Введение к работе
Подавляющее большинство нефтяных месторождений России и ближнего зарубежья (90%) разрабатываются с применением жёстко-водонапорного режима эксплуатации, который предполагает закачку вытесняющего агента в продуктивный пласт и способствует продвижению нефти к забоям эксплуатационных скважин. В процессе выработки нефтяного месторождения происходит постепенная замена подвижной части нефти на вытесняющий агент. Благодаря этому, жёстко-водонапорный режим эксплуатации позволяет поддерживать пластовое давление на заданном уровне и обеспечивает нормальные условия работы глубишю-насосспого оборудования, а это, в свою очередь, обуславливает высокие темпы отбора жидкости из продуктивного горизонта.
Но, несмотря на очевидные преимущества этого способа для безводного периода эксплуатации залежи, во времени эффективность его применения снижается. Процесс обводнения добывающего фонда скважин становится каскадным и достигает 90 и более процентов, при этом дальнейшая добыча нефти становится нерентабельной. Попытки усовершенствовать или модернизировать существующие системные подходы не всегда оказывались успешными, из-за отсутствия в настоящее время чётких представлений о физико-химических свойствах остаточной нефти на микро- и макроуровнях.
Для построения рабочей гипотезы о механизме формирования и извлечения остаточной нефти необходимо ответить на следующие вопросы: 1). Можно ли скелет коллектора рассматривать как улавливающий фильтр в процессе формирования нефтяной залежи и в процессах замещения нефти вытесняющим агентом? При этом необходимо уточнить роль хроматографиче-ских процессов, которые проявляют себя в случае возникновения границы раздела несмешивающихся сред («твёрдая поверхность - жидкость», «жидкость - жидкость» и т.д.) и теснейшим образом связаны с формированием граничных структурированных слоев за счёт проявления селективной сорбции. При этом необходимо иметь в виду, что при миграции нефти и формировании нефтяной залежи контакт «порода - нефть» привёл к появлению первичных граничных слоев, а при разработке этой залежи в условиях применения вытесняющего агента происходит формирование вторичных хроматогра-фических слоев на границе «нефть - вода».
2). Может ли граничный слой "нефть — порода" обладать отличными свойствами от подвижной нефти?
3). Определяют ли размеры поровых каналов или удельная поверхность количество остаточной нефти при прочих равных условиях и почему? 4). Каким образом будут проявлять себя хроматографические процессы на границе "вытесняющий агент - нефть"?
5). Как повлияет на энергетическое состояние пластовой системы непосредственный контакт двух несмешивающихся между собой жидкостей с разной плотностью?
6). Обладает ли остаточная нефть подвижностью, а если обладает, то где эта нефть будет скапливаться и как её извлечь?
Ответы на эти основные вопросы позволят сформулировать требования и методические подходы к условиям разработки на поздних стадиях.
Сведения, накопленные в нефтепромысловом деле, термодинамике, коллоидной химии, физикохимии и в других науках за последние семьдесят лет, позволяют современному исследователю выработать методологию для подробного изучения свойств остаточной нефти и использовать эти знания для уточнения существующих взглядов на механизм нефтеотдачи пластов.
Для объяснения процессов, происходящих в пласте, нами рассмотрены следующие виды остаточной нефти:
-
остаточная нефть в промытой части продуктивного пласта (рис. 1).
-
Остаточная нефть, содержащаяся в пласте в виде "застойных зон", появление которых обусловлено структурно-механическими свойствами самой нефти.
-
Остаточная нефть, содержащаяся в микронеоднородностях кровли продуктивного пласта, сопоставимых с его мощностью.
В плоском сечении продуктивного пласта цифрами обозначены:
-
- зёрна породы;
-
- аномальные граничные слои «порода-лефть»;
-
- вторичные аномальные граничные слои, природа которых в основном зависит от свойств нефти и вытесняющего агента;
-
- защемлённые объёмы нефти в проточных поровых каналах за счёт процесса консервации аномальными граничными слоями, имеющими разную физико-химическую характеристику, химический состав и структурные свойства;
-
- капиллярно удержанная нефть.
