Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние проблемы увеличения нефтеотдачи путем электрического воздействия на пласты и пластовые флюиды 9
1.1 Электромагнитное воздействие на продуктивные пласты 10
1.2 Плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта 21
1.3 Электрическое воздействие на нефтяные пласты 29
Выводы по разделу 1 42
Раздел 2. Исследование электромагнитного воздействия на физическую модель керна 43
2.1 Разработка лабораторной установки, генерирующей высокочастотное электромагнитное поле 43
2.1.1. Расчет параметров лабораторной установки 43
2.1.2. Принципы работы электротехнической части установки... 43
2.1.3. Описание гидродинамической части установки 58
2.2 Гидродинамические эксперименты по исследованию электромагнитного воздействия 60
2.2.1. Определение критического градиента давления начала фильтрации 62
2.2.2. Выявление степени воздействия электромагнитной обработки на эффективность вытеснения нефти водой 66
2.2.3. Выявление изменения подвижности нефти при электромагнитном воздействии 68
2.2.4. Вытеснение технического масла под воздействием электромагнитного поля 73
2.2.5. Вытеснение нефти при помощи магнитной жидкости в электромагнитном поле 77
2.2.6. Анализ результатов экспериментов по электромагнитному воздействию 84
2.3. Расчет глубины проникновения электромагнитного излучения в породу коллектора 86
Выводы по разделу 2 89
Раздел 3. Моделирование процессов добычи нефти с применением электромагнитного воздействия 91
3.1 Моделирование разработки Андреевского месторождения с применением электромагнитного воздействия
3.1.1 Краткая характеристика Андреевского месторождения 91
3.1.2. Описание базового расчета модели 100
3.1.3. Описание расчета гидродинамической модели с применением электромагнитного воздействия 103
3.2. Моделирование процессов добычи нефти по объектам Ачимовской толщи 108
3.2.1 Результаты моделирования по Выинтойскому месторождению 109
3.2.2. Результаты моделирования по Быстринскому месторождению 116
3.2.3. Результаты моделирования по Верхне-Колик-Еганскому месторождению 123
Выводы по разделу 3 130
Раздел 4. Прогноз добычи нефти трудноизвлекаемых запасов месторождений западной сибири с применением электромагнитной обработки пласта 131
4.1 Классификациятрудноизвлекаемыхзапасов углеводородов... 131
4.2 Особенности продуктивных пластов Ачимовской толщи 133
4.3 Прогноз добычи углеводородов по ачимовской толще с учетом применения технологии электромагнитного воздействия на продуктивные пласты 137
Выводы по разделу 4 145
Основные выводы и рекомендации 146
Список литературы
- Плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта
- Описание гидродинамической части установки
- Анализ результатов экспериментов по электромагнитному воздействию
- Результаты моделирования по Быстринскому месторождению
Плазменно-импульсное воздействие на призабойную зону пласта
М.А. Фатыховым и А.И. Худайбердиной проведен ряд исследований в области комбинированных способов электромагнитного воздействия высоких и сверхвысоких частот совместно с солянокислотной обработкой карбонатных пород. Результаты показали увеличение проницаемости пласта в электромагнитном поле высокой частоты [85]. Выведены уравнения, описывающие нагрев карбонатонасыщенного нефтяного пласта.
Также авторами монографии смоделирован и описан процесс воздействия электромагнитным полем высокой частоты на битумный коллектор при периодической закачке окислителя. Опытным путем выявлено, что при данной комплексной обработке возникает резкое повышение температуры. Обнаруженный эффект может быть использован для инициирования фронта горения в битумном пласте [68]. Испытания, проведенные на промысле, показали, что образование очага внутрипластового горения возникает при сравнительно низких забойных температурах (от 393К до 423К). Благодаря данным испытаниям был разработан и описан метод извлечения нефти из битумных пластов за счет использования внутрипластового горения, инициированного в области распространения электромагнитных волн [35, 36].
