Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ Термогидродинамические основы-проектирования разработки нефтя ных месторождений при неизотермических условиях фильтрации 25
Глав а I Дифференциальные уравнения неравно весной фильтрации многофазных мно гокомпонентных систем 25
1.1. Уравнение баланса энтропии многофазной многоком -
понентной системы 27
1.1.1. Баланс энтропии 33
1.2. Уравнение непрерывности 42
1.3. Уравнение движения (баланс импульсов) 44
1.4. Баланс энергии 45
1.5. Уравнение энергии процесса неизотермической филь -трации многофазной многокомпонентной системы при фазовых переходах и химических реакциях 48
1.6. Система дифференциальных уравнений для неизотермической фильтрации в упругом коллекторе при фазовых
и химических превращениях 49
Заключение по главе 1 51
Г л а в а II Система дифференциальных уравнений равновесной неи301ермической фильтрации многофазных жидкостей 52
2.1. Модификации систем уравнений неизотермической фильтрации многофазных жидкостей 55
2.2. Дифференциальные уравнения неизотермического вытеснения при наличии систем скважин 59
2.3. Обобщение теории Баклея-Леверетта на случай неизотер -мической фильтрации не ньютоновской высокопарафини -стой нефти 61
2.3.1. Уравнение фильтрации высокопарафинистой нефти при фазовых переходах парафина 63
2.3.2. Кинетика выпадения кристаллов парафина при неизотер -мической фильтрации высокопарафинистой нефти и их влияние на абсолютную проницаемость коллектора 64
2.3.3. Учёт влияния выпадения парафина на изменение фазовых проницаемостей 68
Заключение по главве 77
Глав а III Развитие расчётных методов проектирования процессов разработки нефтяных месторождений при неизотермической фильтрации 73
3.1. Построения модели слоисто-неоднородного пласта 73
3.2. Выбор разностных расчётных сеток и элементов сим -метрии :.. 80
3.3. Комбинированная разностная сетка «СКАТ» 82
3.4. Методы численных расчётов показателей разработки слоисто-неоднородных пластов в условиях неизотермической фильтрации на базе применения комбинированной сетки «СКАТ» 87
3.4.1. Метод ячеек. Балансовые соотношения. Комбинированная сетка «СКАТ» 88
3.4.2. Разностная аппроксимация уравнения для давлений 88
3.4.3. Метод матричной прогонки и его реализация для ряд пыхи площадных систем разработки 93
3.4.3.1. Оценка точности расчётного метода при определении поля давлений и расходов 95
3.4.4. Определение значений фильтрационных параметров ячейках и секторах при сетке «СКАТ» 99
3.4.5. Вычисление давлений, скоростей и насыщенности в узлах сетки 105
3.4.5.1. Первый вариант расчёта параметров в зоне расположе ния добывающих скважин 107
3.4.5.2. Второй вариант расчёта параметров в призабойной зоне добывающей скважины 109
3.4.6. Вычисление текущих значений насыщенностеи в ячейках 113
3.4.6.1. Вычисление значений насыщенностеи в зонах прилегающих к нагнетательным скважинам 113
3.4.6.2. Расчёт значений насыщенности в зонах прилегающих к добывающим скважинам 117
3.4.6.3 Аппраксимационные формулы для сщивания радиально кольцевой и квадратной сеток 119
3.4.6.4. О связи перепада давлений с потоком жидкости в радиально- кольцевых зонах 122
Заключение по главе 3 124
Глава IV Расчёт температурных полей при заводнении нефтяных месторождений и учёт иx влияния на процесс разработки 125
4.1. Расчёт температурных полей для тонкослойных пластов и учёт их влияния на фильтрацию 127
4.2 Расчёты температурных полей в слоисто-неоднородных пластах рот учёте межслойной тепловой интерференции ...,132
4.3. Определение показателей разработки при неизотермической фильтрации 136
Заключение по главе 4 139
Ч А С Т Ь II Исследование процессов неизотерми-ческой фильтрации в промысловых условиях и решение технических задач термозаводнения 140
Глава V Исследования температурных изменений в пластах при нагнетании холодной вольших влияния на процесс фильтрации ... 140
5.1. Исследования по изучению динамики охлаждения в процессе закачки холодной воды и восстановления температуры за счёт притока тепла из окружающих горных пород 141
