Содержание к диссертации
Введение 7
1. Отечественный и зарубежный опыт разработки залежей высоковязких нефтей и битумов тепловыми методами 13
1.1. Запасы 14
1.2. Добыча 17
1.3. Современные способы разработки ВВН и битумов термическими методами
1.3.1. Традиционные термические технологии 34
1.3.2. Прогрев пласта через подстилающий водоносный пропласток 36
1.3.3. Метод термогравитационного дренажа(ТГДП) 37
1.3.4. Выработка пара в забойных парогазогенераторах 39
Выводы к разделу 1 39
2. Теоретические работы по тепловому воздействию на нефтяной пласт Л 41
2.1. Формулировка краевых задач по исследованию температурных полей в нефтяных пластах при термозаводнении 41
2.2. Математические модели температурного поля пласта при закачке горячей жидкости 44
2.3. Работы соискателя по исследованию температурного поля нефтяного пласта при закачке горячей жидкости 51
2.3.1. Решение уравнения теплопереноса в пласте с помощью преобразования Вебера 51
2.3.2. Приближенное решение задачи 56
213.1. Оценка теплопроводной и конвективной составляющих в формировании поля температуры 60
2.3.4. Тепловая эффективность процесса 63
2.4. Исследования температурного поля пласта при нагнетании в него водяного пара 64
2.5. Исследования термодинамических процессов при воздействии на неоднородные пласты 71
Выводы к разделу 2 78
3. Исследование технологии прогрева пластов, насыщенных нефтью аномально высокой вязкости нефти или битумом 80
3.1. Закономерности прогрева нефтяных пластов через трещины (на примере Ярегского месторождения) 84
3.2. Результаты опытно-промышленных работ по разработке нефтяных и битумных пластов с применением прогрева через водоносный пропласток 92
Выводы к разделу 3 98
4. Прогрев пласта, насыщенного нефтью аномально высокой вязкости или битумом, через трещины 100
4.1. Прогрев пласта от одиночной вертикальной трещины 101
4.2. Прогрев пласта через систему параллельных трещин 106
4.3. Тепловая эффективность процесса через параллельные трещины .111
Выводы разделу 4 115
5. Прогрев пласта от кровли к подошве 116
5.1. Средняя температура пласта 119
5.2. Тепловая эффективность при прогреве пласта от кровли к подошве 121
Выводы к разделу 5 123
6. Теплопроводный прогрев пластов, насыщенных нефтью аномально
высокой вязкости или природными битумами, через скважины 125
6.1 Моделирование процесса прогрева пласта через систему скважин 127
6.2. Расчёт скорости прогрева пласта через одиночную скважину 131
6.3. Прогрев пласта через систему скважин 132
6.3.1. Расстояние между скважинами 30 м 133
6.3.2. Расстояние между скважинами 20 м, 15 м, 12 м 135
6.3.3. Прогрев блока пласта от четырёх скважин 136
6.4. Прогрев пласта при паро-гравитационном методе воздействия 139
Выводы к разделу 6 145
7. Моделирование процесса и технологические принципы разработки пластов высоковязкой нефти или битумов посредством прогрева через подстилающий водоносный пропласток 146
7.1. Особенности процесса прогрева водоплавающей залежи, насыщенной высоковязкой нефтью или битумом 146
7.2. Математическая модель для исследования температуры пласта при закачке теплоносителя в подстилающий водоносный горизонт 147
7.3. Прогрев пласта через водоносный горизонт при закачке горячей жидкости 150
7.3.1. Динамика прогрева пласта по толщине 152
7.3.2. Влияние толщины продуктивного пласта на его температуру 153
7.3.3. Влияние толщины водоносного пропластка на температуру продуктивного пласта 154
7.3.4. Влияние темпа закачки на температуру пласта 156
7.4. Прогрев пласта через водоносный пропласток при закачке пара... 158
7.4.1. Влияние толщины продуктивного пластана среднюю температуру 159
7.4.2. Влияние толщины водоносного пропластка на среднюю температуру пласта 160
7.4.3. Влияние темпа закачки пара на среднюю температуру пласта 161
7.5. Тепловая эффективность процесса при прогреве пласта
через водоносный пропласток 163
7.5.1. Тепловая эффективность при закачке горячей жидкости... 163
7.5.2. Тепловая эффективность при закачке пара 1
7.6. Динамика фильтрационных сопротивлений продуктивного пласта 171
7.7. Циклический способ паротепловой обработки пласта через водоносный пропласток 1
7.7.1. Радиус паровой зоны 175
7.7.2. Расчёт температуры водоносного пропластка в период её остывания 176
7.7.3. Динамика температуры продуктивного пласта в период остывания водоносного пропластка 177
7.7.4. Динамика температуры пластапосле прекращения закачки пара 179
7.7.5: Циклический прогрев пласта толщиной 5 м 182
7.7.6 Циклический прогрев пласта толщиной 10 м 184
Выводы разделу 7 186
8. Нефтеотдача пластов при разработке месторождений горизонтальными скважинами 189
8.1. Анализ математических моделей притока жидкости к горизонтальным скважинам. 190
8.1.1. Приток жидкости к скважинам в пластах различной конфигурации 191
8.2. Приток от. пористых блоков к системе горизонтальных скважин, дренирующих пласт 194
8.3. Приток нефти к трещинам при тепловом воздействии на пласт 201
8.4. Одновременный приток в трещины и в скважины из пористых блоков пласта. Сравнение с промысловыми данными 205
Выводы к разделу 8 210
9. Статистические модели интерпретации результатов и. прогнозирования нефтедобычи 211
9.1. Статистический анализ показателей по этапам разработки 212
9.2. Характеристика завершающей стадии разработки 219
9.3. Однофакторные модели 2
9.3.1. Статистические зависимости между закачкой пара и нефтеотдачей 223
9.3.2. Статистические зависимости между числом добывающих скважин и удельным расходом пара 226
9.4. Многофакторные модели 230
9.4.1. Линейная модель выявления связей между основными показателями разработки 230
9.4.2. Нелинейная модель выявления связей между основными показателями разработки 236
9.4.3. Регрессионная модель зависимости годовой добычи нефти от квалификации рабочих и внутрисменных простоев 239
Выводы к разделу 9 244
Основные выводы и рекомендации 246
Библиографический список 248
Приложения 265
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в России в промышленной разработке находятся сотни нефтяных месторождений. Из них гигантские и крупнейшие месторождения в значительной мере уже выработаны..
