ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Условные обозначения и сокращения........................................4
Введение................................................................6
Глава 1. Обзор состояния методов воздействия и технических средств
при освоении нефтяных и битумных месторождений......................... 10
1.1. Интенсификация добычи нефти за счет воздействия на продуктивный пласт и призабойную зону.............................. 11
1.2. Особенности применения горизонтальных скважин при
разработке нефтяных месторождений.....................................17
1.3. Механизм паротеплового воздействия на продуктивный пласт 30
1.4. Воздействие волнового поля на насыщенную пористую среду..........36
1.5. Технические средства генерации колебаний давления................48
1.5.1. Описание устройств на основе генерации колебаний давления.....49
1.5.2. Излучатель для генерации в потоке несжимаемой жидкости колебаний
давления высокой частоты..............................................56
Выводы................................................................58
Глава 2. Анализ факторов, определяющих режим волнового воздействия 60
2.1. Теоретическое исследование и разработка математической модели процесса распространения упругих волн в скважине.................. 61
2.2. Описание экспериментальной установки.............................77
2.3. Методика и программа проведения эксперимента.....................80
2.4. Экспериментальное исследование и сопоставление результатов
с данными теоретического исследовании...................................84
Выводы................................................................94
Глава 3. Исследование процесса интегрированного воздействия на
продуктивный пласт в условиях горизонтальных скважин....................95
3.1. Исследование механизма тепловолнового воздействия на продуктивный пласт....................................................96
3.2. Модель процесса тепловолнового воздействия на продуктивный
пласт при применении горизонтальной скважины.........................104
3.3. Определение оптимальной протяженности горизонтального
участка скважины....................................................113
Выводы..............................................................120
Глава 4. Выбор режима тепловолнового воздействия в условиях горизонтальных скважин...............................................121
4.1. Алгоритм расчета технологических параметров....................122
4.2. Сравнение теплового и тепловолнового воздействия применительно к Мордово-Кармальскому месторождению..................124
4.3. Рекомендации но обеспечению максимального эффекта тепловолнового эффекта на пласт.....................................130
Выводы...............................................................131
Заключение...........................................................132
Библиографический список.............................................135
3
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
сп - скорость звука в породе , м/с; с1 -диаметр перфорационного отверстия, м;
О- внутренний диаметр обсадной колонны,м;
щ - число перфорационных отверстий на единицу длины обсадной колонны; 1()- длина перфорационного отверстия, м;
/о - частота собственных колебаний столба жидкости в обсадной колонне, Гц; Q - добротность акустической системы; q - дебит скважины. м3/с; к - проницаемость пласта, мкм2;
РК - давление на контуре питания, Па;
Рс - давление на стенке скважины, Па;
/.I - коэффициент динамической вязкости нефти, Па-с;
Як - радиус контура питания, м;
/ - длина скважины в продуктивном пласте, м;
И - мощность (толщина по вертикали) пласта, м; гс - радиус скважины, м; т - порист ость;
Сж, Сп - теплоемкость пластовой жидкости и породы, кДж/(кг*К); а - эмпирическая постоянная;
5 ^т\п . максимальное и минимальное значения диаметра пор в пласте,
м;
- теплопроводность пласта, Вт/(м К); ц - погонная приемистость пласта, 0,022кг/(с-м); л: - сухость пара; гс - радиус скважины, м; а - коэффициент затухания, м*1;
Рс- площадь поверхности горизонтальной скважины, м;
4
Арс - амплитуда колебаний давления, Па; м’і - і-тая частота (гармоника) колебаний, Г'ц;
с - скорость распространения продольных колебаний в пласте, м/с; Я, Якр, Яп - волновое сопротивление пласта, кровли и соответственно, кг / (м • с);
р, Ркр, рп - плотность пласта, кровли и подошвы, кг / м';
ГС - горизонтальная скважина;
МГС - многозабойная горизонтальная скважина;
ПБ - природный битум;
МУН - метод увеличения нефтеотдачи;
ПТВ - паротепловое воздействие.
подошвы
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Длительная и интенсивная разработка месторождений привела к постепенному истощению активных запасов углеводородов, что послужило причиной начавшегося с конца 70-х гг. падения добычи нефти. Возникла также необходимость в новых технологиях, которые позволили бы снизить обводненность скважин и интенсифицировать разработку нефтяных пластов, в том числе - малопроницаемых и истощенных.
В представленной работе предложен метод и нтегриро ванного
тепловолнового воздействия на продуктивный пласт, предназначенный для применения совместно с горизонтальными скважинами, с целью интенсификации процесса добычи нефти и повышения полноты извлечения ее из недр, особенно -высоковязкой нефти (ВВН) и природных битумов (ПБ). Применение метода интегрированного воздействия обусловлено также необходимостью кардинального снижения энергетических затрат и интенсификации процессов тепломассобмена в пласте, в итоге - обеспечения рентабельности процесса добычи углеводородов.