5.2. Исследование охлаждения пластов на удалении от нагнетательных скважин при нагнетании холодной воды 144
5.3. Исследования влияния температурных изменений на процесс фильтрации парафинистой нефти в пластовых условиях 150
Заключение по главе 5 154
Глава VI Опытно-промысловые и промышленные работы по нагнетанию горячей воды на месторождении узень 155
6.1. Первое опытное нагнетание горячей воды на месторождении Узень 156
6.2. Опытно-промышленное нагнетание горячей воды во вто -рой разрезающий ряд и перевод всего месторождения Узень под термозаводнение 156
6.3. Проблемы подготовки и получения теплоносителя 161
Заключение по главе 6 166
Глава VII Использование термальных вод xxiv горизонта в качестве природного теплоносителя для внутриконтурного заводнения 167
7.1. Экспериментальные работы по получению и нагнетанию термальной воды XXIV горизонта в 7 - й разрезающий ряд 168
7.2. Оценка динамики пластовых давлений и уровней при отборе термальных вод из XXIV горизонта 171
7.2.1. Размещение водозаборных скважин по эллиптической площади 172
7.2.2. Размещение водозаборных скважин по круговой области...174
7.2.3. Размещение водозаборных скважин вдоль нагнетатель -
ных рядов 174
7.3. Промышленное нагнетание термальной воды при завод нении на месторождении Узень и Карамандыбас 176
Заключение по главе 7 178
ЧАСТЬ III Обоснование и внедрение энерго -и ресурсосберегающих технологий... 179
Глава VIII Применение технологии поддержания пластового давления и пластовой температуры на месторождении узень и карамандыбас 181
8.1. Особенности и главные проблемы ввода месторождения Узень в разработку 182
8.1.1. О свойствах Узеньской нефти 186
8.2. Решение технических проблем подготовки горячей воды
для заводнения на месторождении Узень 203
8.3. Сравнительный анализ условий разработки на объектах закачки горячей и холодной воды (области влияния закачки во II и в Ш разрезающие ряды 204
8.4. Особенности эксплуатации нефтяных скважин месторо -ждений, содержащих высокопарафинистую нефть ( Узень, Караманбыбас и Жетыбай ) 215
8.4.1. Определение температуры начала массовой кристаллизации парафина и его отложения в подъёмных лифтах 216
8.4.2. Исследование температурного режима в стволах добывающих скважин 220
8.4.3. Исследование влияния дебитов на потери напора в лифтах..224
6
8.4.4. Влияние термодинамических условий в стволах скважин
и в призабойных зонах на процесс фонтанирования сква
жин 230
8.5. Исследование индикаторных кривых при установлении проявления начального градиента давления сдвига в пластовых условиях 234
8.6. Исследования по определению начального градиента при двухсторонней стабилизации давления на забое 237
8.7. Влияние структурно-механических свойств на закон фильтрации вязкопластичных жидкостей 243
8.7.1. Закон фильтрации вязкопластичных жидкостей для слоис
того пласта 248
8.8. Оценочные расчёты по изучению влияния закачки холод -
ной и горячей воды на изменение температурного поля и
и насыщенности в слоистом неоднородном пласте 250
8.9. Учёт влияния самопроизвольных гидравлических разры -ВОВ пластов на формирование теплового и фильтрационного полей 251
8.10. Влияние закачки холодной воды в начальный период разработки на охлаждение коллекторов и прилегающих горных пород на месторождении Узень 263
8.11. Температурный режим в стволе нагнетательной скважины при закачке горячей воды 267
8.12. Метод оценки эффективности применения технологии воздействия на пласты и призабойные зоны скважин 271
8.13. Реализация метода поддержания пластового давления и температуры на месторождении Узень и Карамандыбас. Тех -нологические и технико-экономические показатели разра -
ботки 274
Заключение по главе 8 287
Глава IX Энергетический принцип оптимальности и энергетический критерий. двухконтурная расчётная оптимизационная модельпроцесса разработки при неизотермической фильтрации 289
9.1. О главных принципах разработки нефтяных месторождений и энергетическом критерии оптимальности 297.