Описание технологии. Обсадная колонна спускается до кровли продуктивного пласта, затем в скважину спускают насосно-компрессорные трубы с диэлектрическими шайбами. В роли излучателя энергии электромагнитных волн высоких частот выступает расположенная ниже обсадной колонны часть НКТ. Излучатель через скважину получает электромагнитную энергию от генератора (типа ЛД2-60М), расположенного на поверхности земли. При этом происходит прогрев призабойной части продуктивного пласта. Далее осуществляется постоянная закачка воздуха в пласт в течение недели, затем скважину останавливают на такой же срок для газирования и окисления нефти, получения упругих термических эффектов[93]. Отбор скважиной продукции осуществляется фонтанным способом. Главный недостаток описанной выше технологии заключается в том, что в процессе обработки высокочастотными электромагнитными полями не используется термоупругая энергия, возникающая при фильтрации окислителя и нагреве пласта, закачанный окислитель идет только на вытеснение битума.
Также есть ряд исследований по вытеснению высоковязких нефтей и битумов при помощи закачки в пласт смеси растворителей, так называемой бинарной системы, под воздействием электромагнитного поля высоких частот. Это позволяет ускорить процессы тепломассопереноса в обрабатываемом пласте, что приводит к повышению нефтеотдачи [51, 92].
Процессы вытеснения нефти различными жидкостями и композициями зависят от структуры порового пространства, физических и химических свойств растворителя, также они зависят от связей пористой среды и насыщающего флюида. Эти процессы протекают в области раздела жидкой и твердой фаз. Благодаря воздействию электрическим и магнитным полями, можно добиться контроля над движением межфазной поверхности в необходимом направлении, а также значительно увеличить скорость такого перемещения [33]. При движении межфазной поверхности с прилегающими слоями происходит интенсивное перемешивание жидкости в каждой фазе, что способствует ускорению процессов обмена.
Проведенные эксперименты приведенных выше ученых показали, что процесс фильтрации при вытеснении нефти из лабораторных образцов ускоряется в 3 раза под воздействием электромагнитного поля. Это говорит о том, что использование высокочастотного электромагнитного поля при вытеснении нефти растворителем может значительно увеличить коэффициент нефтеотдачи месторождения.
Также вышеупомянутыми авторами проводились эксперименты по совместному воздействию на пласт высокочастотным электромагнитным полем и акустическими волнами. В результате этих исследований были обнаружены возможные изменения таких параметров пористой среды как напряженность диэлектрического поля, диэлектрическая проницаемость. Основные результаты экспериментальных исследований: - температура и скорость распространения высокочастотного нагрева в зоне, охваченной акустическим воздействием, возрастают. Их изменение в среде увеличивается с ростом частоты и интенсивности акустического поля; - глубина ВЧ нагрева при использовании акустического поля увеличивается на 5 - 10% [63];
Для проведения исследований использовался электромагнитно-акустический излучатель. Устройство представляет собой несимметричный четвертьволновой электрический вибратор, совмещенный с акустическим преобразователем. Электрический вибратор состоит из нижнего конца верхней поверхности обсадной колонны и ее продолжения с отступом на 0,03м, короткозамкнутой при помощи поршня с выступающей за ней колонной НКТ. Продолжением НКТ является акустический преобразователь (внешний диаметр 0,134м), находящийся в жидкости (трансформаторное масло), заполняющий стальной стакан диаметром 0,15м и длиной 4,25м. Акустический излучатель конструктивно совмещает две функции: действует как источник акустической энергии, служит конструктивным элементом электромагнитного излучателя. Описанная конструкция служит одним из устройств ввода ВЧ электромагнитной энергии в пласт через обсаженную скважину. Электрические колебания на акустический преобразователь подавались от ультразвукового генератора (УЗГ-2-4) с помощью кабеля типа КРБК-Зх16, проходящего через колонну насосно-компрессорных труб. Резонансная частота преобразователя 20кГц. Описанная система представляет собой устройство совместного ввода ВЧ электромагнитной и акустической энергии в пласт через обсаженную скважину.
Описание гидродинамической части установки
В предыдущей части были рассмотрены существующие методы электрического и электромагнитного воздействия на продуктивные пласты, а также их совместное применение с другими методами увеличения нефтеотдачи и интенсификации притока. Исходя из проанализированной информации, можно сделать вывод, что данное направление весьма перспективно и требует дополнительного изучения и проведения новых исследований. Основными преимуществами использования электрического воздействия являются, во-первых, комплексное изменение характеристик коллектора и насыщающих флюидов, во-вторых, электромагнитная обработка не оказывает прямого разрушающего действия на породу [5,6].
