Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что около 30% мировых нефтяных запасов приходится на месторождения высоковязких и битумных нефтей, и наблюдается тенденция к росту этой доли. Для добычи таких нефтей требуются специальные технологии. В настоящее время наиболее приемлемой считается тепловая обработка таких залежей с применением либо закачки теплоносителя (пара, горячей воды или парогаза), либо осуществления внутрипластового горения. Однако в случае сверхвязких и битумных нефтей эти способы малоэффективны, к тому же они экологически небезопасны. Методом, принципиально отличающимся от традиционных, является использование энергии высокочастотного (ВЧ) электромагнитного (ЭМ) поля. Основное его преимущество - осуществление объемного прогрева пласта с возможностью регулирования подаваемой через скважину ЭМ энергии без экологического ущерба окружающей среде. Технологии ВЧ ЭМ воздействия активно прорабатываются и уже успешно реализуются на месторождениях США, Канады, Венесуэлы и др., хотя приоритет научных исследований в этом направлении несомненно принадлежит России, где еще в 60-х годах под руководством профессора Саяхова Ф.Л. были начаты работы по изучению влияния ЭМ полей на среды нефтяной технологии. Наряду с созданием физических основ технологии, многочисленных лабораторных экспериментов были успешно осуществлены опытно -промышленные испытания на Мордово-Кармальском месторождении Татарии.
Более широкому распространению метода ВЧ ЭМ воздействия препятствует наряду с чисто техническими, но преодолимыми сложностями то, что область теплового прогрева призабойной зоны все же остается сравнительно небольшой и составляет 10-15 метров.
В связи с этим разработан новый комбинированный способ разработки месторождений высоковязких и битумных нефтей, включающий осуществление ВЧ ЭМ воздействия в сочетании с закачкой смешивающегося агента и предусматривающий обработку не только эксплуатационных, но и нагнетательных скважин.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что преимущество предложенного автором способа состоит не только в сочетании достоинств того и другого способа, но, кроме того, в проявлении дополнительных эффектов, связанных с особенностями физико - химических явлений в многокомпонентных углеводородных системах при воздействии ВЧ ЭМ поля.
Таким образом, для реализации такой технологии необходимо изучение термодинамики происходящих процессов, сопровождающихся
сложными явлениями тепло- и массопереноса и перекрестными термодинамическими эффектами.
Цель работы: Создание научных основ применения ВЧ ЭМ полей в сочетании со смешивающимся вытеснением на месторождениях высоковязких и битумных нефтей для обеспечения интенсификации их добычи.
Основные задачи исследования:
построение теории взаимодействия многокомпонентных углеводородных систем с внешним ВЧ ЭМ полем;
- экспериментальное изучение особенностей тепло- и массопереноса
многокомпонентных углеводородных систем в пористой среде под
воздействием ВЧ ЭМ поля;
- математическое моделирование различных вариантов ВЧ ЭМ
воздействия на пласт в сочетании со смешивающимся вытеснением и
выявление особенностей термогидродинамического поведения системы в
пласте и при^абойной зоне нагнетательных скважин;
прогнозирование эффективности ВЧ ЭМ обработки эксплуатационных скважин при различных исходных параметрах и режимах воздействия.
Методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований, численных расчетов на ЭВМ, обобщения и анализа публикаций отечественных и зарубежных ученых и опыта промысловых испытаний.
Достоверность научных выводов и рекомендаций проверялась:
сопоставлением теоретических выкладок и результатов специально поставленных лабораторных экспериментов;
- сравнением результатов численных расчетов и автомодельных решений.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. В результате построения теории взаимодействия
многокомпонентных систем с ВЧ ЭМ полем - новом направлении в
электромагнитной гидродинамике - обнаружен и экспериментально
подтвержден не описанный ранее эффект, характеризующий явление
термодиффузионного массопереноса электромагнитного происхождения
(«электротермодиффузия»).
2. Разработана математическая модель процесса нестационарной
фильтрации многокомпонентных систем в ВЧ ЭМ поле с фазовым
переходом на подвижной границе, отличающаяся от обычных задач типа
Стефана наличием движения флюидов по обе стороны границы и более
общим случаем их взаимного растворения, в том числе - с расплавом твердой фазы, а также зависимостью температуры фазового перехода от концентрации флюидов. Обнаружен эффект локального понижения пластовой температуры в области фазового перехода с образованием «температурных ям» при плавлении твердой фазы парафинового типа. Установлено, что в случае высоковязких нефтей ВЧ ЭМ воздействие является более эффективным.
3. Показано, что воздействием ВЧ ЭМ излучения на призабойную зону нагнетательных скважин возможно управлять ее температурным режимом при закачке растворителя. Сформулирована математическая модель технологического режима вытеснения нефти растворителем при одновременном ВЧ ЭМ воздействии с учетом согласования работы системы «скважина-пласт», что, как правило, не делается при расчетах фильтрационных течений.
