно, горизонтальный размер возмущения составляет первые десятки метров и не может превышать 100м. Характерное время воздействия составляет около года. Отсюда сразу получаем характерное время развития процессов в области возмущения – порядка месяца.

В системе тонких слоев допускается осреднение по вертикали, что позволяет упростить модель, не меняя ее сущности. При таком осреднении возникает система вложенных континуумов, каждый из которых соответствует некоторому слою. В первом и достаточно грубом приближении зоны IиIIможно отождествить и описывать одним и тем же континуумом. В результате слои моделируются средой с двойной пористостью, соответствующей двум вложенным континуумам. В модели среды с двойной пористостью одно поровое пространство (соответствующее проницаемому пропластку) образовано сообщающимися порами, допускающими фильтрацию вдоль пласта. Во втором континууме фильтрация вдоль пласта невозможна, но допускаются перетоки флюида между пластами.

Размер трещин и расстояние между ними таково, что теплопередача в слое IIIпроисходит практически мгновенно. Поэтому вся эта зона находится в состоянии теплового квазиравновесия. Температура во флюидных фазах и скелете практически одна и та же и меняется только в латеральном направлении. Точно также и в прилегающих слоях температуры фаз совпадают и могут меняться только в горизонтальном направлении.

Итак рассматриваются медленные процессы многофазной и многокомпонентной фильтрации в среде с двойной пористостью, при которых упругими деформациями скелета можно пренебречь. Однако возможны неупругие деформации, связанные с разрушением и пластическими деформациями скелета. Основным фактором ослабления пород считается повышение температуры в результате низкотемпературного окисления. Под действием температуры происходит разложение керогена и ослабление скелета. Предполагается, что поры возникают при переходе части керогена в нефть, а трещиноватость образуется в ослабленных (разложением керогена) баженовских породах под действием механических напряжений, создаваемых температурой, поровым давлением (или градиентом этих величин) и весом вышележащих пород. Наличие водной фазы способствует разжижению глин и возникновению в них пластических деформаций. На первом этапе исследования мы пренебрегаем любыми деформациями скелета и рассматриваем только жесткий недеформируемый скелет.

В сложной многофакторной системе все кинетические процессы контролируются самым медленными процессами, к которым относятся конвективный перенос и теплопередача между фазами. При этих условиях химические и физико-химические превращения происходят в равновесном режиме. При медленных движениях происходит также вытеснение и замещение фаз. Следствием этих процессов является возникновение скачков насыщенностей и появление внутренних границ, разделяющих зоны с различными режимами равновесной кинетики.

В системе обозначений есть сквозные обозначения (которые приведены в таблице обозначений) и локальные обозначения, которые специфичны для данного раздела. Их легко различать по контексту. Как правило, сами символы относятся к общим сквозным обозначениям, а индексы у символов носят локальный характер.