Введение к работе
Актуальность теж. Поиски путей совершенствования разработки нефтяных месторождений, диктуемые запросами топливно-энергетической и химико-технологической отраслей, привели в последние два-три десятилетия к появлению целого ряда новых прогрессивных технологий, позволяющих рассчитывать на существенно более полное извлечение нефти из недр. Эти технологии получили название третичных методов добычи нефти или методов повышения нефтеотдачи. Естественно, что процессы повышения нефтеотдачи стали объектом пристального внимания ученых, специализирующихся в области подземной гидродинамики и теории разработки нефтяных месторождений.
Первоначально исследование этих процессов велось независимо и носило очень конкретный характер: рассматривались такие методы, как закачка в пласт газов высокого давления, вытеснение нефти горячей водой и паром, вытеснение нефти двуокисью углерода, растворами ПАВ, полимерное заводнение и др. При этом очень скоро стало ясно, что возможности экспериментальных методов из-за сложности, трудоемкости и продолжительности экспериментов по вытеснению ограничены, и потому подход, базирующийся на математическом моделировании процессов повышения нефтеотдачи, фактически не имеет альтернативы.
Таким образом, стало складываться новое направление в подземной гидродинамике, составляющей научный фундамент современной технологии разработки нефтяных месторождений, - теория процессов повышения нефтеотдачи. Основные задачи ее заключались в создании гидродинамических моделей методов повышения нефтеотдачи, открывающих возможности для углубленного анализа механизмов вытеснения нефти, позволяющих проводить многовариантные расчеты процессов воздействия на пласт и прогнозировать их возможные последствия.
Лавинообразное увеличение реагентов и методов повышения нефтеотдачи в середине 70-х годов стимулировало развитие подхода, основанного на классификации третичных методов воздействия на пласт и поиске их общих закономерностей. Это привело к разработке обобщенной модели целого ряда различных по своей физической природе процессов повышения нефтеотдачи, получившей название модели вытеснения нефти раствором активной примеси (Г.С.Брагинская, В.Н.Ентов, 1978; В.И.Ентов, 1980; G.A.Pope, I960). Она описывала такие технологии, как вытеснение нефти
- I -
раствором ПАВ, полимерное заводнение, вытеснение нефти горячей водой и их комбинации. Эта модель строилась путем обобщения классической теории двухфазной фильтрации: к воде и нефти добавлялся еще один компонент - растворимая в воде и (или) в нефти и адсорбирующаяся в пористой среде активная примесь. влияющая на гидродинамику двухфазного течения. Для нее была разработана математическая теория, опирающаяся на аппарат классической газовой динамики, с помощью которой в обобщенной форме были исследованы основные закономерности указанных процессов повышения нефтеотдачи.
Принципы, положенные в основу построения этой модели, а также развитый математический аппарат плодотворно эксплуатировались в дальнейшем при обобщении теории на более сложные процессы. Особо здесь следует отметить явный учет при математическом моделировании круїшомасіптабности процессов фильтрации в нефтяных пластах и автомодельности основных решений, отвечающих наиболее интересным с точки зрения приложений процессам вытеснения (В.М.Ентов, 1980), а также распространение математической теории на неавтомоделыше задачи, позволяющее анализировать процессы вытеснения нефти оторочками растворов активной примеси Ш.Г.Бедриковецкий, 1982).
Актуальность создания теории, охватывающей более широкий набор методов повышения нефтеотдачи, диктовалась запросами практики. Так, существовала большая группа методов, не укладывающихся в рамки модели вытеснения нефти раствором активной примеси, основанных на увеличении подвижности нефти в пласте за счет интенсивного межфазного массообмена между нефтью и вытесняющими ее агентами. Она включала, например, процессы вытеснения нефти газами высокого давления и растворителяьш, закачку в пласт двуокиси углерода и карбонизированной воды, мицелляр-ное и мицеллярно-полимерное заводнение, а также варианты теплового воздействия на пласт путем вытеснения нефти горячей водой и паром. При применении этих методов межфазный массообмен возникает из-за нарушения условий фазового равновесия между фазами переменного состава, обладающими разными подвижностями и потому движущимися в пласте с различными скоростями. В результате массообмена происходит выравнивание подвижностей фаз и отдельных компонентов. При этом достижение более высоких коэффициентов вытеснения может быть обусловлено: I) относительным "разжижением" нефти (например, за счет растворения в ней газа); 2) увеличением объема нефтяной фазы (например, "набу-
ханием" нефти при растворении в ней COg); 3) переходом нефти или ее компонентов из менее подвижной фазы в более подвижную (примеры - сайклинг-процесс и солюбилизация остаточной нефти водными шцеллярными растворами) и, наконец, 4) изменением межфазного натякения на границе нефти и вытесняющего агента.