На заключительной стадии разработки активная нефть в основном извлечена из пласта, а остаточная нефть в промытой части пласта представлена плёночной нефтью на поверхности поровых каналов (адсорбционный структурированный слой толщиной 3-6 мкм), капиллярно удерживаемой нефтью и участками пласта, которые содержат активную нефть, экранированную плёночной нефтью (граничными слоями).
Искусственное внедрение больших объёмов воды в нефтенасыщенный пласт приводит к появлению в нём свободной водной фазы. В результате, в заводнённой части пласта протекают квазистатические процессы, вызывающие возникновение напряжённого состояния в остаточной нефти, за счёт разных значений квазистатических давлений, обусловленных действием гравитационных сил в воде и нефти. Для понимания сути самого процесса, целесообразно рассмотреть упрощённую схему взаимодействия плёнки нефти, смачивающей твёрдую поверхность и вытесняющего агента (рис. 2).
пленочная нерль
Рис.2
где Рл = pB*g*h - эпюра гидростатических сил, II - белые стрелки,
PI=p„*g*h - эпюра гидростатических сил, I - чёрные стрелки, рв - плотность воды, рн - плотность нефти, g - ускорение свободного падения, h -глубина погружения элементарного объёма нефти под уровень воды.
Из этой схемы видно, что в любой точке границы раздела возникает одинаковое напряжённое состояние, определяемое разницей в плотностях контактирующих фаз. При этом в любой точке плёночной нефти возникает одинаковый градиент давления, который численно равен разнице удельных весов (gradPG =Ap*g). Отсюда следует, что при постоянстве физико-химических свойств граничного слоя скорость течения плёночной нефти не зависит от глубины расположения контакта и является величиной постоянной.
В диссертационной работе показано, что, в большинстве случаев, структурообразующие на молекулярном уровне среды при малых градиентах давления (меньших, чем градиенты, приводящие к разрушению структуры) ведут себя как ныотоновские среды. Причём, подвижность структурированных сред в данном случае на два — три порядка меньше, чем той же жидкости, но с полностью разрушенной структурой.
Из вышесказанного следует, что после вытеснения подвижной нефти, взаимодействие вытесняющего агента и остаточной нефти в гравитационном поле приводит к вертикальной миграции нефти, в результате чего происходит переформирование залежи (регенерация) у кровли продуктивного пласта. При этом удаление пленочной нефти сопровождается увеличением фазовой проницаемости по воде.
Концепция разработки нефтяного месторождения, которая была сформулирована ещё в 1945 году академиком А.П. Крыловым, содержит три основных принципа:
-
разработка месторождения должна обеспечивать нужды региона сырьём в необходимых количествах;
-
конечный коэффициент нефтеизвлечения должен быть максимальным;
-
себестоимость добываемой нефти должна быть наименьшая (т.е. способ реализации пунктов 1 и 2).
Все эти принципы находятся во взаимном противоречии, и задача сводится к отысканию оптимального решения, которое бы позволило достигнуть благоприятного сочетания принципов.
С целью упрощения задачи рассмотрим её без учета экономической эффективности при прочих равных условиях.
Известно, что коэффициент конечной нефтеотдачи (КИН) может быть найден по известным формулам:
где к<,хв. - коэффициент охвата фильтрацией по толщине; ксех. - коэффициент охвата фильтрацией по площади; квыт. - коэффициент вытеснения;
к.н. *<извл.'"геолог.>
(2)
гДе Оизвл.- накопленная добыча нефти;
Qreo.ior. - известные геологические запасы нефти.
С точки зрения контроля и оптимизации процесса разработки предпочтительнее выглядит формула (1), которая позволяет влиять и вносить необходимые коррективы в процессе разработки.