Электромагнитные волны оказывают влияние на нефтесодержащий пласт для определения конкретных показателей необходимо проведение экспериментов, которые смогут выявить качественные и количественные зависимости: повышение коэффициента вытеснения, коэффициента подвижности, снижение критического градиента давления начала фильтрации.
С данной целью была собрана лабораторная установка, состоящая из электротехнической и гидродинамической части. Установка позволяет проводить эксперименты по электромагнитному воздействию на физическую модель керна. В основе установки лежит резонансный трансформатор переменного электрического тока [52]. От обычных трансформаторов он отличается тем, что в конструкции отсутствует ферромагнитный сердечник. Это позволяет многократно снижать взаимоиндукцию между двумя катушками.
Установка состоит из первичной катушки, которая вместе с конденсатором, образует первичный колебательный контур, и вторичной катушки, имеющей на выходе напряжение в сотни тысяч вольт. Благодаря включенному в цепь элементу, так называемому, разряднику, замыкается колебательный контур, состоящий из первичной катушки и блока конденсаторов, тем самым, блок питания, состоящий из повышающих трансформаторов, становится отключенным от контура, в котором в это время происходят высокочастотные колебания.
Система работает в импульсном режиме, состоящем из двух фаз. В первую очередь происходит заряд конденсатора (в данном случае батареи конденсаторов) до определенного напряжения, необходимого на пробой воздушного пространства между контактами разрядника, параллельно включенного в цепь. Заряд конденсатора осуществляется при помощи внешнего источника питания повышенного напряжения, собранного, в данной установке, из повышающих трансформаторов.
После исключения из контура источника питания, в нем (первичном контуре) инициируются затухающие высокочастотные колебания. При подборе всех параметров эти колебания должны совпасть с колебаниями во вторичном контуре, образуемом вторичной катушкой (и ее собственной емкостью), в которой также начинаются электромагнитные колебания вследствие индукции напряжения. Когда контуры входят в резонанс, амплитуда во вторичной катушке многократно умножается, и трансформатор генерирует высокое напряжение на выходе. Данный процесс можно рассматривать в качестве второй фазы работы системы.
Повышающие трансформаторы GAL-700E/4 - 4 шт. Особенностью данного трансформатора является сердечник, который работает в режиме, близком к насыщению (рис. 2.1). Напряжение входное - 220 В, напряжение на выходе - 2000 В, мощность 2200 Вт, рабочая частота 50 Гц, сила тока 850 мА. Габаритные размеры 105x67x88 мм. Трансформаторы служат основным источником повышенного напряжения, без которого невозможно добиться высоких показателей работы всей системы. При последовательном, синфазном подключении вторичных обмоток, напряжение находится как сумма напряжений каждой обмотки U=U±+U2 + - + Un; (2.6) Таким образом, вторичные обмотки, подключенные последовательно, позволяют генерировать напряжение в 8000 В. Мощность определяется таким же образом N = N, +Л2 + - + ЛГі; (2.7) Отсюда, мощность равняется 8800 Вт. Для того чтобы избежать перегрева трансформаторов и исключить электрические пробои между обмотками, они были помещены в пластиковый контейнер, заполненный моторным маслом.
Анализ результатов экспериментов по электромагнитному воздействию
Повышающие трансформаторы GAL-700E/4 - 4 шт. Особенностью данного трансформатора является сердечник, который работает в режиме, близком к насыщению (рис. 2.1). Напряжение входное - 220 В, напряжение на выходе - 2000 В, мощность 2200 Вт, рабочая частота 50 Гц, сила тока 850 мА. Габаритные размеры 105x67x88 мм. Трансформаторы служат основным источником повышенного напряжения, без которого невозможно добиться высоких показателей работы всей системы. При последовательном, синфазном подключении вторичных обмоток, напряжение находится как сумма напряжений каждой обмотки
Высоковольтные конденсаторы (4 шт) марки H.V. CAPACITOR (рисунок 2.2), модель СН-85Ш095, номинальное напряжение 2100 В, емкость 0,95 мкФ. Размеры одного конденсатора 75x53x33 мм. Данные конденсаторы служат в роли балласта. Когда замыкается первичный колебательный контур (в момент пробоя на разряднике), конденсаторы, подключенные последовательно, ограничивают ток трансформаторов. Рисунок 2.2 - Высоковольтный конденсатор Н. V.Capacitor 3. Высоковольтные конденсаторы К-75-25, емкостью 10 000 пФ ± 5%, номинальное напряжение 10 кВ (рисунок 2.3), Сопротивление изоляции между выводами - 50 000 МОм. Габаритные размеры 65x45x54 мм, вес - 0,8 кг. В установке использована батарея из 2-ух конденсаторов, соединенных последовательно на общую емкость - 5 000 пФ, напряжение - 20 кВ.
