Разработка нефтяных месторождений

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Скорость фронта тепловой конвекции равна:

ãäå 0âîç, âîç плотность воздуха при стандартных и пластовых условиях соответственно.

Произведение ñâîç âîç мало, им можно пренебречь. Тогда соотношение скоростей будет равно:

рость фронта горения превышает скорость фронта тепловой конвекции в 6,7 раз. Это подтверждает вывод о том, что за фронтом горения остается большое количество теплоты.

По результатам работ на месторождении Павлова Гора затраты на закачку воздуха составили около 30 % всех расходов на осуществление технологии. Поэтому ускорение конвективного переноса теплоты в область фронта горения существенно улучшает показатели процесса. Это достигается закачкой воды вместе с окислителем. Доля воды в закачиваемом воздухе называется водовоздушным отношением ( ВВО), а сама технология влажным ВГ. Эффект от закачки воды с окислителем заключается в увели- чении теплоемкости окислителя. Распределение температуры в пласте при ВВГ показано на рис. 21.4. Для ВВГ водовоздушное отношение составляет 1 3 л/м3.

По аналогии с технологией сухого горения для ВВГ будем иметь:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 21.4. Распределение температуры в пласте при влажном внутри-

пластовом горении:

1 выгоревшая зона; 2 зона фронта горения; 3 зона коксообразования; 4 высокотемпературная пароводяная зона; 5 зона конденсации легких УВ; 6 зона конденсации воды; 7 область фильтрации газообразных продуктов горения при начальной пластовой температуре

Оценим численно соотношение скоростей фронта горения и фронта тепловой конвекции при следующих исходных данных:

ñâ â 4,19 103 êÄæ/ì Ê, ñâîç 0âîç 1,0 êÄæ/ì Ê, S 0,8; ñãï ãï 2,5 103 êÄæ/ì Ê, Râîç 300 ì3/ì3.

Следовательно, при ÂÂÎ 2 10 3 ì3/ì3 фронт тепловой конвекции опережает фронт горения.

292

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

С увеличением водовоздушного отношения область, где происходит окислительная реакция, расширяется и ВВГ переходит в сверхвлажное горение. При высоких значе- ниях ÂÂÎ (10 2 ì3/ì3 и более) кокс не сможет выгореть полностью, что приводит к снижению температуры в зоне окислительной реакции и прекращению горения.

На современном этапе развития нефтяной промышленности роль ВГ при разработке месторождений существенно снизилась. Отечественный опыт его применения связан с работами на месторождениях Арланском, Павлова Гора, Русском, Ромашкинском, а также в Азербайджане (Хоросаны) и в Казахстане. Велик и зарубежный опыт (Япония, Нидерланды, США, Канада, Индия и др.). В настоящее время (на 2012 г.) известно только семь проектов ВГ: пять в Индии и два в США.

Как следует из рис. 21.4, механизм процесса ВГ чрезвычайно сложен, так как включает в себя много известных физических явлений.

Технология ВГ постоянно совершенствуется и вместо воздуха в пласт с тяжелой нефтью закачивают кислородную пену с ПАВ, содержащую 40 % кислорода. Технология запатентована в США компанией NiMinEnergy Corp. под названием КВСФ (комплексное вытеснение смешивающейся фазой). В технологии реализуется вертикальное гравитационное вытеснение. И ожидаемый КИН достигает 65 %. Расход кислорода составляет около 200 м3 íà 1 ì3 добытой нефти. Работы ведутся с 2009 г. на месторождении Pleito Creek в Калифорнии с применением горизонтальных скважин.

Имеется несколько математических моделей процесса ВГ. Одна из них создана в МИНХ и ГП им. И.М.Губкина Е.И. Коробковым и И.Н. Стрижовым. Она включает систему из семи дифференциальных уравнений в частных производных, которые описывают фильтрацию воды, газа, нефти, кислорода, водяного пара, процессы теплопереноса, генерации теплоты в пласте, теплопотери в окружающие породы и изменение концентрации топлива. Решение указанной системы уравнений осуществляется с помощью компьютерных программ Инженерные методики изложены в работах Ю.П. Желтова, И.Н. Стрижова, Е.И. Коробкова.

