Введение к работе
Актуальность проблемы
Нефть и природный газ занимают важнейшее место в структуре топливно-энергетического баланса и являются основой экономического развития общества на современном этапе.
Для России задачами огромного значения, влияющими на все аспекты развития народного хозяйства, являются достижение стабильности добычи нефти, сохранение высокого уровня добычи природного газа и увеличение добычи конденсата.
Решение этих задач необходимо искать на пути интенсивного развития нефтегазодобывающей отрасли. Экстенсивный путь развития, в связи с ухудшением структуры запасов, не приведет к желаемым результатам. В частности, открытие и ввод в разработку глубокоза-легащих месторождений требуют, с одной стороны, вложения значительных материальных средств, а с другой стороны - их разработка на основе традиционных технологий не позволит достичь высоких значений коэффициентов извлечения нефти, конденсата и газа. Поэтому исключительно важное значение имеет создание новых технологий разработки месторождений, которые позволят повысить отдачу недр. Один из высокоэффективных путей создания методов повышения нефте-, газо-, конденсатоотдачи пластов и научного обоснования их применения при проектировании разработки месторождений - это использование математических моделей, учитывавших разнообразные физические явления в системе "пласт - скважина - промысловое оборудование".
Значительная доля геологических запасов природного газа и нефти содержится в газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождениях , залежах нефтей с высоким газосодержанием. В ближайшей перспективе, с увеличением глубин бурения, количество таких залежей возрастет. Выбор технологий их разработки и достигаемые значения коэффициентов извлечения компонентов из недр в большой мере определяются массообменными процессами и свойствами фаз пластовых флюидов. В связи с этим, важнейшую роль приобретает создание единой методологической основы моделирования фазового состояния и термодинамических свойств систем природных углеводородов во всем диапазоне термобарических условий и компонентных составов.
соответствующих процессам разработки и эксплуатации месторождений природных газов и нефтей. Важно подчеркнуть, что описание фазового состояния и свойств систем природных углеводородов должно опираться на фундаментальные научные основы, быть достаточно точным для практического использования, органично входить в математические модели, описывающие фильтрацию пластовых флюидов, движение добываемой продукции в скважинах и ее промысловую обработку.
Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической проблемы, имеющей большое народнохозяйственное значение: созданию единой методологической основы математического моделирования фазового состояния и свойств природных многокомпонентных систем, развивающей теорию и повышающей качество проектирования разработки месторождений природного газа и нефти.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ Института проблем нефти и газа и связана со следующими общегосударственными научно-техническими программами: программами РАН по приоритетным направлениям 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых'' (пункт 12.9.3 "Разработка месторождений нефти и газа") и 12.3 "Природные углеводороды, угли и горючие сланцы" (пункт 12.3.4 "Научные основы и прогрессивные технологии вскрытия и извлечения (разработки) горючих ископаемых"); целевой комплексной программой "Рациональное комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов в народном хозяйстве на 1987-90 г.г. и на период до 2000 г.", подпрограмма 1.2 "Комплексное освоение месторождений нефти и газа" (постановление СМ N 357 от 26.03.87); подпрограммой "Прикаспий" - "Создание научных основ и рекомендаций, технических решений и технологий, обеспечивающих повышение эффективности поисково-разведочных работ и разработку нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений на территории Прикаспийской мегасинеклизы".
Цель работы
На основе обобщения исследований в области термодинамики многокомпонентных систем создать единую методологическую основу расчета фазового состояния и свойств природных углеводородных смесей для комплексного моделирования процессов разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа.
Основные задача исследований
1. Анализ результатов моделирования фазового равновесия и
свойств многокомпонентных систем на основе известных уравнений
состояния.
-
Создание метода расчета, позволяющего на основе обобщенной формы уравнения состояния Ван-дер-Вввльсового вида более точно, чем в современной инженерной практике, описывать фазовое состояние и термодинамические свойства нефтей и природных газов во всем диапазоне термобарических условий, соответствующих процессам разработки и эксплуатации месторождений природных углеводородов.
-
Разработка математических моделей, описывающих экспериментальные исследования нефтей и природных газов, характеризующихся сложным компонентным составом и высокими начальными термобаричес-кнми параметрами.
-
Апробация созданного метода расчета фазового состояния и термодинамических свойств природных систем при моделировании многокомпонентной фильтрации с фазовыми превращениями, движения добываемой продукции в скважине и ее промысловой обработки.
-
Моделирование процессов повышения нефте- и конденсатоотда-чи при разработке месторождений природных углеводородов с применением газообразных рабочих агентов.