Рисунок 2.3 - Высоковольтный конденсатор К-75-25 4. Фильтры высоких частот (рисунок 2.4). Представляют собой две катушки медного провода диаметром 0,75 мм, намотанного на трубу из полипропилена. Габаритные размеры каждой трубки: длина 37 см, диаметр 5 см. Число витков - 300. Рисунок 2.4 - Фильтры высоких частот
Фильтры необходимы для ограничения попадания в сеть высокочастотных выбросов во время замыкания первичного колебательного контура.
Рисунок 2.5 - Динамический разрядник 5. Динамический разрядник (искровик, рисунок 2.5) состоит из металлической пластины круглой формы диаметром 90 мм, с 4-мя равноудаленными от центра и друг от друга болтами, вмонтированными перпендикулярно ее плоскости. Расстояние от центра до болта 80 мм. Пластина подключена к приводу системы охлаждения блока питания персонального компьютера (FSP Group ATX-400PNF, мощностью 400 Вт, (рисунок 2.6). Размеры блока 140x144x80 мм. Блок питания включается в электрическую сеть отдельно от силовой части установки.
Первичная и вторичная катушки резонансного трансформатора (рисунок 2.7). Первичная катушка: диаметр - 13 см, высота - 26 см, количество витков - 10, полая медная трубка диаметром 10 мм. Вторичная катушка: 803 витка медной проволоки (диаметр 0,6 мм), намотанной на трубку ПВХ длиной 48 см, диаметром 5 см. Витки плотно прижаты друг к другу и изолированы эпоксидной смолой, для исключения электрического пробоя. Рисунок 2.7 - Катушки резонансного трансформатора Путем переключения количества витков первичной катушки можно изменять ее индуктивность, и, следовательно, параметры электромагнитного воздействия.
Однофазный счетчик электрической энергии СО-505 (рисунок 2.8). Служит для оценки количества потребляемой электроэнергии на обработку образца коллектора. Класс точности - 2.0, номинальное напряжение - 220 В, номинальная частота питающей сети - 50 Гц, номинальный ток - 10 А, максимальный ток - 40 А, ток перегрузки - 48 А, размеры 208x135x114 мм.
На рисунке 2.11 изображена схема собранной установки, а на рисунке 2.12 показан принцип ее работы. Цепь последовательно соединенных повышающих трансформаторов (2) используется для зарядки конденсаторов. Несмотря на малые размеры используемые трансформаторы имеют мощность до 1,5 кВт. Но к недостаткам относятся высокие показатели силы тока холостого хода (2 - 4 А) и сильный нагрев при работе.
Для предотвращения перегрева, а также для устранения возможных пробоев между обмотками трансформаторов они помещены в пластиковую емкость и залиты техническим маслом. После них в цепь последовательно подключены высоковольтные конденсаторы (3), которые являются дросселем и мешают течь току от трансформаторов в период, когда замыкается первичный колебательный контур.
Следом за ними в цепь подключены фильтры высоких частот (4), необходимые для ограничения попадания в общую электросеть высокочастотных токов при работе установки. Фильтры представляют собой две катушки диаметром 50 мм, по 300 витков медного провода сечением 0,25 мм. Параллельно в цепь подключается разрядник (5), который необходим для питания и инициации колебаний в первичном контуре. Когда замыкается первичный контур, начинаются колебания, а дроссель мешает течь току от трансформаторов, заряжаясь сам. Питанием первичного колебательного контура служит батарея из высоковольтных конденсаторов К-75-25, соединенных последовательно для получения необходимых напряжения и емкости (6). Батарея конденсаторов и катушка (7) создают первичный колебательный контур. Вступая в резонанс с первичной катушкой, вторичная (которая находится внутри первичной) катушка (8) дает на выходе высокое напряжение (до нескольких мегавольт), повышенной частоты (от сотен килогерц до нескольких мегагерц). Электроды (9) создают искомое электромагнитное поле. Фото электротехнической части лабораторной установки на рисунке 2.13.
