Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время как в нашей стране, так. и за рубежом, накоплен большой опыт применения методов воздействия на нефтяные пласты с использованием тепла. Диапазон применяемых при этом технологий довольно широк, начиная от закачки горячей воды и заканчивая созданием в пласте движущегося очага горения. Опытно-промышленные работы показали ,что эти методы являются наиболее эффективными при извлечении нефти из пластов со сложным геологическим строением и нефтей, характеризующихся высокой вязкостью.
Россия обладает большим запасом высоковязких нефтей, растет доля трудноизвлекаемых запасов в общем нефтяном балансе страны, и перспектива использования тепловых методов для извлечения таких нефтей очевидна.
Среди методов теплового воздействия на пласт обращает на себя внимание своим многофакторным воздействием на процесс вытеснения нефти метод внутрипластового сверхвлажного горения. Являясь разновидностью процесса внутрипластового горения, процесс сверхвлажного горения имеет , тем не менее, отличительные особенности, заключающиеся в том, что при этом процессе потребляется только часть образующегося нефтяного топлива, в результате чего скорости продвижения зоны реакции имеют значительно более высокие значения, чем при других процессах горения. Более того, при сверхвлажном горении образуется существенно меньше топлива, чем , например, при сухом горении. Следовательно, при реализации процесса сверхвлажного горения значительно сокращаются суммарное количество воздуха и сроки разработки залежи по сравнению с сухим или влажным процессом горения. Мероприятия по осуществлению процесса, сверхвлажного
горения с целью вытеснения нефти считаются более безопасными ввиду образующейся широкой зоны реакции, которая эффективно препятствует прорыву кислорода к добывающим скважинам. Нефть при этом процессе в значительно меньшей степени , чем при других разновидностях процесса горения, подвергается воздействиям высоких температур.
Механизм процесса сверхвлажного горения, его зависимость от различных факторов, остается до настоящего времени малоизученной' областью. Этот факт в значительной степени не дает возможности правильно управлять этим процессом, рассчитывать показатели разработки и, тем самым, использовать этот процесс для эффективного извлечения нефти из недр.
Одной из актуальных проблем в разработке нефтяных месторождений является проблема извлечения нефти из пластов со сложным геологическим строением, неоднородных по проницаемости и пористости. Есть основание считать, что привлечение тепловых методов, в частности процесса противоточного внутрипластового горения, для извлечения нефти из таких пластов имеет перспективу .
Разработка пластов, насыщенных нефтями с высоким
содержанием парафина, путем закачки в пласт обычной воды ведет к
охлаждению его до температуры ниже температуры насыщения нефти
парафином, в результате чего часть твердого парафина выделяется на
скелете породы. Возможность применения процесса
внутрипластового горения для извлечения нефти из таких пластов представляется заманчивой, но, так как при этом процессе есть вероятность закупорки пор пласта кристаллическим парафином, эта проблема требует подробного изучения.
Процесс извлечения нефти из пластов, обладающих трещинно-поровой структурой, не является исключением из ряда сложных задач. Наиболее эффективными методами добычи нефти из таких
коллекторов являются методы, основанные на процессах термокапиллярной пропитки. Из них наиболее испытанный методом добычи нефти в настоящее время является способ циклической паротепловой обработки скважин (ПТОС), включающий в себя несколько стадий: нагнетание теплоносителя, выдержка скважины в закрытом состоянии и отбор продукции. Эффективность процесса извлечения нефти из пласта с помощью метода ПТОС зависит, от соотношения таких параметров, как темп и время нагнетания теплоносителя, время выдержки скважины в закрытом состоянии. Создание математической модели, учитывающей реальные физико-химические процессы в пласте, и разработка на основе этой модели методики расчета технологических показателей является актуальной задачей.
Основным инструментом, с помощью которого осуществляются в диссертации исследовательские работы, являются разработанные автором математические модели, реализующие формализацию задач при изучении конкретных объектов. Появление мощной электронно-вычислительной техники стимулировало развитие математического моделирования внутрипластовых процессов, без которого в настоящее время практически невозможно обойтись при проектировании разработки нефтяных месторождений. Одним из наиболее важных достоинств математического моделирования внутрипластовых процессов является то, что проблема соблюдения критериев подобия модели и реального пласта, которая остро стоит при лабораторном моделировании, здесь решается автоматически. Реализованные в виде программ на ЭВМ , математические (численные) модели представляют собой гибкий и удобный инструмент для решения разнообразных задач. Задавая различные начальные и граничные условия, можно имитировать различные режимы проведения процесса. Изменяя геометрию молепируемого члрмсятя пласта и
варьируя распределением по пласту проницаемости и пористости, можно решать задачи вытеснения нефти из пластов со сложной структурой.
Основная идея, которой посвящена предлагаемая работа, формулируется в виде следующих пунктов.
-
Разработка совершенных математических моделей процесса вытеснения нефти тепловыми методами, учитывающих широкий спектр физико-химических явлений, происходящих в пласте.
-
Проведение комплекса численных экспериментов с целью детального изучения механизмов воздействия на нефтяные пласты с помощью тепловых методов.