Методы решения поставленных задач Решение поставленных задач основывается на использовании современных методов термодинамики, газогидродинамики, вычислительной математики.
Научная новизна Научная новизна диссертационной работы, по мнению автора, состоит в следующем.
1. На базе обобщенной формы уравнения состояния Ван-дер-Ваальсового вида создан метод расчета фазового состояния и термодинамических свойств нефтей и природных газов в диапазоне температур от 200 К до 500 К и давлений до 100 МПа, а именно:
-
Метод и результаты вычисления оптимальных значений параметров обобщенного кубического уравнения состояния для компонентов нефтей и природных газов.
-
Метод и результаты расчета коэффициентов парного взаимодействия компонентов углеводородных смесей, в том числе содержащих сероводород, диоксид углерода, азот.
-
Метод вычисления критического давления фракций группы Св+
высшие природных систем.
2. На единой термодинамической основе реализован комплексный
подход к математическому моделированию:
-
Основных рУГ-экспериментов пластовых нефтей и природных газов.
-
Многокомпонентной фильтрации.
-
Движения добываемой продукции в скважине.
-
Промысловой сепарации.
-
Разработан метод моделирования дифференциальной конденсации и рззгазирования многокомпонентных смесей, основанный на применении уравнения состояния для получения замыкающих зависимостей, необходимых при интегрировании исходной системы дифференциальных уравнений.
-
Решена, в автомодельной постановке, задача о неизотермической фильтрации к скважине многокомпонентных систем с учетом мас-сообменв между фазами.
-
Созданы математические модели и проведены оценки влияния капиллярных и гравитационных сил на свойства пластовых нефтей и природных газов.
-
Предложен новый подход к расчету фазового состояния пластовых смесей при композиционном моделировании газового воздействия на нефтяные пласты, основанный на установленном свойстве сужения пространства состояний, которые может принимать многокомпонентная система в результате массообменных процессов при многоконтактном динамическом смешивании.
Личный вклад В рассматриваемых исследованиях автору принадлежит постановка задач, их решение, анализ результатов, выводы и рекомендации. Достоверность результатов и выводов При постановке решаемых в диссертации задач используются фундаментальные положения термодинамики многокомпонентных систем, механики СПЛОШНЫХ Сред, фИЗИКИ НефТЯНОГО И ГаЗОВОГО ПЛ8СТ8.
Результаты математического моделирования фазового состояния и физических свойств систем природных углеюдородов проверены на значительном объеме экспериментальных данных. Для углеводородных вешеств, а также азота, диоксида углерода и сероводорода использовано свыше 2000 точек в диапазоне давлений от 0,1 МПа до 100 МПа и температур от 220 К до 473 К. 89 бинарных систем протестированы на более чем 3000 точках, характеризующихся давлениями от 0,1 МПа до 68,9 МПа и температурами от 161 К до 511 К. Для многокомпонентных
'синтетических" смесей углеводородных и неуглеводородных веществ гроверена точность расчета парокидкостного равновесия. Сопоставле-ше экспериментальных и расчетных значении свойств природных газов [ нефтеи проведено в широком интервале изменения потенциального удержания, плотности, молярной массы группы С5+ высшие, при зна-ительном содеркании сероводорода и диоксида углерода і до 45 % юл.). Термобарические параметры изменялись от 0,1 МЛа до 80 МНа и >т 258 К до 383 К. Максимальное расхокдение экспериментальных .анных и результатов математического моделирования коэффициента жимаемости газовой фазы не превышает 3,4 %, плотности пластовой ефти -3 I, плотности дегазированной нефти - 1 %, конленсатостда-и при 0,1 МЛа по данным дифференциальной конденсации - З ї, объ-много коэффициента - 2 %, газосодеркания по результатам стгндзрт-ой сепарации - 4 %.
Результаты расчетов сопоставлены с имеющимися промысловыми анными. Расхокдение в значениях конденсатогазового фактора, опре-еляемого при сепарации добываемой продукции, не превышает 6 Ж.
Зацвдаеыые положения
1. Создание метода расчета фазового состояния и термодинами-
еских свойств нефтеи и природных газов в диапазоне температур от
00 К до ЕОО К и давлений до 100 МЛа, а именно:
1.1. Метод и результаты вычисления оптимальных значения па-
аметров обобщенного уравнения состояния Ван-дер-ВаальсоЕого вида
ля компонентов нефтеи и природных газов.
-
Метод и результаты расчета коэффициентов парного взаимо-зйствия компонентов углеводородных смесей, в том числе содерхэншх зроводород, диоксид углерода, азот.
-
Метод вычисления критического давления фракций группы 35+ высшие природных систем.