Заключение по 9 главе 299
Глава X Обоснование и внедрение ресурсо- и энергосберегающей технологии на месторождениях узень и карамандыбас 300
10.1. Оценка энергетического эффекта от применения энерго -сберегающей технологии на месторождении Узень на
весь период разработки 303
Заключение по главе 10 319
Глава XI Обоснование применения интенсифисационно - изоляционного воздействия (иив) при нешотермическйх условиях разработки неоднородныхпластов 320
11.1. Учёт предыстории разработки месторождения и влия -Ших способов воздействия на процесс неизотермичес кой фильтрации в неоднородных пластах 320
11.2. Эффективность интенсификационно-изоляционного воздействия в неоднородных пластах в условиях тер -мозаводнения -. 323
11.3. Влияние применения технологии ИИВ на выработку низкопронйцаемых слоев 331
Заключение по главе 11 347
Глава ХII Исследование влияния применения ги практичегких разрывов пластов на процесс разработки месторождений при неизотермических условиях фильтрации неньютоновских жидкостей 349
12.1. Аналитические основы учёта влияния гидроразрывов на условия фильтрации и процесс разработки месторождения, содержащего высокопарафинистую нефть в неоднородных пластах 350
12.1.1. Варианты осуществления системных гидроразрывов 350
12.1.2. Расчётные методы для учёта изменения процесса фильтрании в близи скважин при образовании трещин гид -роразрыва 357
12.1.3. Гидроразрывы с горизонтальной ориентацией трещин 362
12.1.4. Гидроразрывы с вертикальной ориентацией трещин 368
12.2. Оценка влияния гидроразрывов на нефтеотдачу, обво
днение и текущую добычу не<Ьти в условиях примене
ния энергосберегающей технологии термозаводнения 373
12.2.1. Комплексные многовапиантные расчёты процесса раз
работки при осуществлении системных гидроразры
вов в неоднородных пластах 373
Заключение по главе 12 379
Глава ХIII Исследование процессов разработки харьжаского и южно-лыжского месторождений, содержащих высокопа-рафинйстые нефти при нейзотермйческих условиях фильтраций 381
13.1. Особенности проектирования разработки Харьягинского месторождения при внедрении технологии ППДиГГТ 381
13.1.1. Главные условия разработки месторождения 381
13.1.2. Проектирование разработки Харьягинского место -рождения 384
13.1.3. Технологический эффект от применения т«рмовоз -действия на Харъягинском месторождении 388
13.1.4. Текущее состояние разработки Харьягинского месторождения 390
13.2. Проектирование разработки Южно-Лыжского место
рождения, содержащего неньютоновскую нефть 392
13.2.1. Проблема "сеток" при неизотермической фильтрации и проявлении неньютоновских свойств жидкости 392
13.2.2. Влияние сеток на нефтеотдачу при проявлении не -ньютоновских свойств нефти 395
Глава XIV Решение задач фильтрации смешибающегося режима вытеснения при заводнении 401
14.1. О вытеснении нефти из пластов при различных условиях и факторах, влияюших на нефтеотдачу 401
14.1.1. Онекоторьгхэкспфимеш^льньххфактахи'ихследствод 404
14.2. Определение концентрации в условиях смешиваю щегося вытеснения нефти 405
14.2.1. Осесимметричная фильтрация взаиморастворимых жидкостей в конечном пласте и в трубках тока непеременного сечения 407
14.2.1.1. Определение поля концентрации при осесимметричной фильтрации 407
14.2.2. Определение концентрации в трубках тока переменного сечения 410
14.2.3. Определение поля концентрации при продвижении буферных оторочек
14.2.4. Определение поля концентрации при непрерывной закачке агента -распюрит 416
14.2.5. Определение поля вязкости и зависимости между перепадом давления и расходом 421
Заключение по главе 14 423
Заключение 424
Основные результаты и выводы 424
Основные защищаемые положения 426
Список использованных источников
- Уравнение движения (баланс импульсов)
- Обобщение теории Баклея-Леверетта на случай неизотер -мической фильтрации не ньютоновской высокопарафини -стой нефти
- Метод матричной прогонки и его реализация для ряд пыхи площадных систем разработки
- Расчёты температурных полей в слоисто-неоднородных пластах рот учёте межслойной тепловой интерференции
Уравнение движения (баланс импульсов)
Здесь ко - абсолютная проницаемость коллектора, kj -фазовая проницаемость, функция насыщенности и в общем случае - температуры ; щ (Tj) - вязкость фазыу , функция температуры ; G}(k,T)- начальный градиент давления
Если в (135) не учитывать третий член, стоящий под знаком дивергенции, и третий и четвертый комплексы, стоящие в правой части, то получается уравнение энергии, близкое к уравнению Э.Б. Чекалюка, но которое дополнительно учитывает энергию фазовых и химических превращений [м% [Wi]. Из приведенной системы, как частный случай могут быть получены уравнения равновесной неизотермической фильтрации и изотермическая фильтрации многофазных жидкостей - известная система уравнений М. Маскета для фильтрации трехфазного потока (нефть, вода, газ) [га].
Система (136) - (1.33) с учетом экспериментально получаемых функций состояния является замкнутой. Она позволяет решать многие практически важные вопросы и задачи при проектировании разработки месторождений в условиях термозаводнения и применения различных физических, термофизических и гидродинамических методов воздействия на пласты.