Следуя этой формуле, извлечение нефти должно проводится в условиях, когда первые два коэффициента были бы близки к единице, а третий бы имел максимальное значение.
Для заключительной стадии разработки нефтяного месторождения задача формулируется иначе:
На заключительной стадии разработки нефтяного месторождения необходимо создать или учесть созданные условия предшествующей разработкой таким образом, чтобы увеличить значения каждого из коэффициентов (кохв^ Ьсету кВыт.) с минимальными (энергетическими, временными и др.) затратами.
ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является обоснование практических рекомендаций по доразработке нефтесодержащих пластов, которые истощены предшествующей разработкой на жёстко - водонапорном режиме.
ОСНОВНЫМИ ЗАДАЧАМИ исследований явились:
1. Теоретические исследования величины пластовых градиентов давле
нім и их сопоставление:
гидродинамического (обусловленного разницей давлений на забоях добывающей и нагнетательной скважин);
гравитационного (возникающего на границе раздела фаз пластовых флюидов в гравитационном поле).
-
Изучение процессов фильтрации аномально-вязкой нефти, обладающей способностью к структурообразованию в объёме, в условиях течения по капилляру и в естественных образцах (керне) продуктивного пласта, характеризующихся различным минералогическим составом (терригенный, карбонатный).
-
Исследование тиксотропного упрочнения аномально-вязкой нефти, обладающей способностью к структурообразованию в объёме и фильтрации нефти в кернах различного минералогического состава в условиях проявления структурно-механических свойств исследуемых нефтей.
-
Исследование величины и изменчивости параметров, характеризующих процесс фильтрации аномально-вязкой нефти от порометрических харак-
теристик породы (распределение диаметров поровых каналов в зависимости от удельной поверхности, от объёма порового пространства и т.д.).
-
Исследование влияния статического (пластового) давления на процесс фильтрации аномально-вязкой нефти.
-
Исследование подвижности остаточной нефти (плёночной нефти), обладающей структурой, обусловленной избирательной сорбцией компонентов нефти на твёрдой поверхности и водной фазе.
-
Теоретические исследования точности построения структурных карт кровли продуктивного коллектора, в зависимости от плотности сетки скважин.
8. Разработка метода, позволяющего уточнить характер строения кров
ли продуктивного коллектора, на основе проведения специальных промысло
вых исследований.
9. Разработка принципов и количественного критерия для форсирован
ного отбора жидкости на скважине с целью выноса скоплений нефти из ку
польных поднятий, соизмеримых с мощностью пласта.
10. Разработка практических рекомендаций по доразработке нефтяной
залежи, находящейся на заключительной стадии эксплуатации.
-
Образование граничных структурированных слоев остаточной нефти на границе раздела «порода - нефть», «нефть - вытесняющий агент» и т.д., обусловлено проявлением хроматографических процессов или процессов селективной сорбции.
-
Физико-химические свойства остаточной нефти, находящейся в виде граничных структурированных слоев на границе раздела несмешивающихся фаз, могут отличаться от нефти, из которой они образованы. Подвижность граничных слоев на два - три порядка меньше подвижности нефти, находящейся в свободном состоянии
-
Остаточная адсорбированная нефть, обладающая структурными свойствами, может двигаться без разрушения структуры, как ньютоновская жидкость, при малых градиентах давления (меньших, чем градиенты, приводящие к разрушению структуры).
-
Процессы фильтрации аномально-вязкой нефти в образцах естественного продуктивного пласта с различным минералогическим составом (кварцевый, карбонатный) сопровождаются отклонением от закона Ньютона при малых градиентах давления, меньших, чем те, при которых происходит полное разрушение пространственной структуры в нефти. Полное разрушение пространственной структуры нефти при фильтрации в карбонатных коллекторах происходит при скоростях фильтрации на порядок ниже, чем аналогичные процессы в кварцевых коллекторах.
