Содержание к диссертации
Введение 4
1. Геолого-физическая характеристика месторождений нефти и природных битумов Татарстана 12
1.1 Геолого-физическая характеристика нефтяных месторождений Татарстана 12
1.2 Характеристика остаточных запасов нефтяных месторождений Татарстана 17
1.3 Характеристика геологического строения, параметров пласта и неоднородности залежей тяжелых нефтей и природных битумов 19
1.3.1 Особенности распространения месторождений тяжелых нефтей и природных битумов на территории Татарстана 19
1.3.2 Геологическое строение месторождений тяжелых нефтей и природных битумов 21
1.3.3 Особенности геологического строения мелкозалегающих месторождений тяжелых нефтей 27
1.3.4 Запасы тяжелых нефтей и природных битумов 29
1.4 К вопросу о классификации нефти 34
1.5 Геолого-физическая характеристика Ашальчинского месторождения тяжелой нефти 47
2 Разработка месторождений тяжелых нефтей и природных битумов тепловыми методами - проблемы и возможные пути их преодоления 52
2.1 Влияние высокой вязкости на технологию добычи и возможности применения тепловых методов извлечения высоковязких нефтей 52
2.2 Разработка месторождений природных битумов и тяжелых нефтей тепловыми методами с применением горизонтальных скважин 57
2.3 Состояние разработки мелкозалегающих месторождений тяжелых нефтей республики Татарстан и проблемы их освоения
2.3.1 Опыт разработки Ашальчинского месторождения тяжелых нефтей... 69
2.3.2 Опыт разработки Мордово-Кармальского месторождения тяжелых
нефтей 74
2.3.2.1 Добыча тяжелой нефти с применением технологии паротеплового воздействия через вертикальные скважины 76
2.3.2.2 Добыча тяжелой нефти с применением технологии паровоздушного воздействия 77
2.3.2.3 Добыча тяжелой нефти с применением технологии парогазового воздействия 79
2.3.2.4 Технология комплексного воздействия с применением термоциклической обработки 82
2.3.2.5 Внутрипластовое горение 84
2.3.2.6 Применение горизонтальных скважин 86
2.4 Пути совершенствования разработки мелкозалегающих месторождений тяжелых нефтей республики Татарстан 90
3 Исследование совместного применения горизонтальных скважин и паротеплового воздействия в условиях мелкозалегающих месторождений тяжелых нефтей республики Татарстан 93
3.1 Постановка задач по совершенствованию системы разработки 93
3.2 Исследование гравитационного дренирования пласта под воздействием пара 96
3.2.1 Влияние основных геолого-физических параметров пласта на
технологические показатели 96
3.2.2 Влияние давления нагнетания на динамику добычи тяжелой нефти... 105
3.2.3 Влияние степени сухости теплоносителя на добычу тяжелой нефти при технологии «паровой камеры» 109
3.2.4 Оценка дебита горизонтальных скважин при технологии паровой камеры 113
3.3 Оптимизация размещения вертикальных скважин 117
3.4 Сквозные горизонтальные скважины 127
4 Исследование и разработка методов эксплуатации горизонтальных скважин 134
4.1 Способ разработки месторождения высоковязких нефтей 134
4.2 Способ разработки нефтебитумной залежи 1
4.3 Способ разработки неоднородных залежей высоковязких нефтей и природных битумов 141
4.4 Способ разработки послойно- и зонально-неоднородных залежей высоковязких нефтей и природных битумов 143
Заключение 155
Литература 157
Введение к работе
Истощение запасов основных разрабатываемых горизонтов нефтяных месторождений Республики Татарстан заставляет все большее внимание обращать на менее исследованные мелкозалегающие отложения (казанский и уфимский ярусы пермской системы). В последнее время большое внимание уделяется ускоренному вводу в разработку нетрадиционных источников углеводородного сырья.
В ближней и средней перспективе почти все нетрадиционные запасы нефти будут получены в форме сверхтяжелой нефти и битумов. В то время как некоторые эксперты предсказывают стремительное падение добычи традиционной нефти, другие указывают на увеличивающиеся запасы синтетической и обогащенной нефти, полученной из битумов, запасы которых в мире огромны. Те, кто думают, что нас в ближайшем будущем ожидает пиковая добыча нефти, чаще всего не придают серьезного значения роли тяжелой нефти и битумов в мировых запасах нефти, тогда как, в отличие от многих других нетрадиционных источников энергии, тяжелые углеводороды уже сегодня вносят весьма важный вклад в мировые запасы нефти.