Заключение по главе е
Рассмотрены принципы, базовые положения неравновесной термодинамики необратимых процессов и термогидродинамические основы получения общих систем дифференуиальных уравнений фильтрации многокомпонентных многофазных жидкостей в пористой среде.
Показана центральная роль энтропии при получении основных соотношений, описывающих поведение системы при необратимых процессах энерго-массопереноса. Общие системы уравнений замыкаются феноменологическими соотношениями, получаемыми экспериментальным путём.
равновесной неизотермической Ь лы а ции многофазных жидкостей Теория равновесной неизотермической фильтрации упругих жидкостей в деформируемом коллекторе базируется на предположении, что теплообмен-ный процесс проходит как бы через цепочку равновесных состояний.
При этом тепловое взаимодействие между прилегающими элементарными макрообъемами подчиняется законам кондуктивного и конвективного теплопереноса.
Это упрощает построение основных количественных термогидродинамических зависимостей , лежащих в основе расчетных формул. Ниже приводится система дифференциальных уравнений неизотермической фильтрации упругого многофазного потока ( п - фаз J = 1, 2, ... , п ) в упругом коллекторе. При этом считаем, что плотности фаз и скелета коллектора зависят от температуры и давления (напряжения).
Рассматриваем обобщенный закон Дарси, учитывающий влияние структурно-механических свойств (начального градиента давления сдвига [Щ ) на процесс фильтрации и теплообмен между продуктивными коллекторами и окружающими горными породами.
Х- теплопроводность ; ат, р- соответственно коэффициенты температурного расширения и сжимаемости (Ъаз ; 9?- коэсЬсЬициент учитывающий те-плообмен в единицу времени между фильтрующимися фазами у-ми и скелетом коллектора; щ - вязкость ; Gj,g- соответственно градиент давления сдвига и ускорение свободного падения ; 3k,bk- константы аппроксимации в зависимости проницаемости от пористости, а следовательно от температуры и напряжения в коллекторе . Индексы у параметров :j, с, к, п относятся соответственно ку-й фазе, скелету коллектора, кровле и подошве пласта.
Тут следует особо подчеркнуть, что значения абсолютных проницае-мостей коллекторов зависят от местного текущего термогидродинамического состояния фаз ( матрицы скелета, глинистых частиц и цементирующих веществ), слагающих структуру коллектора ; в частности, здесь большую роль в определенных условиях могут играть такие явления, как гидратация глинистых частиц и др. (эти коллекторы часто относят к низкопроницаемым с т.н. "труд-ноизвлекаемыми запасами"). Эти обстоятельства в полном объеме учитывает данная теория.
Система уравнений (2.1) - (2.10) - достаточно общая , при этом предполагается, что заданы начальные и граничные условия для р, Т и s , а также условия теплообмена между продуктивными коллекторами и прилегающими горными породами - сопряженность теплового потока и равенства температур на границах с кровлей и подошвой пластов.
Модификации систем уравнений неизотермической фильтрации многофазных жидкостей в вышеприведенной системе дифференциальных уравнений (2.1 -2.10) в зависимости от конкретных геолого-промысловых и технологических условий разработки допускается ряд упрощений, путем отказа от учета отдельных явлений и процессов.
Существенное упрощение - принятие условия равенства значений температуры в локальном объеме в фильтрующихся j - фазах и в скелете коллектора . Данное положение достаточно обоснованно, учитывая факт весьма развитой поверхности контакта между указанными субстанциями.
Это приводит к активному теплообмену между подвижными фазами и коллектором и к сравнительно быстрому выравниванию температуры в локальном макрообъеме; В этом случае система уравнений приобретает вид : Уравнение неразрывности:
В системе уравнений (2.11) - (2.14) можно допустить дальнейшие упрощения, пренебрегая величинами, имеющими подчиненное значение. С учетом известных термодинамических соотношений преобразуем уравнение (2.12) к форме, содержащей термодинамические коэффициенты Джоуля- Томсона (учитывающие дроссельный эффект) и термодинамические коэффициенты адиабатического расширения, которые определяются экспериментальным путем. В этом случае уравнение (2.12) упрощается:
При заводнении, когда не допускается разгазирование нефти и не происходит выпадение кристаллов парафина можно рассматривать только две фазы - нефть ( SH ) и воду ( Se) , при термозаводнении, когда в силу температурных изменений происходит выпадение парафина и его растворение , необходимо учитывать третью фазу- (Sn) Г оД. Если рассматривается двухфазная система (нефть -вода) можно ограничиться рассмотрением только одной , вторая определяется из соотношения SH + SS-I.