Современные более высокие технические возможности разведки позволили открыть много малопродуктивных залежей с трудно извлекаемыми запасами нефти. Резко возросло число месторождений, имеющих трещиноватые и трещиновато-поровые пласты, содержащие нефти повышенной, высокой и аномально высокой вязкости.
Проблема вовлечения в более активную разработку огромных запасов аномально вязких нефтей и битумов из года в.год, по мере опережающей выработки запасов легких нефтей, становится все более актуальной. Это обусловлено, во-первых, большими запасами этих углеводородов, а во-вторых, многогранностью, сложностью, наукоемкостью задач, решаемых при их освоении.
Запасы высоковязких нефтей и битумов в мире составляют по разным оценкам 790-900 млрд т и почти в два раза превышают запасы лёгких нефтей. В Российской Федерации такие запасы оцениваются от 10 до 35 млрд т. На территории Тимано-Печорской нефтегазовой провинцииг доля высоковязких нефтей составляет около 17% и по мере выработки запасов лёгких нефтей продолжает расти. Однако в промышленной разработке находятся лишь два крупных месторождения аномально вязкой нефти - Ярегское и пермо-карбоновая залежь Усинского месторождения (Республика Коми) с суммарными геологическими запасами 870 млн т.
В процессе разработки этих месторождений, накоплен большой опыт освоения; новых технологических и технических средств в различных геолого-промысловых условиях. В то же время, следует констатировать, что потенциал высоковязких нефтей используется недостаточно - темп отбора на двух упомянутых месторождениях составляет всего 0;5% от начальных извлекаемых запасов. Одна из причин такого положения - недостаток эффективных научно-обоснованных технологий, обеспечивающих необходимый уровень рентабельности при высокой степени использования запасов.
Поэтому вопрос создания новых технологий даже для этих двух месторождений, на которых уже более 35 лет осваиваются современные методы добычи высоковязкой нефти, остаётся актуальным.
Общепризнанно, что термические методы добычи нефти в настоящее время, являются базовой технологией разработки высоковязких нефтей и битумов. В то же время, следует отметить сложность и многообразие процессов, протекающих в пластовой системе при искусственном воздействии на неё теплом. При этом в" широких пределах изменяются не только реологические свойства, нефтей, но и активизируются практически все известные режимы нефтеизвле-чения, влияющие на нефтеотдачу пласта.
Среди известных методов воздействия на пласты, содержащие высоковязкие нефти, наиболее широко применяются пароциклические обработки скважин в комбинации с площадной закачкой пара. Применение освоенных технологий в условиях сложнопостроенных коллекторов, в которых наряду с низкопроницаемой пористой матрицей, содержащей основные запасы нефти, присутствуют зоны аномально высокой проницаемости, недостаточно эффективно. В этих условиях не всегда удается управлять процессом теплового воздействия и использовать его для достаточно эффективного извлечения нефти. Решение проблемы значительно усложняется при разработке залежей аномально вязких нефтей (вязкостью сотни, тысячи цПа-с) и битумов. Поэтому создание теоретических и технологических основ теплового воздействия разработки подобных залежей относится к числу актуальных проблем, имеющих важное народнохозяйственное значение.
Проблемы, связанные с технологией термообработки пластов, снижением, паронефтяного отношения и увеличения нефтеотдачи, актуальны как для. месторождений, разрабатываемых в настоящее время, так и в. буду щем. Основная идея, которой посвящена работа, формулируется в. виде следующих положений:
1. Аналитические исследования процесса прогрева пластов, насыщенных аномально вязкой нефтью с использованием естественных или искусственных каналов высокой проницаемости.