Учет этих факторов в обобщенной форме, не связанной явно со спецификой физико-химических превращений, которыми они сопровождаются, приводит к универсальному гидродинамическому описанию широкого класса процессов повышения нефтеотдачи в рамках теории многофазной многокомпонентной фильтрации. При этом различные методы повышения нефтеотдачи описываются одинаковыми уравнениями, а особенности механизмов, леяащих в их основе, учитываются при оснащении этих уравнений входящими в них эмпирическими функциями. Создание такой теории актуально с точки зрения разработки теоретических основ процессов повышения нефтеотдачи, совершенствования их технологии, поиска новых реагентов и оптимальных условий их применения.
Цель работы - создание на основе теории многофазной фильтрации многокомпонентных систем гидродинамической теории процессов повышения нефтеотдачи с интенсивным мекфазным массообменом и фазовыми переходами; разработка эффективных методов расчета отих процессов и анализ их основных закономерностей; исследование ряда конкретных процессов повышения нефтеотдачи.
Научная новизна. Впервые в рамках модели многофазной фильтрации трехкомпонентных систем дано универсальное гидродинамическое описание широкого класса процессов повышения нефтеотдачи, сопровождающихся интенсивным мекгразным массообменом и фазовыми переходами; разработаны графоаналитические методы . расчета одномерных процессов повышения нефтеотдачи, основанные на сочетании аналитических методов газовой динамики и теории нелинейных волн и геометрических методов описания фазового равновесия многокомпонентных систем; выполнен гидродинамический анализ процессоз повышения нефтеотдачи с интенсивным межфазным массообменом п установлены их основные закономерности; дана новая трактовка некоторых конкретных механизмов повышения нефтеотдачи.
Пгдктпчоское значение. Развитая гидродинамическая теория процессоз погашения нефтеотдачи с интенсивным мєЕфазпшл массообменом является неотъемлемым элементом научного фундамента
проектирования мероприятий по повышению нефтеотдачи при разработке нефтяных месторождений. Она может быть использована для зкспресс-оценки сравнительной гидродинамической эффективности процессов повышения нефтеотдачи на стадии выбора объекта и метода воздействия на пласт, а также для уточнения или сужения диапазона изменения технологических параметров выбранного метода (концентраций реагентов, составов композиций, объемов оторочек) с целью его последующей экспериментальной проработки или более адекватного численного моделирования на ЭКЛ. Выполненный в рамках этой теории гидродинамический анализ методов повышения нефтеотдачи подсказывает пути их совершенствования, кроме того,он позволяет ответить на вопрос об объеме и качестве эмпирической информации, необходимой для прогнозирования результатов активного воздействия на пласт. Полученные в работе точные решения могут быть положены в основу системы тестирования численных методов расчета широкого класса процессов повышения нефтеотдачи.
Реализация результатов работы. Гидродинамические модели, методы расчетов и результаты анализа некоторых конкретных процессов повышения нефтеотдачи вошли в "Методику первичной гидродинамической оценки эффективности физико-химических методов повышения нефтеотдачи в однородных пластах - РД 39-2699325--204-86", утвержденную заместителем министра нефтяной промышленности СССР "(1986).
Методика и результаты расчетов процессов вытеснения нефти дымовым газом использованы Волго-Уральским научно-исследовательским и проектным институтом по добыче и переработке серо-водородсодеркащих газов (Волго-УралНИПИгаз, г.Оренбург) пси проектировании разработки Копанского нефтегазоковдснсатного месторождения с поддержанием пластового давления. В результате проведенных работ были даны оценки коэффициента нефтеотдачи и сроков разработки при вытеснении нефти дымовым газом на различных стадиях истощения месторождения. Показано, что использование дымовых газов в качестве вытесняющих агентов позволяет сократить сроки разработки и достигнуть высоких коэффициентов нефтеотдачи. Проект утвсскдек ї.Ішггазпромом СССР (1985).