Обобщение теории Баклея-Леверетта на случай неизотер -мической фильтрации не ньютоновской высокопарафини -стой нефти
Приведенные выше формулы изменятся, если за призабойную зону принять Re , г А х X разбить её на 4 сектора и и кокьцецых элэлента. предполагают радиальной симметрии течения, что важно при неоднородности коллектора по простиранию, т.е. когда к = к (х,у).
Расширение зоны до г = 1.5 А х позволяет перекрыть сетки и ускорить процесс сходимости при итерациях давлений.
Согласно принципу Гамёльтона всякая схематизация потока, не обеспечивающая точного совпадения линий тока с реальным, ведёт к повышению фильтрационных сопротивлений и снижению расхода, т.е. нарушает минимум совершаемой работы (в природе реализуются оптимальность движения потоков - частицы устремляются в направлениях наименьших сопротивлений) [\Ч1,
Поэтому вносимая схематизация траекторий движения ведёт к снижению расходов. Здесь требуется оценка влияния нарушения геометрии движения, чтобы с введением корректирующих коэффициентов уменьшить потери точности определяемых параметров.
Для радиально-симметричного течения однородной жидкости количество поступаемой в ячейку (1,1) слева вдоль оси 0-х , как это видно из рисунка .... составляет Насыщенности в ячейках призабойных зон нагнетательных скважин определяются с учётом осесимметричности течения на более мелкой радиально-кольцевой сетке. В ячейке соответствующей нагнетательной скважины , в кольце
Этими же формулами можно пользоваться и в призабойных зонах добывающих скважин. Значения s, (/ =1, 2, 3, 4, 5, 6) определяются из уравнения для на сыщенностеи по явной разностной схеме с выделением скачка насыщенности. Для остальных ячеек значения насыщенностеи получаем из уравнения баланса воды , записанного в дивергентной форме где Fe означает долю воды в потоке. Уравнение (3,82), согласно методу ячеек, аппроксимируется разностным уравнением с учётом несущих значений насыщенностей и температур От несущих потоком значений насыщенностеи и температур зависят доли воды в потоке Fe . Всего возможно 16 различных случаев направлений потоков для каждой ячейки. Разбор всех этих случаев приводит к следующим значениям индексов - индексы /1, / 2, j з, j 4 определяются из следующих соотношений /1
Использование суммарной скорости смеси и доля воды объясняется тем, что скорость смеси (u,v) меняется непрерывно в рассматриваемой области течения, в то время как скорости составляющих фаз разрывны. Запись балансового соотношения в виде (3,83) переносит разрывы решений для насыщенностеи и их влияние на долю воды в потоке F в.
В расчётах всюду используется явная схема типа «уголок», т.е. все значения в правой части (3,83) берётся на предыдущем временном слое.
Недостатком явных схем является трудность подбора временного шага на каждом временном слое, удовлетворяющего условию устойчивости.
Для обеспечения устойчивости разностной схемы достаточно , чтобы разностная схема была ориентирована против потока и чтобы за один временной шаг возмущения не уносились более чем на один координатный шаг. Тогда значения на новом временном слое получаются интерполяцией значений насыщенностей на предыдущем временном слое. Неустойчивость появляется, если Sij в (3,83) можно интерпретировать как экстраполяцию уносимых потоком значений s,-;-, Suij, sMzj, Sij.j4 , s-фр -В проводимых расчётах временной шаг выбирается из условия Куранта. Разрыв насыщенности за один временной шаг не должен проходить более одной координатной ячейки, т.е. ометаемая этим разрывом площадь за временной шаг не больше площади одной ячейки.
Вычисление временного шага производится в два этапа, причём только по высокопроницаемому слою. На первом этапе, когда фрокт вытеснения ещё не вышел за призабоиную зону нагнетательной скважины, временной шаг вычисляется по формуле На втором этапе, после того как вода по высокопроницаемому слою прорвалась за призабоиную зону ( г г 1.5 Ах ) , временной шаг определяется из условия устойчивости схемы (3,83). Оно состоит в том , что временной шаг берётся из условия заводнения одной радиально-коьцевой ячейки сетки нагнетательной скважины с максимальным дебитом. В этом случае временной шаг определяется по формуле При расчётах может использоваться так же и следующая формула где множитель а подбирается эмпирически, при расчётах он был принят равным 0,35.