Сейчас, когда мир приближается к своей пиковой добыче нефти, пришло время по-новому взглянуть на огромные ресурсы горючих сланцев и битуминозного песка как на источник дешевого топлива.
В настоящее время добыча нетрадиционных источников топлива составляет не более 1 % от мировой добычи нефти, и понятно, что потенциал тяжелых углеводородов далеко не исчерпан. Однако следует отметить, что даже при условии снижения затрат и повышения эффективности, более низкое качество и относительно высокие затраты, связанные с добычей тяжелых углеводородов делают разработку тяжелых нефтей крайне чувствительной к нефтяным ценам. Природа битумов, сверхтяжелых нефтей и горючих сланцев такова, что они характеризуются длительным периодом разработки и длительным периодом окупаемости.
В мае 2003 г. на семинаре ассоциации в Париже (институт Франс де Петроль) президент Оливьер Апперт заявил, что к 2010 году нам потребуется увеличить добычу на 60 млн. барр/сутки, чтобы удовлетворить возросшие потребности. В любом случае битуминозные песчаники могут сделать падение добычи менее заметным.
Пьер-Рене Бакиз, специальный советник председателя Тоталь СА, считает, что мировая добыча нефти достигнет своего пика к 2020 году и составит 100 млн. барр/сутки, «а не 120-130 млн. барр/сутки, как утверждает МЭА», после чего снизится до 25 млн. барр/сутки к 2100 году. В свете этого сверхтяжелая нефть может лишь смягчить переход к «полке добычи» (2015-2030гг.), но никак не компенсировать нехватку традиционных углеводородов, заявил далее эксперт. «Потенциальная добыча из Атабаски и Ориноко также не сможет компенсировать нехватку. Таким образом, тяжелые нефти не смогут «закрыть брешь», они могут лишь замедлить спад». [ 1 ]
Два самых крупных в мире месторождения - это месторождения тяжелой нефти в районе Ориноко (Orinoco Belt) в Западной Венесуэле и битумы битуминозного песка на восточном склоне бассейна западной Канады, общие начальные запасы нефти которых составляют 3600 млрд. бар. в пласте; в зависимости от развития технологии извлекаемые запасы составляют порядка 900 - 12 млрд. бар. Для сравнения текущие мировые запасы традиционной нефти составляют 952 млрд. бар. нефти по подсчетам Геологической Службы США. [ 2 ]
При условии разработки всего Ориноко можно добыть максимум 60 млрд. баррелей в течение следующих 30 лет. Другими словами, реальный вклад Ориноко в течение следующего десятилетия, 2010-2020 гг., будет не более 3 млн. баррелей. То же самое справедливо в отношении Атабаски. По официальным канадским прогнозам, Атабаска может дать менее 2 млн. баррелей в течение 2010-2020 гг. Это, конечно, немало, но не спасет мир, если добыча неближневосточной нефти начнет снижаться, скажем, на 1 млн. барр/сутки в год.
Все сложности, с которыми приходится сталкиваться компаниям, занимающимся тяжелыми углеводородами, только играют на руку сторонникам теории о пиковой добыче нефти, которые утверждают, что ограничения, связанные с добычей тяжелых углеводородов, не дадут тяжелой нефти занять место легкой нефти, когда встанет вопрос о нетрадиционных источниках энергии.
Пьер-Рене Бакиз заявляет: «Все проекты по добыче, основанные на гравитационном режиме с паротепловым воздействием, используют природный газ для производства пара для закачки. Объем газа, который потребуется для добычи из Атабаски того объема тяжелых углеводородов, который, по мнению вашего журнала, имеется в Канаде, в два-три раза превосходит известные запасы газа в Канаде. Что, Канада собирается импортировать сжиженный газ или закупать газ в Аляске для того, чтобы перевести свои неизвлекаемые ресурсы в запасы? Маловероятно. Единственное, на мой взгляд, возможное решение - использовать действующие ядерные реакторы для производства пара, но практическая реализация этой идеи в далекой перспективе».
По мнению г-на Альбрандта из Геологической службы США геополитические соображения могут оказаться наиболее влиятельной силой, которая окажет влияние на развитие отрасли в предстоящие десятилетия.