3) Получение' аппроксимационных моделей для расчета параметров
изучаемого процесса путем постановки спланированных численных
экспериментов.
4) Поиск оптимальных режимов осуществления исследуемых
процессов в сложных физико-геологических условиях посредством
проведения экспериментов на численных моделях.
5) Создание методик расчета технологических показателей разработки
месторождения на основе сконструированных численных моделей
.процесса воздействия на пласт тепловыми методами.
Основная идея работы и актуальность изучаемых проблем диктуют следующие задачи исследования.
1) Анализ теоретических и экспериментальных работ по изучению происходящих в пласте физико-химических явлений и создание обобщенной математической модели процесса внутрипластового горения нефти.
2) Исследование закономерностей протекания сверхвлажного внутрипластового горения и вывод регрессионных уравнений для расчета ключевых параметров процесса.
-
Исследование зависимости концентрации остаточного нефтяного топлива от различных факторов в процессе сверхвлажного горения при учете химической кинетики образования топлива.
-
Моделирование процесса вытеснения нефти из неоднородных по простиранию и толщине пластов с применением сверхвлажного внутрипластового горения и выбор оптимальных режимов проведения процесса.
5) Создание численной модели процесса вытеснения
высокопарафинистой нефти из пластов с помощью внутрипластового
горения и исследование термогидродинамической обстановки в пласте
при имитировании процесса на модели.
6) Разработка численной модели паротепловой обработки скважин
для условий трещинно-порового пласта и создание на ее основе
методики расчета технологических показателей разработки
месторождений с применением ПТОС.
Научная новизна диссертационной работы выражается в разработке новых подходов в постановке и численном решении математических моделей процесса теплового воздействия на пласт и проведении комплекса экспериментальных исследований на численных моделях с применением метода планирования эксперимента. Привлекая регрессионный анализ, впервые получены адекватные многофакторные аппроксимационные модели для расчета наиболее важных параметров процесса сверхвлажного внутрипластового горения.
Проведенные исследования процесса горения в сложных физико-геологических условиях позволили обнаружить закономерности, руководствуясь которыми были найдены оптимальные режимы осуществления процесса для эффективного вытеснения из пластов нефти.
При изучении процесса противоточного горения были продемонстрированы механизмы взаимодействия физико-химических явлений в пласте, которые можно успешно использовать при извлечении нефти из неоднородных по проницаемости и пористости пластов.
Проделанные на численной модели процесса вытеснения высокопарафинистой нефти из пластов эксперименты показали, что при реализации процесса горения в пласте, в котором в результате охлаждения выделился из нефти кристаллический парафин, в узкой зоне пласта образуется пик кристаллического парафина, продвигающийся по пласту вместе с передним фронтом тепловой волны.
На основе разработанных численных моделей созданы методики расчета технологических показателей разработки пластов с применением тепловых методов.
Общая методика исследований, применяемая в диссертации, заключается в проведении спланированных экспериментов на численных моделях по выбранной научной тематике, обработке и анализе полученных результатов.
Самым важным звеном в этой цепи является математическая модель. От того, насколько точно (адекватно) модель описывает исследуемый объект, зависит результат всей работы. Именно по этой причине разработке математических моделей в работе отводится важное место.
Практическая ценность. Разработанные математические модели представляют собой совершенный инструмент как для исследования механизмов вытеснения нефти из пластов при различных методах воздействия, так и для расчетов технологических показателей разработки нефтяных месторождений.
Полученные регрессионные уравнения для расчетов ключевых параметров процесса сверхвлажного горения позволяют существенно повысить достоверность и точность расчетов и , тем самым, заложить в проекте реальные сроки разработки и значения технологических показателей.
. Проведенные исследования на численных моделях дают новые представления о механизме вытеснения нефти с использованием тепловых методов и могут служить основой для разработки новых технологий.
Созданная методика расчета технологических показателей ПТОС, использующая результаты лабораторных опытов, позволяет количественно описать реальную картину происходящих в пласте явлений.
Основные результаты работы докладывались на конференции по проблемам повышения нефтеотдачи месторождений Казахстана в г. Шевченко (1981 г.), на Всесоюзном совещании в г. Уфе (1987 г.), на 2-ом Всесоюзном школе-семинаре "Разработка месторождений нефти и газа " в г. Звенигороде (1991), на семинаре академика С.А.Христиановича в институте проблем механики АН СССР.
Результаты диссертации вошли в "Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений" (М., Недра,1989). По результатам диссертационной работы автором было получено (в соавторстве) 5 авторских свидетельств на изобретения.
Разработанные численные модели использовались в создании "Технологической схемы разработки опытного участка Гремихинского месторождения методом физико-химического воздействия при внутрипластовом получении оксидата", выполненной в 1988 г., "Технологической схемы разработки северного участка Ижевского месторождения методом "оксидат", выполненной в 1987г..
Созданная методика расчета технологических показателей разработки методом ПТОС использовалась для расчета показателей разработки опытного участка Усинского месторождения.
Объем работы.. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем занимает 190 страниц машинописного текста, в том числе 50 рисунков и 5 таблиц. Список литературы в объеме 9 страниц включает 141 наименований.