В момент прорыва фронта вытеснения в добывающую скважину условие устойчивости нарушается, т.к. площади секторов в 4 раза меньше площадей ячеек. Здесь временной шаг разбивается на 4 равные части и конечное изменение насыщенностей секторов добывающих скважин получается в результате 4-х пересчётов при сохранении других параметров потока.
Неустойчивость наблюдается в виде немонотонных изменений насыщенности в секторах и обводнённости скважины. Чтобы сохранить временной шаг по площади, для секторов добывающих скважин счёт ведётст в 4 этапа с временным шагом dt / 4 согласно формулам Разбиение на 4 этапа существенно лишь в момент прорыва фронта вытеснения по высокопроницаемому слою. При большой обводнённости симптомы неустойчивости обычно не наблюдаются, однако счёт в 4 этапа следует сохранять.
Расчёт значений насыщенности в зонах прилегающих к добывающим скважинам Для расчёта насыщенности в призабойной зоне добывающей скважины область разбивается на 4 или на 20 секторов. В первом случае значения насыщенности и температур несутся вдоль линий тока и в призабойной зоне в разных секторах они могут существенно отличаться друг от друга.
В каждом секторе и в каждом кольцевом элементе вводится своё значение насыщенности и температуры. Уравнение для определения насыщенности имеет следующий вид
Если в призабойной зоне добывающей скважины, значительно удалённой от нагнетательной, температурные условия не приводят к проявлению структурных свойств нефти, то последние могут не учитываться.
Для его решения можно применить неявную разностную схему типа «уголок», чтобы заведомо обеспечить устойчивость соответствующей разностной схемы. Но это будет связано с решением ещё одного уравнения относительно s на следующем временном слое; для каждого узла.
Метод матричной прогонки и его реализация для ряд пыхи площадных систем разработки
Предложена универсальная разностная комбинированная сетка «СКАТ» -радиальная (равномерно-кольцевая с малым шагом) вблизи нагнетательных скважин, радиально-секторальная вблизи добывающих скважин и квадратная на удалении от скважин для расчётов процессов вытеснения нефти водой при неизотермической фильтрации.
Данная сетка позволяет детально учитывать особенности фильтрации и теплообменные процессы вблизи нагнетательных (где формируются температурные и фронты вытеснения нефти водой) и добывающих скважин, что особо важно при проявлении структурно-механических свойств в фильтрующейся нефти. Обычные сетки, используемые при стандартном проектировании (без учёта неизо-термии) здесь неприемлемы.
С вводом сетки «СКАТ» в расчётную практику, разработаны аналитические, методические и алгоритмические основы и формулы для определения всех основных параметров фильтрации : давлений, шдропроводностей, насыщенностей во всей области фильтрации, а также дебитов, расходов, обводнённости и нефтеотдачи.
Тестирование расчётного метода дано на основе сравнения показателей фильтрации с точным методом расчёта для условий шахматно-рядной системы. Погрешность не превысила десятых долей процента.
Расчёт температурных полей при заводнении нефтяных месторождений и учёт их влияния на проиесс разработки.
Температурный фактор оказывает влияние на все параметры фильтрационного процесса и показатели разработки.
Вносимые при заводнении в пласты огромное количество «холода» (при закачке холодной воды) и тепловая энергия (при нагнетании горячего теплоносителя) изменяют температуру в неоднородных пластах на значительном расстоянии от нагнетательных скважин.
При этом происходит межслойная внутрипластовая тепловая интерференция, влияющая на температурное состояние фильтрующейся нефти и воды.
В связи с этим, при прогнозировании процесса разработки, необходимо знать динамику тепловых полей при заводнении пластов с температурой воды отличной от начальной пластовой.
Расчёты тепловых полей усложняют общий модельный процесс - приходится преодолевать при численном анализе т.н. барьер «размерности».
За расширение возможностей анализа процесса - учёт неизотермии -приходится платить определённую цену. Проясним момент.
Расчёт процесса неизотермического вытеснения нефти водой в неоднородных многослойных пластах требует трёхмерной постановки температурной задачи. Тепловая энергия (тепло) не имеет границ при своём распространении. Именно поэтому в температурной задаче стоят частные производные. При этом мы сталкиваемся с проблемой «размерности».
Если по каждому линейному размеру брать, например, 50 узлов, то в целом по небольшому объекту (участку залежи) имеем более 100 тысяч узлов сетки.
В каждом узле неизвестными являются давление, насыщенность, вектор скорости, а теперь ещё и трёхмерная температура. В памяти машины при этом требуется хранить более миллиона величин. Число операций на каждом временном слое здесь составляет величину порядка 1010 -10 , при самых лучших алгоритмах счёта. В связи с этим, при расчётах неизотермического вытеснения приходится вводить специальные приёмы «разгружающие» счёт и память ЭВМ.