2. Исследования закономерностей и оценка тепловой эффективности процесса прогрева пластов при различных вариантах прогрева.
3. Установление, оптимальных режимов осуществления исследуемых процессов путем численных экспериментов.
4. Оценка нефтеотдачи изучаемых залежей при различных вариантах его прогрева.
5; Разработка технологических решений, направленных на. повышение эффективностифазработки залежей аномально вязких нефтей и битумов.
Основные идеи, работы и актуальность изучаемых проблем позволяют определить следующие задачи исследования.
1. Системный анализ теоретических работ по тепловому воздействию на-нефтяные пласты.
2. Математическое моделирование температурного поля и тепловой эффективности процесса при термовоздействии на залежи нефти аномально высокой вязкости1 или битумов.
3. Исследование основных закономерностей прогрева рассматриваемых объектов через высокопроницаемые каналы (трещины, стволы скважин, водоносные пропластки).
4. Разработка технологических принципов теплового воздействия при различных вариантах прогрева.
5. Разработка расчетных методов для исследования и оценки нефтеотдачи трещиноватых залежей аномально вязких нефтей и битумов.
6. Прогнозирование показателей разработки залежей при тепловом воздействии вероятностно-статистическими методами. Научная новизна работы
1. Доказано, что в процессе прогрева залежей нефти аномально высокой вязкости и битумов на- начальной стадии разработки конвективный параметр (критерий Пекле) близок к нулю.
2. Получены аналитические зависимости для определения средней температуры при прогреве пластов через систему трещин, через систему скважин, от кровли к подошве, через водоносный горизонт.
3. Установлены закономерности распределения температуры в пласте, насыщенном нефтью аномально высокой вязкости и битумом в.различных геолого-промысловых условиях.
4. Получены формулы для определения тепловой эффективности при различных вариантах прогрева.
5. Адаптированы, зависимости притока для интерпретации и- прогноза нефтеотдачи трещиноватого пласта, дренируемого горизонтальными скважинами в условиях теплового воздействия.
6. Построены статистические модели для прогнозирования показателей при тепловом воздействии в условиях термошахтной разработки месторождения.
Практическая значимость работы
1. На основе проведенных исследований научно обоснованы технологии теплового воздействия на залежи аномально вязких нефтей и битумов с различной геолого-промысловой характеристикой.
2. Разработанные математические модели могут быть использованы при проектировании разработки месторождений аномально высокой вязких нефтей и битумов.
3. Созданная компьютерная программа с достаточной для практики точностью позволяет прогнозировать нефтеотдачу пласта при термошахтной, разработке нефтяных месторождений. - 4. Разработанная «Методика для определения термодинамических показателей разработки залежей нефти аномально высокой вязкости и битумов при прогреве через водоносный горизонт» может быть использована в качестве инженерного регламента при проектировании нефтяных месторождений.
5. Опубликованные учебные пособия и монографии используются в вузе при подготовке специалистов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело».
Защищаемые положения
1. Особенности механизма прогрева пластов, насыщенных нефтью аномально высокой вязкости или битумом на начальном этапе теплового воздействия.
2. Математические модели, описывающие температурные режимы пластов при различных способах теплового воздействия.
3. Закономерности динамики температуры при различных способах прогрева пласта.
4. Технологические основы теплового воздействия,в различных геолого-промысловых условиях.
5. Методика прогнозирования нефтеотдачи трещиновато-пористых пластов, дренируемых системой горизонтальных скважин.
6. Статистические модели интерпретации и прогнозирования показателей разработки залежей аномально вязких нефтей и битумов.
Основные результаты доложены и обсуждены на научном семинаре кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» МИНХ и ГП им. И.М. Губкина (ноябрь 1980), на республиканском семинаре «Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях крайнего севера» (Сыктывкар, 1989), на всероссийском семинаре «Теория функций» (Сыктывкар, 1993), на всероссийской конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы» (Ухта, 2003), на научно-технических конференциях Ухтинского государственного технического университета (Ухта, 2000, 2001, 2002, 2003, 2006, 2007, 2009), на региональном семинаре «Состояние и перспективы разработки высоковязких нефтей и битумов» (Ухта, 2007), на региональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и экс плуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (Ухта, 2008), на заседании кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 2009).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 30 опубликованных работах, в том числе в 2 монографиях и 2 учебных пособиях. 8 работ помещены в изданиях, предусмотренных ВАК РФ для опубликования основных результатов докторских диссертаций. Наиболее значимые из опубликованных работ приведены в автореферате.
Благодарности. Автор благодарен коллективам кафедр «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений и подземная гидромеханика» и «Высшая математика» Ухтинского государственного технического университета и их руководителям профессору А.А. Мордвинову и доценту И.И. Волковой за всестороннюю поддержку в работе. Автор особо признателен научному консультанту д.т.н., профессору Л.М. Рузину за привлечение внимания к проблеме, стимулирующие дискуссии и ценные рекомендации, а также д.т.н., профессору Н.Д. Цхадая и д.т.н. профессору И.Н. Андронову за постоянную поддержку и содействие.