5. Увеличение пластового давления приводит к упрочнению пространственной структуры в нефти и, как правило, снижает подвижность таких неф-тей.
6". Под действием гравитационного градиента давления, остаточная нефть, обладающая структурными свойствами, находясь в контакте с вытесняющим агентом за счёт процесса релаксации будет мигрировать в вертикальном направлении и аккумулироваться в прикровельной части продуктивного пласта, занимая положения, в которых значение потенциальной энергии минимально. Поэтому в местах локальной изменчивости кровли (микроантиклиналь, выклинивание продуктивных пластов и т.д.) будет происходить накопление остаточной нефти.
7. Для выноса скоплений нефти из микроловушек кровли пласта необходимо создать пластовый градиент давления, равный произведению разности удельных весов нефти и воды на высоту предполагаемого микроподнятия, делённому на длину этой ловушки.
-
Прошёл промысловую проверку способ уточнения представлений о характере залегания кровли продуктивного пласта на основе проведения специальных промысловых исследований, которые заключаются в установлении факта накопления остаточной нефти в полностью обводнённой простаивающей скважине и определения скорости накопления этой нефти в стволе скважины.
-
Предложен способ выработки скоплений остаточной нефти за счёт форсирования режима работы скважины и создания условий для гидродинамической подвижки нефти в микрокупольных поднятиях кровли пласта, размер которых соизмерим с толщиной пласта.
-
Разработаны и приняты рекомендации по совершенствованию системы разработки нефтяных залежей, учитывающие особенности процесса эксплуатации залежи на завершающей стадии разработки.
-
Для вовлечения в разработку микрокупольных поднятий предложен количественный критерий установления форсированного отбора жидкости на скважине с целью увеличения выработки нефтенасыщенного пласта
gradP>(Ap*g*H)/L, (3)
где gradP - величена градиента давления, которую надо создать для гарантированного выноса нефти из купольного поднятия;
Ар — разность плотностей воды и нефти;
g - ускорение свободного падения;
Н — высота купольного поднятия;
L - длина купольного поднятия.
5. Предложен вариант сокращения сроков регенерации истощённой нефтяной залежи за счёт заводнения нефтяного пласта раствором хлористых солей (NaCl, СаС12) с максимально возможной плотностью для конкретных термодинамических пластовых условий.
Метод уточнения представлений о характере залегания кровли продуктивного пласта на основе проведения специальных промысловых исследований скважин применяется в ОАО "Юганскнефтегаз" НГДУ "Правдинскнефть" на Правдинском нефтяном месторождении по пласту БС05.
Рекомендации по доразработке пласта БС05 применяются на 22 скважинах, перфорированных на данный горизонт, и 10 скважинах возвратного фонда с пласта БС06. Доразработка пласта БС05 Правдинского нефтяного месторождения проводится в соответствии с предлагаемыми рекомендациями.
Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях Уфимского Государственного Нефтяного Технического Университета, на научных семинарах кафедры разработки нефтегазовых месторождений УГНТУ, на семинаре: "Современные достижения в области разработки газовых и нефтяных месторождений", на XX школе - семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа, на технических советах НГДУ "Правдинскнефть" и ОАО "Юганскнефтегаз", на заседании секции геологии и разработки Учёного Совета БашНИПИнефть, на научных советах ВНИИЦ "Нефтегазтехнология" по проблемам разработки нефтяных месторождений ОАО "Юганснефтегаз".
ПУБЛИКАЦИИ. Общее количество опубликованных работ 13. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах.
По результатам работы подано три заявки на изобретение, по которым получено положительное решение о проведении формальной экспертизы, присвоены даты приоритета.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из содержания, введения, пяти глав, разбитых на параграфы, выводов и рекомендаций, ссылок на первоисточники из 134 наименований, приложений, состоящих из 70 рисунков и 34 таблиц. Объём работы составляет 189 страниц машинописного текста.