Для более детального понимания работы установки исследуются графики, отображающие процесс возникновения колебаний и переход энергии во вторичный колебательный контур. На рисунках 2.14 и 2.15 показаны графики напряжения в электрической сети и на батареи конденсаторов первичного колебательного контура.
Результаты моделирования по Быстринскому месторождению
Выводы. В результате проведения эксперимента № С-1 обнаружено повышение подвижности фильтруемого флюида (нефти) с 213,45 мкм /Па-с (на момент остановки расхода до включения установки) до 1285,92 мкм /Па-с (после начала обработки модели ЭМ воздействием). Коэффициент вытеснения нефти повысился с 42 % до 69 %. Помимо этого, обнаружено сохранение эффекта в течение 5 минут после прекращения воздействия электромагнитным полем. Фильтрация нефти прекратилась к концу 15-ой минуты. Эксперимент подтвердил положительное влияние электромагнитного воздействия на повышение подвижности нефти в пористой среде. Эксперимент № С-2. Вытеснение технического масла под воздействием электромагнитного поля
Цель эксперимента. Добиться дополнительного извлечения технического масла из модели искусственного керна с помощью электромагнитного воздействия. Оценить изменение подвижности масла в ходе электромагнитной обработки модели насыпного керна.
Объект эксперимента. Объектом эксперимента является лабораторная колба с песком (пористость - 35 %, проницаемость 0,5 Д), который насыщен техническим маслом (вязкость - 6 мПа-с, плотность 900 кг/м ). Объем добавленного масла - 73 см . Как и в предыдущем опыте, в песок на 60 мм по центру углублен один стальной электрод диаметром 6 мм, второй - медная пластина, расположенная под колбой. Таким образом, расстояние по вертикали между концом электрода, опущенного в насыщенный песок, и пластиной составляет 40 мм. Электрод и пластина подключены к лабораторной установке. Основная задача. Измерить дополнительно извлеченное из модели техническое масло. Рассчитать подвижность масла до и после электромагнитного воздействия. Оценить изменение динамической вязкости масла, прошедшего электромагнитную обработку.
План проведения эксперимента. Эксперимент проводится по схеме, использованной в предыдущем опыте. Единственным отличием является насыщающий модель керна флюид - техническое масло (вязкость 6 мПа-с).
Результаты эксперимента № С-2. Вытеснение водой прекратилось на 26 минуте гидравлического вытеснения. В результате этого из модели насыпного керна получено 25,98 см технического масла. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.5.
Эксперимент № С-2. График подвижности после начала ЭМ воздействия Выводы. При поршневом вытеснении из модели было получено 25,98 см технического масла. Коэффициент вытеснения при этом достиг 0,36 д.ед. После начала обработки модели искусственного насыпного керна электромагнитным воздействием подвижность масла возросла с 210,64 мкм /Па-с до 986,72 мкм /Па-с. Эффект увеличения подвижности пропал к концу 8-ой минуты, объемный расход полностью прекратился и не возобновлялся до конца электромагнитного воздействия. Эти результаты свидетельствуют о низком влиянии электромагнитных волн рассматриваемой частоты на реологические свойства технического масла.
Эксперимент № С-3. Вытеснение нефти при помощи магнитной жидкости в электромагнитном поле
Цель эксперимента. Оценить влияние электромагнитного воздействия на вытеснение нефти и изменение ее подвижности при помощи вспомогательного агента - магнитной жидкости.
Объект эксперимента. Объект эксперимента - модель искусственного насыпного песчаного керна (пористость - 35 %, проницаемость 0,5 Д), насыщенного нефтью (плотность 852 кг/м , динамическая вязкость 2,8 мПа-с) и магнитной жидкостью на основе нефти. Первый электрод погружен в песок, второй - медная пластина, размещенная под колбой. Объем добавленной нефти - 73 см , магнитной жидкости - 15 см .