4. Предложен новый способ комбинированного воздействия на залежи высоковязких нефтей, предусматривающий ВЧ ЭМ воздействие в сочетании со смешивающимся вытеснением, подтвержденный авторскими свидетельствами и патентами. Теоретически и экспериментально доказано, что эффективность процесса в этом случае будет определяться не только преимуществами каждого из этих методов, но и дополнительными эффектами, обусловленными особенностью взаимодействия ВЧ ЭМ полей с многокомпонентными углеводородными системами.
Результаты, представленные к защите.
-
Термодинамическое описание явлений переноса с учетом перекрестных эффектов в многокомпонентных системах под воздействием ВЧ ЭМ поля. Новый перекрестный эффект, обусловленный воздействием ВЧ ЭМ поля на многокомпонентные системы, - электротермодиффузия.
-
Экспериментальная установка, методика проведения и оценки результатов экспериментов по исследованию диффузионных процессов в фильтрационных потоках под действием теплового и ВЧ ЭМ полей.
-
Математические модели тепло- и массопереноса углеводородных систем в насыщенных пористых средах с учетом фазовых переходов во внешних тепловом и ВЧ ЭМ полях. Эффект локального понижения пластовой температуры. в области фазового перехода с образованием "температурных ям" при плавлении твердой фазы парафинового типа.
-
Математические модели расчета тепловых и концентрационных полей в призабойной зоне нагнетательных скважин при закачке растворителя с одновременным электромагнитным воздействием с учетом электро-физико-химических свойств пластовых систем и особенностях моделирования в системе "скважина - пласт".
5. Методика инженерных расчетов параметров ВЧ ЭМ воздействия на высоковязкие нефти и оценки технологического и энергетического эффектов обработки эксплуатационных скважин.
Научная и практическая ценность работы.
Результаты, полученные в диссертации, расширяют теоретические представления о тепло- и массопереносе в многокомпонентных системах во внешнем ВЧ ЭМ поле. Обнаружены новые, не описанные ранее, перекрестные эффекты, связанные со взаимодействием теплового и ВЧ ЭМ полей. Разработанная методика экспериментальных исследований позволяет изучать и количественно оценивать влияние внешних ВЧ ЭМ полей на многокомпонентные углеводородные системы в пористых средах.
Рекомендации по ВЧ ЭМ воздействию дают возможность выбора оптимальных режимов обработки скважин.
Предложенный способ разработки месторождений высоковязких и битумных нефтей, сочетающий их смешивающееся вытеснение с ВЧ ЭМ обработкой пласта, способствует интенсификации притока и, в конечном итоге, увеличению нефтеизвлечения.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и
обсуждались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах, среди
которых: Всесоюзное совещание - семинар "Краевые задачи теории
фильтрации" (Ровно, 1979); Всесоюзная научно - техническая
конференция "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень,1983,1985);
Международная конференция "Free-Boundary Problems"
(Новосибирск,1991); Международная конференция "Flow through porous media" (Москва, 1992); 1-я Всероссийская научная конференция "Фундаментальные проблемы нефти и газа" (Москва, 1996); Всероссийская школа-семинар "Системный анализ процессов разработки нефтяных месторождений" (Уфа,1996); 2-я научно - техническая конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 1997); 1-й Международный симпозиум "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (Москва, 1997); I11 Международная конференция "Новые идеи в науках о Земле (Москва, 1997); научно-техническая конференция "Методы и технические средства повышения нефтеотдачи" (Москва, 1997); IV Международная конференция "Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкости" (С. - Петербург, 1998); IV Всероссийская школа-семинар "Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа" (Уфа, 1998); научный семинар института механики УНЦ РАН под руководством академика Р.И.Нигматулииа (Уфа, 1996), научный семинар лаборатории физико - химической гидродинамики института механики
МГУ под руководством профессора В.В.Гогосова (Москва,1997), Всесоюзная к Всероссийская школа-семинар под руководством академика А.Х.Мирзаджанзаде (Уфа, 1988-1997); научные семинары под руководством профессора Ф.Л.Саяхова (Уфа,1989-1997); научно-технические и научно - методические советы БашНИПИнефть, НИИ "Нефтеотдача", НИЦ НК "Лукойл" (1985-1998).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 88 работ, в том числе 19 авторских свидетельств и патентов. Материалы диссертации содержатся в монографии (в соавторстве с Ф.Л.Саяховым) и отражены в научных отчетах, выполненных под научным руководством автора или в качестве ответственного исполнителя, переданных с 1985 по 1997 гг. в "НИИнефтсотдача", НГДУ "Ишимбайнефть", НГДУ "Суторминскиефть", НИЦ НК "Лукойл", ОАО "Ноябрьскнефтегаз", УНЦ РАН и АН РБ.
По теме диссертации под руководством автора подготовлена и защищена кандидатская диссертация.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 225 страниц, в том числе 70 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 265 наименований.