Основоположником применения горизонтальных скважин (ГС) при разработке нефтяных месторождений является Ренни Л. (Renney L.). Среди отечественных специалистов пионером признан Григорян А.М. Вопросами использования тепловых и волновых методов воздействия занимались многие ученые нашей страны: Вахитов Г.Г., Сургучев М.Л., Кузнецов О.Л., Ангониади Д.Г., Дыбленко В.П. и другие. В настоящее время активное участие в развитии этих технологий принимают следующие организации: ОАО «Татнефть», ОАО «Сургутнефтегаз», «ВНИИнефть», Министерство экологии и природных ресурсов Республики Татарстан, Shell (США), «Elf Aquitaine» (Франция), «Otix Energy» (США) и т.д.
6
Тепловолновое воздействие на продуктивный пласт представляет собой современный подход к решению задач повышения энергетических и экономических показателей. Оптимальный вариант подобного воздействия на пласт - применение его в сочетании с горизонтальными скважинами.
Цель диссертационной работы. Увеличение дебита скважин и повышение полноты извлечения углеводородов из недр за счет интенсификации процессов тепломассообмена, фильтрации флюидов в пласте и увеличения охвата его. Направление исследований.
- исследование механизма тепловолнового воздействия на процессы в продуктивном пласте в условиях горизонтальных скважин;
- математическое моделирование процесса переноса энергии упругих воли в системе «пласт-скважина»;
- разработка и создание экспериментального стенда;
- экспериментальное исследование процесса распространения энергии упругих волн в скважине, являющейся источником тепловой энергии;
- исследование тепловолнового воздействия на продуктивный пласт и выбор параметров горизонтальной скважины;
- разработка алгоритма выбора технологических параметров и рекомендаций по обеспечению максимального эффекта тепловолнового воздействия на продуктивный пласт в условиях горизонтальных скважин.
Достоверность и обоснованность результатов.
Решение задач базируется на фундаментальных основах теплообмена, гидродинамики, теории колебаний и математического моделирования. Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью разработанных математических моделей и адекватностью их реальным процессам; подтверждается качественным совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, а также малой погрешностью измерений.
В первой главе дан обзор основных работ в области теоретических и экспериментальных исследований методов воздействия и технических средств
при освоении нефтяных и битумных месторождений, в том числе, и в условиях горизонтальных скважин.
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию амплитудно-частотных характеристик потока теплоносителя в перфорированной обсадной колонне скважины. Сформулированы задачи экспериментального исследования. Дано описание экспериментального стенда для исследования процесса переноса энергии упругих волн в скважине, методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных.
В третьей главе диссертации представлено исследование интегрированного тепловолнового воздействия на пласт. Предложена модель процесса воздействия на пласт управляемыми волновыми и тепловыми полями, что позволяет максимально повысить нефтеотдачу пластов, а также интенсифицировать процесс добычи углеводородного сырья.
В четвертой главе представлен разработанный алгоритм расчета технологических параметров, позволяющий оценить эффективность интегрированного тепловолнового воздействия на продуктивный пласт. Предлагаются рекомендации по обеспечению максимального эффекта тепловолнового воздействия на продуктивный пласт.
На защиту выносятся:
1. Модель механизма тепловолнового воздействия на продуктивный пласт в условиях горизонтальной скважины.
2. Математическая модель процесса переноса энергии упругих волн в скважине.
3. Физическая модель перфорированной обсадной колонны скважины.
4. Результаты экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик потока теплоносителя на участке перфорированной обсадной колонны скважины.
5. Модель процесса тепловолного воздействия на продуктивный пласт в условиях горизонтальной скважины.
6. Метод определения оптимальной протяженности горизонтального участка скважины при тепловолновом воздействии на пласт.
7. Алгоритм расчета технологических параметров и рекомендации по обеспечению максимального эффекта тепловолнового воздействия на продуктивный пласт в условиях горизонтальных скважин.
Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, в том числе в центральных изданиях и в трудах международных и всероссийских симпозиумов и конференций.
Личный вклад автора в работу.
Основные результаты диссертации получены автором под руководством д.т.н. Кравцова Я.И. Диссертантом разработана методика и экспериментальный стенд для исследования частотных характеристик обсадной колонны скважины. Им установлен механизм и разработана математическая модель процесса переноса энергии упругих волн в скважине, методика установления оптимальной длины горизонтальной скважины, а также определения оптимального режима тепловолнового воздействия на продуктивный пласт при разработке месторождений с помощью горизонтальных скважин. Диссертантом разработаны алгоритм выбора технологических параметров и рекомендации по обеспечению максимального эффекта тепловолнового воздействия на пласт.