Результаты теоретических исследований процоссог :~" -'::-ния нефти месторождения Тенгиз газовыми агентами (ь^отт- j-
таном и дымовым газом) использованы институтом "Гипровосток-нефть" (г. Куйбышев) при подготовке Технико-экономических соображений о.разработке месторождения Тенгиз (1988). Исследования включали разработку математической модели процесса, вытеснения нефти месторождения Тенгиз газами высокого давления с учетом меяфазного массообмена и фазовых превращений, гидродинамический анализ структуры зоны вытеснения для указанных газовых агентов, получение зависимостей допрорывного и конечного коэффициентов вытеснения от степени истощения пласта (среднего пластового давления) и объема закачки, детальное сопоставление трех технологий газового воздействия. Ожидаемый экономический эффект от проведенных работ оценивается в 2,2 млн рублей.
Гидродинамические исследования процессов вытеснения нефти объекта Ш месторождения Карачаганак газообразными агентами, проведенные в 1989 г. в рамках договора между Институтом проблем нефти и газа АН СССР и Гособразования СССР и ВНИИгазом, использованы в Технологической схеме разработки Карачаганакского месторождения. В результате проведенных исследований была построена математическая модель процесса вытеснения нефти месторождения Карачаганак сухим газом, изучены фазовые превращения смесей газа с пластовой нефтью, проведено численное моделирование вытеснения нефти газом из однородного пласта, разработана методика прогнозирования показателей вытеснения из слоистого пласта по схеме жестких трубок тока. При этом объект Ш месторождения Карачаганак схематизировался шестислоиным пластом с пропластками различной проницаемости. Было показано, что фактически вытеснение нефти будет происходить только из первых трех пропластков наибольшей проницаегдости и при закачісе двух поровых объемов сухого газа коэффициент вытеснения углеводородов группы С5+высшие в Челом п0 пласту составит около 47$.
На защиту выносятся следующие результаты.
-
Созданное в работе новое научное направление - гидродинамическая теория многофазной многокомпонентной фильтрации в услозиях интенсивного кежфазлого массообмена в приложении к процессам повышения нефтеотдачи.
-
Универсальное гидродинамическое описание большой группы различных по своей физической природе методов повышения нефтеотдачи.
-
Исследование нелинейных волн для модели многофазной трехкомпонентпой фильтрации.
-
Аналитические методы расчета процессов фронтального вытеснения нефти концентрированными реагентами и реагентами, влияющими на фазовое равновесие.
-
Обоснование правила разделения смешивающегося и несме-шивающегося режимов вытеснения на треугольной диаграмме в условиях аддитивности и неаддитивности парциальных объемов компонентов при их смешении.
-
Описание механизма гидродинамического удерживания оторочек реагентов в пористой среде, плохо смешивающихся с закачиваемыми вслед за оторочками вытесняющими агентами.
-
Метод локальной линеаризации для расчета одномерных процессов повышения нефтеотдачи.
-
Результаты гидродинамического анализа процессов повышения нефтеотдачи с применением газов высокого давления, двуокиси углерода, горячей воды и пара, мицеллярных растворов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 5-м (Алма-Ата, 1981) и 6-м (Ташкент, 1986) Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике; на Всесоюзном семинаре "Методы эффективного извлечения нефти и газа" (Новосибирск, 1981); на 6-м (Фрунзе, 1982), 8-м (Новосибирск, 1986) и 9-м (Якутск, 1988) Всесоюзных семинарах "Численные методы решения задач фильтрации многофазной несжимаемой жидкости"; на научно-технической конференции по проблемам дальнейшего совершенствования разработки нефтяных месторождений ТатАССР (Альметьевск, 1983); на Всесоюзном семинаре "Современные проблемы и математические методы теории фильтрации" (Москва, 1984); на Всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки" (Тюмень, IS85); на семинарах Института проблем механики АН СССР, Института механики МГУ, Института проблем нефти и газа АН СССР и Гособразования СССР, Московского института нефти и газа игл. И.М.Губкина, Всесоюзного нефтегазового научно-исследовательского института им. академика А.П.Крылова.
Публикации. По теме диссертации опубликована монография (в соавторстве с В.М.Битовым) и 28 работ (из них 15 в соавторстве) .
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и четырех приложений; основное содержание изложено на 275 страницах машинописного текста; работа содержит 105 рисунков, 5 таблиц и список цитированной литературы из 273 наименований.