«Тяжелые нефти, битуминозные пески и другие нетрадиционные источники энергии, несомненно, будут играть всё более важную роль, что обусловлено многими факторами. Во-первых, это меньший геологический риск, связанный с их разработкой, а значит и меньший экономический риск. Далее, нетрадиционные нефти не входят в квоты ОПЕК, и значит, есть экономические стимулы для их разработки. Совершенно ясно, что тяжелые нефти и битумы будут играть огромную роль, в том числе и с точки зрения добычи в регионах, не связанных с политическими рисками». [ 1 ]
Перспективы поддержания достигнутого уровня добычи нефти в Татарстане в значительной степени связаны с вводом в разработку мелкозалегающих месторождений и залежей тяжелых нефтей и природных битумов.
На территории Татарстана имеются большие запасы тяжелых нефтей и природных битумов, являющихся одним из важнейших перспективных источников углеводородного сырья. Эти запасы сосредоточены на сравнительно небольшой глубине, однако относятся к трудноизвлекаемым. Тяжелые нефти ха-рактеризуются плотностью более 901 кг/м , высокой вязкостью, которая повышается по мере увеличения плотности, низким водородо-углеродным отноше ниєм, а также значительным содержанием серы, асфальтенов и тяжелых металлов. Эти факторы усложняют проблему добычи и переработки, однако, объем их запасов заслуживает того, чтобы исследовать задачи по совершенствованию существующих и созданию новых способов извлечения.
В настоящее время в Канаде, Венесуэле, США и ряде других стран ведутся интенсивные работы по совершенствованию технологических процессов и созданию новых технических средств добычи тяжелых нефтей и природных битумов. На территории республики Татарстан проводятся опытно-промышленные работы по отработке скважинного способа добычи на двух месторождениях тяжелой нефти - Мордово-Кармальском и Ашальчинском с целью определения оптимальных условий разработки. Опыт скважинного способа разработки месторождений тяжелых нефтей Республики Татарстан показывает, что выработка продуктивного пласта вертикальными скважинами характеризуется низкой степенью охвата воздействием. В элементах в среднем работают 2-3 скважины, остальные ввиду отсутствия связи с нагнетательной скважиной простаивают или переводятся на циклическую эксплуатацию.
Опыт показывает, что при разработке тепловыми методами необходимо решать следующие основные задачи: обеспечение приемистости, создание гидродинамической связи между скважинами, создание избыточного пластового давления, контроль выноса песка. Для решения задачи наиболее полного охвата тепловым воздействием запасов высоковязкой нефти и природных битумов основная роль отводится регулированию разработки.
В настоящее время рентабельная разработка месторождений тяжелых малоподвижных и высоковязких нефтей и природных битумов - достаточно сложная проблема и это еще одна причина интереса к тяжелым нефтям: необходимо проведение научно-исследовательских и опытных работ. Учитывая геологические запасы высоковязких нефтей и природных битумов, широкий диапазон пластовых условий, трудности добычи, понятно, что необходим целый комплекс методов и технологий добычи тяжелых нефтей и природных битумов за счет внедрения принципиально новых высокоэффективных систем разработки с
применением вертикальных и горизонтальных скважин, что снизит риск полу чения неудовлетворительных результатов и связанных с этим экономических потерь при внедрении метода.
В связи с этим проблема совершенствования разработки месторождений тяжелых нефтей и природных битумов приобретает особую актуальность.
Цель работы
Исследование процесса вытеснения тяжелых нефтей и совершенствование разработки месторождений тяжелых нефтей и природных битумов совместным применением горизонтальных скважин и тепловых методов с целью увеличения коэффициента нефтеизвлечения.
Задачи исследований
1. Изучение особенностей геологического строения мелкозалегающих залежей тяжелых нефтей и природных битумов, влияющих на выбор рациональной системы разработки.
2. Анализ, исследование и совершенствование систем размещения скважин и способов извлечения тяжелых нефтей и природных битумов.
3. Создание новых технологических решений задачи увеличения охвата пласта воздействием при закачке пара.
4. Обеспечение полноты извлечения природного углеводородного сырья в различных геолого-физических условиях из залежей тяжелых нефтей и природных битумов с использованием комплексных технологий.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались на основе научного анализа и обобщения опыта разработки и эксплуатации месторождений тяжелых нефтей Татарстана, исследований особенностей теплового воздействия с применением программ численного математического моделирования процессов многофазного течения флюидов и проведением опытно-промышленных работ в промысловых условиях. Научная новизна
Установлена степень влияния основных геолого-физических параметров пласта на показатели разработки при размещении горизонтальных нагнетательной и добывающей скважин, параллельных друг другу и совпадающих в плане, на различных расстояниях. Определено, что наибольшее влияние на эффективность технологии «паровой камеры» оказывает проницаемость продуктивного пласта.