Таковыми могут быть, например, т.н. «расщепление» задачи по физическим процессам и др. Возникают повышенные требования к мощи ЭВМ. Мы этим в дальнейшем будем пользоваться и использовать.
Межслойный теплообмен и способ его учёта зависят от геологического строения пластов. Здесь выделяются две, наиболее часто встречающиеся структуры пласта: - сильно расчленённые тонкослоистые пласты с произвольным чередованием слоев с различной проницаемостью; - пласты с ограниченной расчленённостью и толщиной продуктивных прослоев более 1,5-2 м.
Количественный анализ, выполненный М.Г.Алишаевым по оценке скорости выравнивания температур в контактирующих слоях различной толщины [ ія? ] показал, что температура в слоях толщин 1-2 м и менее происходит достаточно быстро (исчисляемая сутками). время в течении которого разница начального профиля температур уменьшается на половину при мощности слоев в 1, 3 и 5 м составило 1 , 7 и 30 суток соответственно. По сравнению со временем разработки пластов эти времена малы. Поэтому мнение о быстром выравнивании температур (и одном общем тепловом фронте в коллекторе) можно принять только для тонкослоистых пластов.
Такой слоистый пласт можно условно рассматривать как «сосредоточенную ёмкость», контактирующую с окружающими горными породами.
Во втором случае, в слоях с более значительными толщинами (h 1.5 - 2 м.) формируются свои локальные тепловые фронты, автономно движущиеся со своими скоростями, пропорциональными проницаемостям.
Эти слои мы считаем гидродинамически изолированными (ввиду наличия тонких глинистых непроницаемых перемычек), но термически контактирующими. Отсюда и межслойная тепловая интерференция. Здесь действует ранее сформулированный и высказанный автором тезис: «Теплопроводность пластовых пород достаточно велика, чтобы произошел активный внутрипла Лі стовый теплообмен в слоисто неоднородных пластах при термозаводнений ; и теплопроводность окружающих горных пород слишком низка, чтобы окружающая пласты рассеянная тепловая энергия с нивелировала процессы конвективного вноса тепла и холода в реальные (текущие) сроки разработки».
Разумеется, «Земной шар» нельзя ни охладить, ни нагреть при внут-рипластовой инжекции воды.
Но приток тепла в пласт (в область тепловых возмущений) из удалённых областей горных пород здесь затруднён из-за низкой теплопроводности пород кровли и подошвы.
Отдавши часть своего тепла в пласт, они затем превращаются по существу в теплоизолятор для идущих сверху и снизу слабых потоков тепла т.н. рассеянной (а не сконцентрированной) тепловой энергии.
Расчёты температурных полей в слоисто-неоднородных пластах рот учёте межслойной тепловой интерференции
Для определения интегральных удельных потерь (которые включают различные факторы - силы трения, эффект проскальзывания газа, структурно-механические свойства и др.) выполнены прямые исследования на действующих эксплуатационных скважинах месторождений Узень и Жетыбай4.
Испытания проведены, как на обычных лифтах (21/Д так и с остеклованной поверхностью. При разработке месторождений, содержащих высоко-парафинистую нефть, вопросы рациональной эксплуатации скважин приобретают особенно важное значение. Коэффициенты эксплуатации скважин, затраты на их обслуживание и ремонт здесь находятся в прямой зависимости от режимов работы скважин.
Основными причинами , влияющими на потери напора в лифтах, на процессы выделения и отложения парафина в подземных и наземных коммуникациях, являются термогидродинамические режимы в трубах. Исследования показали, что изменяя режим эксплуатации, мы можем улучшить, или ухудшить условия работы нефтяных скважин.
Постановка и руководство данных работ осуществлялись автором при участии А.О.Палия (м-е Узень) и В.А.Бочарова и А.Н.Мирионкова (м-е Жетыбай) [Уд], Щ. показали, что изменяя режим эксплуатации, мы можем улучшить, или ухудшить условия работы нефтяных скважин. Зависимость температуры нефти на устье скважины от лх дебитов.
Реальный термогидродинамический процесс в скважине многопара-метричен и сложен, с точки зрения построения математической модели. В таких условиях большое значение приобретают прямые эксперименты в реальных условиях нефтяных скважин, где сложные системы дифференциальных уравнений "интегрирует " сама природа и задача исследователей состоит в точной регистрации "выходных" параметров. Такие возможности сейчас у исследователей имеются.