293

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

реакции при начальных пластовых условиях; B RE ; E

энергия активации; R универсальная газовая постоянная;

v qâîç âîç ñâîç ; 4 h ïë hîõâ

u T T0 .

Tâîç T0

Второй способ предусматривает установку против продуктивного пласта теплоэлектронагревателя и нагнетание воздуха с небольшим расходом.

Третий способ использует катализаторы окисления. Количество топлива в нефти при проектированиии про-

цесса ВГ определяется обычно экспериментальным путем для конкретных условий.

Для оценки образующегося при ВГ топлива (кокс) получено несколько статистических уравнений, рекомендуемых для различных проницаемостей пласта, в том числе и для любой проницаемости:

qò 84,8 1,77 103 ÂÂÎ 2,11 106 ÂÂÎ2 0,107 í

21.4. РОЛЬ ГАЗОВ ГОРЕНИЯ В МЕХАНИЗМЕ НЕФТЕОТДАЧИ

При осуществлении внутрипластового горения в пласт закачивается большое количество воздуха. Основными компонентами газообразных продуктов ВГ являются азот и диоксид углерода. В небольших количествах присутствуют СО и NO. В процессе горения коэффициент использования кислорода может составлять 0,5 0,8, что обеспечивает присутствие в газах горения (ГГ) СО2 в объеме 10 16 %. Так как ГГ фильтруются по пласту непрерывно и задолго до подхода теплового фронта к линии отбора, то происхо-

295

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

дит насыщение пластовой нефти СО2. В результате проявляется ряд эффектов, обеспечивающих многократное (5 10 раз) увеличение дебитов добывающих скважин, продуцирующих нефть с начальной пластовой температурой. Доля участия газов горения в общем механизме нефтеотдачи, согласно экспериментальным и промысловым (Павлова Гора) данным, может достигать 30 % общего технологического эффекта.

Для определения коэффициента вытеснения высоковязкой нефти ГГ были проведены специальные экспериментальные исследования на линейных моделях пластов с собдюдением общепринятых критериев подобия и использования теории планирования эксперимента. Общее число экспериментов, согласно плану, составило 32. Исследовалось влияние давления вытеснения, вязкости пластовой нефти, проницаемости пористой среды и количества прокачанных через модель пласта поровых объемов газообразных продуктов горения. В результате обработки данных получено уравнение регрессии с учетом связей между переменными. Оно приведено в упрощенном виде, без членов, учитывающих взаимовлияние факторов

âûò 22,51 2,24x1 2,44x2 1,3x3 1,24x4

i-го показателя в центре плана эксперимента; xai èí-

тервал изменения i-го показателя; x1 давление, кгс/см2; x2 вязкость нефти, сП; x3 проницаемость, мД; x4 êî-

личество прокачанных поровых объемов газов горения. При составлении плана эксперимента шаг изменения

исследуемых параметров был принят следующим (сме-

296

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

шанная система единиц): xa1 10 êã/ñì2; xa2 25 ñÏ;

xa3 250 ìÄ; xa4 2.

Воспроизведение результатов экспериментов по вышеприведенному уравнению регрессии составляет 5 %.

Глава 22 ВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Âпоследние годы волновые технологии начинают применяться во все возрастающем объеме. Среди них следует отметить:

вибровоздействие с помощью гидравлических забойных вибраторов, установленных в скважине;

вибровоздействие с помощью поверхностных вибраторов;

акустическое воздействие на продуктивный пласт с сейсмоакустическим эффектом;

гидроимпульсное воздействие; гидроудары в режиме низкочастотных или одиночных

импульсов, в том числе электрозарядные гидроудары с созданием трещин до 0,1 0,2 м, имплозионное воздействие (скорость распространения гидроударной волны достигает 1350 1550 м/с);

электровоздействие.