Получена зависимость коэффициента нефтеизвлечения от объема закачанного пара при различных давлениях нагнетания для условий месторождений тяжелых нефтей, залегающих на глубинах 70-250 м.
Дано теоретическое объяснение явлению изменения дебита горизонтальной добывающей скважины с развитием «паровой камеры», при этом динамика добычи увязана со стадией разработки.
Теоретическими расчетами показано, что для повышения эффективности технологии «паровой камеры» после создания гидродинамической связи между нагнетательной и добывающей горизонтальными скважинами необходимо перейти с максимально возможного давления нагнетания на поддержание пластового давления равным гидростатическому.
Защищаемые положения
1. Принципы размещения горизонтальных скважин при тепловых методах воздействия на мелкозалегающих залежах тяжелых нефтей и природных битумов, выбора месторасположения горизонтальных стволов.
2. Методические решения задачи увеличения охвата пласта воздействием путем закачки пара, изменения интенсивности системы теплового воздействия во времени при технологии «паровой камеры».
3. Новые технологические решения скважинкой разработки мелкозалегающих месторождений тяжелых нефтей и природных битумов.
Практическая ценность
Автором исследованы особенности разработки мелкозалегающих место рождений тяжелых нефтей Татарстана и созданы технологии и способы разработки, позволяющие уменьшить затраты на добычу, выбрать оптимальные параметры закачки и отбора продукции, увеличить охват пласта, эффективно использовать горизонтальные скважины совместно с вертикальными, сократить энергозатраты, повысить конечный коэффициент нефтеизвлечения и, в результате, увеличить эффективность разработки месторождений тяжелых нефтей. К таким результатам относятся:
1. Способ разработки месторождений высоковязких нефтей и природных битумов горизонтальными скважинами с выходом на поверхность;
2. Совершенствование системы разработки Ашальчинского месторождения;
3. Разработка номограммы для оценки дебита горизонтальных скважин.
Решена задача оптимизации параметров процесса вытеснения тяжелой нефти теплоносителями на примере шешминского горизонта Ашальчинского месторождения. На основе многовариантных расчетов показано, что наиболее перспективными для реализации являются варианты со следующими значениями управляющих параметров:
- система расстановки скважин на залежи: бурение добывающих горизонтальных скважин параллельно рядам вертикальных нагнетательных скважин;
- определено оптимальное расстояние равное 5-7 м между двумя параллельными горизонтальными стволами, пробуренными друг над другом;
- определены принципы регулирования режима эксплуатации горизонтальных скважин, пробуренных параллельно относительно друг друга по вертикали;
- режим нагнетания: на начальном этапе давление на уровне гидроразрыва (до 0,8 от горного давления), после создания гидродинамической связи - переход на давление нагнетания, равное гидростатическому;
- температура закачиваемого в пласт теплоносителя: 180 °С;
- объем тепловой оторочки: 1,7 объема пор пространственного элемента системы расстановки скважин.
Основные положения диссертационной работы использовались при со ставлений технологических схем разработки Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений тяжелых нефтей Татарстана. Разработан, защищен патентом (в соавторстве) и реализуется на Ашальчинском месторождении тяжелой нефти технологический процесс теплового воздействия на пласт (технология «паровой камеры») с использованием горизонтальных скважин с выходом на поверхность. Техническая новизна предлагаемых способов подтверждена 3 патентами РФ.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались автором на международных научных конференциях: «Нетрадиционные коллекторы нефти, газа и природных битумов. Проблемы их освоения» (г. Казань, 2005 г.) и «Природные битумы и тяжелые нефти Росси» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), «Освоение ресурсов трудноизвлекаемых и высоковязких нефтей» посвященной 10-летию НК «Роснефть» (г. Геленджик, 2005 г.); научно-технической конференции, посвященной 50-летию ТатНИПИнефть (г. Бугульма, 2006 г.); межрегиональном совещании «Роль новых геологических идей в развитии «старых» нефтедобывающих регионов в первой четверти XXI столетия» (г.Казань, 2003 г.); на межрегиональной научно-практической конференции посвященной 60-летию начала разработки месторождений нефти в Татарстане (г. Альметьевск, 2003 г.), на семинаре молодых специалистов ОАО «Татнефть» по теме «Проблемы геологии и разработки трудноизвлекаемых запасов в терригенных и карбонатных коллекторах» (г. Бугульма, 2005 г.), на молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть» (г. Бугульма, 2006 г.).