Работа выполнена в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№ 06-08-01398-а, № 03-02-17279; № 04-02-08096 «офи-а), фантов Президента Российской Федерации для ведущих научных школ (НШ РИ -112/001/222; ВНШ- 8574.2006.8), а также ФАНИ (гос. контр. № 02.515.11.5069).
9
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ ПРИ ОСВОЕНИИ НЕФТЯНЫХ И БИТУМНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.
Необходимость в применении методов увеличения нефтеотдачи (МУН) и интенсификации добычи нефти обусловлена, прежде всего, тем, что после заводнения более половины запасов нефти остается в пласте. В связи с этим начали разрабатываться «вторичные» и «третичные» методы увеличения нефтеоотдачи пластов, совместимые с заводнением.
В 70-х и 80-х годах методы увеличения нефтеотдачи применялись в основном на высокопродуктивных участках в условиях начального и частичного заводнения продуктивных пластов и были направлены на увеличение коэффициента вытеснения и охвата пластов заводнением путем создания в пласте оторочек растворов химических реагентов, улучшающих вытесняющие способности или вязкость воды.
К началу 90-х годов условия разработки нефтяных месторождений существенно изменились. Основные высокопродуктивные пласты оказались значительно выработанными. При этом вода прошла по всей толщине пласта, и значительные прослои остались практически мало выработанными. Только гидродинамическими методами доизвлечь нефть из таких зон не удается.
Современное состояние в области методов воздействия на продуктивный пласт обусловлен новым качеством располагаемых запасов нефти и, прежде всего тем, что превалирующая доля их - трудноизвлекаемые запасы. И если ранее стояли задачи более эффективного освоения месторождений на ранних этапах, то в настоящее время возникла необходимость повышения эффективности их разработки на поздних стадиях.
ю
1.1 Интенсификация добычи нефти за счет воздействия на продуктивный пласт и призабойную зону.
Для стабилизации добычи нефти возникла необходимость снизить обводненность скважин и интенсифицировать разработку малопроницаемых пластов и залежей нефти и карбонатных коллекторов. Только широкомасштабное внедрение новых методов, существенно повышающих эффективность заводнения, позволит стабилизировать и даже наращивать добычу нефти.
Разработка продуктивных нефтяных пластов в условиях заводнения -сложнейший технологический процесс, протекающий при изменяющихся во времени, условиях и неподдающийся непосредственному наблюдению.
Рациональное использование закачиваемых в пласт и пластовых вод, применяемых в качестве основных энергоносителей при заводнении пластов, является одним из главных условий эффективной разработки месторождений и обеспечения высоких значений конечной нефтеотдачи [1, 30, 52, 111].
Методы увеличения нефтеотдачи (МУН) пластов и интенсификации добычи нефти можно представить следующим образом [88, 110]: тепловые, газовые, химические, физические и гидродинамические методы.
Отдельной категорией МУН идут комбинированные методы, представляющие собой совмещение нескольких методов воздействия.
Тепловые:
внутрипластовое горение;
вытеснение нефти горячей водой;
паротепловое воздействие на пласт;
пароциклические обработки скважин;
ТГХВ (термогазохимическое воздействие);
ТГХВ на кислоте.
Газовые:
закачка углеводородных газов;
закачка двуокиси углерода;
закачка азота, дымовых газов;
п
закачка воздуха; водогазовое воздействие; закачка газа высокого давления.
Химические:
вытеснение водными растворами 11АВ (включая пенные системы); полимерные растворы и другие загущающие агенты;
вытеснение нефти щелочными растворами (тринатрийфосфата, дистилляриая жидкость и пр.);
кислотное воздействие; закачка намагниченной воды;
обработка призабойных зон пласта растворителями;
вытеснение нефти композициями химических реагентов (мицеллярные растворы и пр.);
микробиологическое воздействие; системная технология.
Физические:
электромагнитное воздействие;
волновое воздействие (акустическое, ультразвуковое и пр.);
вибрационные методы;
гидроразрыв пласта;
бурение горизонтальных скважин.
Г йдроди намнчеекке:
изменение схем закачки и отбора (перенос фронта нагнетания, изменение направления фильтрационных потоков, очаговое заводнение, барьерное заводнение на газо-нефгеносных скважинах, усиление системы заводнения, уплотнение сетки и пр.);
изменение режимов работы скважин (перераспределение закачки и отбора жидкости по скважинам, повышение давления нагнетания, ограничение закачки воды, форсированный отбор жидкости, циклическое воздействие и пр.).
12
- Київ+380960830922