На основании комплексов работ, проделанных в скв. 12,13, 22, 26, 50 -месторождение Узень и скв. 20, 36, 48, 50 и 56 - месторождение Жетыбай, выявлены главные закономерности указанных процессов, что позволило предложить более рациональные условия эксплуатации
Анализ показал, что в связи с повышением производительности скважин путём увеличения депрессии возрастает температура в подъёмных трубах. При Q = 80 - 120 т/сут температура на устье скважины составила 40 -47С . Это обусловлено тем, что с увеличением дебитов возрастает количество тепла вносимого в скважины восходящим потоком.
Тепло частично уходит через стенки скважины в окружающие горные породы по законам теплопередачи и теплопроводности.
Снижение температуры отмечалось только на забое в связи с разгази-рованием потока и действием термодинамических эффектов, см. рис.6? ,
С учётом данных по замерам давлений в различных точках лифта, была проведена обработка материала по оценке потерь напора приходящихся на 1 погонный метр лифта, отнесённых к 1 т/ сут при различных условиях (режимах отбора). Результаты представлены в таблице и на рис. 68,69.
Таким образом, промысловыми экспериментами на двух месторождениях, содержащих высокопарафинистые нефти установлено, что с увеличением общего расхода эффективность работы подъёмных труб повышается.
За всем этим стоят два фактора: влияние температуры на вязкостные характеристики восходящего потока и увеличение подвижности системы при повышенных скоростях движения т.к. структурная вязкость является функцией скорости (при повышении скорости происходит большее разрушение структуры). Всё отмеченное выше, позволило автору совместно с участниками экспериментов предложить путь повышения к.п.д. работы подъёмника при транспорте нефти от забоя до устья скважины, на том участке, где искусственное подведение энергии затруднительно.
Влияние термодинамических условий в стволах скважин и в призабойных зонах на процесс фонтанирования скважин
Процессы, рассмотренные в предыдущем разделе, функционально связаны с условиями фонтанирования добывающих скважин - возможностью влиять на лифтирование нефти и период фонтанной добычи нефти.
Подъём нефти - одна из основных затратных статей при эксплуатации нефтяного месторождения.
При вводе месторождения в разработку, обычно стремятся продлить фонтанный период эксплуатации и отодвинуть сроки механизированной добычи, которая требует значительно больших затрат на организацию подъёма нефти на поверхность.
Условия и сроки фонтанирования скважин определяются: - фильтрационной характеристикой коллектора, - режимом отбора нефти из пласта, - термогидродинамической характеристикой работы фонтанного лифта.
На основании прямых экспериментальных промысловых исследований и расчётов, автором построены [!$$], $ц] рабочие характеристики 21/2" лифтов для условий месторождения Узень (для XIII, XIV, XV, XVI и XVII горизонтов), рис.
Условия режима работы и фонтанирования определяются пересечением (или касанием) индикаторной кривой {характеристика пласта) с )золинией (характеристика лифта) для определённого давления на буфере - рбуф.
Если индикаторная кривая не пересекается с характеристикой лифта и находится ниже изолинии, то процесс фонтанирования не может практически служить способом эксплуатации. Это имеет место в случаях низких начальных (или снижающихся при эксплуатации) коэффициентов продуктивности, и низких начальных (или падающих) пластовых давлений. Индикаторная кривая в этом случае смещается параллельно вниз и выходит из условия пересечения или касания с характеристикой лифта.
Эти два процесса могут совмещаться. Тогда период фонтанирования ещё более сокращается, так как происходит перемещение индикаторной кривой вниз с вращением по часовой стрелке (уменьшается угол наклона).
Всё отмеченное, как показали наблюдения и системные исследования, имело место на месторождении Узень, где поддержание пластового давления задерживалось из-за ряда технических причин и отмечалось снижение коэффициентов продуктивности на скважинах Щ, ff ].
Термодинамический режим в стволах скважины и в призабойных зонах влияет на условия и продолжительность фонтанирования через: - изменение теплового режима в стволе (меняется характеристика работы фонтанного лифта: при охлаждении потока характеристика смещается вверх, при повышении температуры - вниз, что ведёт к ухудшению (в первом случае) и к улучшению условий фонтанирования (во втором случае); - нарушение термодинамического равновесия в коллекторе в процессе эксплуатации, ведущее к выделению смолисто-парафинистых компонентов, закупорке пор, увеличению вязкости и проявлению структурно-механических свойств, обуславливающих снижение коэффициентов продуктивности скважин, см. табл. Ч I (месторождение Узень).