2. Комплексное применение разработанного метода расчета фэзо-
эго состояния и термодинамических свойств систем природных угле-
эдородов при моделировании:
.1. Многокомпонентной фильтрации.
.2. Движения добываемой продукции в скважине.
.3. Промысловой сепарации.
3. Математическое описание экспериментальных исследований
>фтей и природных газов на единой термодинамической основе.
4. Методы моделирования и количественные оценки влияния ка-
шшрных сил и гравитации на свойства нефтеи и природных газов.
5. Новый подход к определению фазового состояния пластових смесей при использовании композиционных моделей для прогнозирования процесса вытеснения нефти газовыми агентами, основанный на выявленной возможности "расщепления" термодинамических и гидродинамических расчетов.
Практическая ценность и внедрение результатов работы
-
Разработан более точный, чем применяемые в мировой практике, метод расчета фазового состояния и термодинамических свойств нефтей и природных газов. Данный метод дает возможность с точностью, близкой к экспериментальной, вычислять свойства систем природных углеводородов при давлениях до 100 МПа и температурах, соответствующих процессам разработки и эксплуатации месторождений.
-
Созданы и апробированы математические модели, позволявшие на единой термодинамической основе прогнозировать технологические показатели разработки и эксплуатации месторождений природных углеводородов.
-
На основе разработанных методов и математических моделей созданы программы для ЭВМ, позволившие осуществить широкое внедрение результатов теоретических исследований в рвботу научно-исследовательских, проектных и производственных организаций нефтегазодобывающей и геологоразведочной отраслей. Созданное математическое обеспечение используется, в частности, следующими организациями: НИПИморнефтвгаз СП "Вьетсовпетро" (СРВ, г. Вунг-Тау), ВНИПИморнеф-тегаз (Москва), НВЮШГГ (Саратов), ВНИГНИ (Москва), ГлавНИВЦ МНТК "Геос" (Москва), Гипровостокнефть (Куйбышев), ВНИПИгаздобыча (Саратов), Волго-УрэлНИТШгаз (Оренбург), ГАНГ имени И.М.Губкина, Уфимский нефтяной институт, ИПНГ РАН (Москва).
-
Результаты диссертационной работы использованы в следующих проектных документах:
"Технологической схеме разработки Кврачаганвкского месторождения с применением сайклинг-процесса на период 1991-2000 г.г." (ВНИИгаз, 1989 г.);
"Технико-экономических соображениях по повышению нефтеотдачи месторождения Тенгиз" (Гипровостокнефть, 1989 г.);
"Технологической схеме разработки Зайкинского месторождения" (Гипровостокнефть, 1988 г.),
"Создать и освоить технологию разработки газоконденсатних залежей Анастасиевского месторождения методом заводнения. Разработка технологической схемы." (УкрГипроНИИнефть, 1988 г.).
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались:
на X Губкинских чтениях - всесоюзном совещании "Научные основы создания Прикаспийского нефтегазодобывающего комплекса", Москва, ноябрь 1987 г.;
на научной сессии "Нефтегазодобыча" Научного Совета АН Азербайджана, Баку, октябрь 1988 г.;
на III всесоюзном семинаре "Современные проблемы теории фильтрации", Москва, май 1989 г.;
на всесоюзном совещании "Современные методы увеличения нефтеотдачи пластов", Бугульма, сентябрь 1989 г.;
на 7-м международном симпозиуме по повышению нефтеотдачи, Талса (Оклахома, США), апрель 1990 г.;
на международной конференции по разработке газоконденсатних месторождений, Краснодар, май 1990 г.;
на всесоюзном семинаре "Теория и практика исследования пластовых флюидов, скважин и пластов при высоких термобарических параметрах", Волгоград, апрель 1991 г.;
на 66-й ежегодной международной конференции общества инженеров-нефтяников (SPE), Даллас (Техас, США), октябрь 1991 г.;
на Ученом совете НИПИморнефтегаз СП "Вьетсовпетро", Вунг-Тау (СРВ), июль 1992 г.;
на семинаре "Актуальные проблемы нефтегазовой и подземной гидромеханики", Москва, декабрь 1992 г.;
на семинарах лаборатории повышения газонефтеконденсатоотдачи ИПНГ РАН, 1987 - 1992 г.Г.;
на научно-технических совещаниях в Гипровостокнефти, ВНИИгазе, ЗапСиббурНШИ, ГАНГ им. И.М.Губкина при обсуждении соответствующих проектных документов и отчетов по результатам проведенных НИР.
В полном объеме диссертация доложена на Ученом совете ИПНГ РАН и научном семинаре кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатних месторождений ГАНГ им. И.М.Губкина (1994 г.).
Публикации