Âрезультате обширных исследований, которые проводились в СССР и за рубежом были изучены возможные причины положительного влияния волновых процессов и доля участия в механизме фильтрации жидкостей. К ним относятся:

нагрев 25 %; механическое перемешивание за счет аккустического

ветра 14 %; переменное звуковое давление;

колебательная скорость и ускорение; амплитуда колебаний; градиент давления;

297

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

6 Гц является губительной и даже смертельной для человека. Такие колебания возникают в море при больших штормах. Этим и объясняют явление «Летучего голландца» и многие другие аналогичные случаи, когда на исправных и находящихся на плаву кораблях (как парусных, так и с двигателем) отсутствовали экипажи и признаки насилия.

Экспериментальными исследованиями, проведенными в лаборатории вибровоздействия на кафедре РиЭНМ МИНХ и ГП им. И.М. Губкина С.М. Гадиевым на моделях пластов, было установлено, что вибрация способствует увеличению коэффициента вытеснения нефти на 10 15 % по сравнению с обычным заводнением, а продолжительность процесса вытеснения уменьшалась почти в 3 раза по сравнению с опытами без вибрации.

Задача решалась и аналитически. При постановке зада- чи рассматривалось движение двух разноцветных вязких несмешивающихся жидкостей в плоском горизонтальном капилляре, ограниченном колеблющимися пластинами.

Движение жидкостей описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных:

ãäå vx, vy проекции скоростей на оси õ è ó; ð давление; плотность жидкости; динамическая вязкость жидкости; t – время.

298

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При соответствующих начальных и граничных условиях для коэффициента вытеснения нефти водой при вибрационном воздействии на пласт получено следующее выражение:

K( )

âûò 2K1( ) rd , (22.2)

K( )

ãäå r xl линия границы раздела жидкостей; x расстояние, пройденное фронтом вытеснения; l длина капилляра, hy ; y координата по оси ó, h половина

расстояния между двумя колеблющимися стенками капилляра.

где амплитуда колебаний; w частота колебаний; t время; кинематическая вязкость фильтрующейся жидкости.

Результаты расчетов показаны на рис. 22.1, где представлена динамика коэффициента вытеснения нефти водой

выт

w,

Рис. 22.1. Зависимость расчетного коэффициента вытеснения нефти водой от частоты колебаний

299

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

âзависимости от частоты колебаний. Результаты исследований подробно изложены в монографии С.М. Гадиева.

Âрезультате лабораторных исследований, проведенных

âнашей стране и за рубежом, было установлено, что после обработки акустическими колебаниями в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот вязкость жидкости снижалась на 16 22 %, причем для всех частот (20 20 000 Гц).

При распределении звуковых волн в микрооднородных средах возникает чередование сжатия и растяжения. А че- редование волн соответствует частоте звуковой волны. Это давление называется звуковым давлением. Излучатель колебаний не только приводит в колебательное движение прилегающие к нему частицы среды относительно положения равновесия, но и вызывает постоянное их смещение звуковой ветер. В пористой среде этот эффект усиливается.

Âэкспериментах время восстановления вязкости

жидкости до первоначальной величины составляло 18 20 ч. Изменение и последующее восстановление до начальной вязкости жидкости обусловлено, согласно теории Я.Н. Френкеля, изменением концентрации и деформации существующих в жидкости дыр. Эффект от влияния акустического поля состоит в следующем:

увеличении скорости фильтрации вследствие разрушения реологической структуры жидкости (в том числе

âповерхностных слоях) и ее превращения в ньютоновскую;

ускорения процесса гравитационного разделения нефти и воды после завершения разработки залежи;

создание инерционных сил в жидкости;

внутрипоровой турбулизации жидкости, что приводит к уменьшению вязкости нефти и ослаблению межмолекулярных связей и, как следствие, увеличению фазовой проницаемости для нефти.

На этом принципе основан метод акустической реабилитации скважин и пластов. Создаваемые частоты находятся

âзвуковом и ультразвуковом диапазоне. Помимо вышеуказанных эффектов имеет место сейсмоакустический эффект, который способствует разрушению пристенных неподвижных слоев жидкости, имеющих электростатическую природу. Технология осуществляется без остановки сква-

300