СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................................5
1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО (ВЧ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО (ЭМ) ПОЛЯ НА НАСЫЩЕННЫЕ ПОРИСТЫЕ СРЕДЫ.....................................................11
1.1. Воздействие ВЧ ЭМ полей на многокомпонентные системы..........11
1.1Л. Взаимосвязь потоков, полей и источников......................11
1Л.2. Физическая сущность взаимодействия электромагнитного поля со средами............................................................17
1.2. Физические модели и лабораторные исследования ЭМ воздействия на среды..............................................................23
1.2.1. Результаты экспериментальных исследований по ЭМ воздействию на среды..............................................................24
1.2.2. Лабораторные исследования по закачке растворителя,
комбинированной с ВЧ ЭМ нагревом...................................34
1.3. Технологии ЭМ воздействия на залежи высоковязких нефтей и битумов, результаты промысловых испытаний...................................37
1.3.1. Способы извлечения нефти и битума из залежей с применением ЭМ воздействия........................................................38
1.3.2. Отечественный промысловый опыт..............................41
1.3.3. Промысловые работы по извлечению высоковязких нефтей и битумов
за рубежом.........................................................50
1.4. Теоретические исследования ЭМ воздействия на нефтяные пласты 53
1.4.1. Аналитические решения задач о ЭМ воздействии на нефтенасыщенные среды..............................................................55
1.4.2. Численные исследования технологических процессов в нефтедобыче при воздействии ЭМ нолем...........................................56
2
1.4.3. Численные исследования процесса закачки растворителя в нагнетательную скважину с одновременным ЭМ воздействием...........61
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАКАЧКИ РАСТВОРИТЕЛЯ В ДОБЫВАЮЩУЮ СКВАЖИНУ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ........................63
2.1. Способ ВЧ ЭМ воздействия на продуктивный пласт, комбинированный с одновременной закачкой растворителя в добывающую скважину.........64
2.2. Постановка задачи о комбинированном воздействии на пласт.....66
2.3. Потери энергии в линии передачи электромагнитных волн, обоснование граничных условий.............................................:...69
2.4. Численное решение задачи, анализ результатов.................72
2.5. Сопоставительные расчеты комбинированного воздействия на пласт с другими способами воздействия.....................................82
2.5.1. ВЧ ЭМ нагрев пласта с одновременным отбором нефти..........82
2.5.2. «Холодное» вытеснение нефти растворителем..................83
2.5.3. Результаты сопоставительных расчетных исследований.........85
2.5.4. Расчет энергетического баланса.............................92
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЕ ПРИ НАГНЕТАНИИ СМЕШИВАЮЩЕГОСЯ АГЕНТА С ОДНОВРЕМЕННЫ М ЭЛЕКТРОМАГНИТНБ1М
ВОЗДЕЙСТВИЕМ......................................................96
3.1. Закачка растворителя в пласт с одновременным ВЧ ЭМ воздействием ..96
3.1.1. Постановка задачи и основные уравнения.....................96
3.1.2. Анализ результатов расчетов...............................101
3.1.3. Оценка потерь тепла в окружающие среды....................111
3.2. Комбинированный метод воздействия с циклической работой генератора
ЭМ волн.........................................................115
3.2.1. Краевые условия для последовательной реализации этапов воздействия 115
3.2.2. Обсуждение результатов моделирования....................117
3.3. Оптимизация комбинированного воздействия на залежь высоковязкой
нефти..........................................................128
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...................................136
ЛИТЕРАТУРА.....................................................138
4
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени доля трудноизвлекаемых запасов нефти (месторождения с тяжелыми высоковязкими нефтями, с низкопроницаемыми терригенными и карбонатными коллекторами и т.п.) уже превысила половину извлекаемых запасов. Из всех методов искусственного воздействия для повышения нефтеотдачи таких залежей наиболее эффективными остаются термические методы воздействия на пласт. Они позволяют добывать нефть вязкостью до 10 Пах. Применение тепловых методов обеспечивает кратное увеличение извлекаемых запасов месторождений тяжелых нефтей и темпов их разработки. К этим методам относятся паро- и парогазоциклические обработки призабойной зоны пласта, паротепловое вытеснение нефти из пласта, внутрипластовое горение, их комбинации с физико-химическими методами и т.д. Однако все перечисленные методы имеют ограничения по вязкости пластовой жидкости, приемистости скважин и практически не применимы в случае свсрхвязких нефтей и битумов.
Методом, принципиально отличающимся от традиционных, является использование энергии высокочастотного (ВЧ) электромагнитного (ЭМ) поля. Отличительная особенность ВЧ ЭМ воздействия от других тепловых методов - возникновение в толще залежи объемных источников тепла. Вследствие диэлектрических потерь в среде энергия ЭМ волн преобразуется в тепловую энергию, в результате происходит повышение температуры и уменьшение вязкости жидкости в пласте.
Изучением процессов тспломассопсреноса в различных средах при воздействии ЭМ полей занимались многие ученые, такие как: Айрапетян М.А., Ахметов А.Т., Галимбеков А.Д., Дыбленко В.П., Зыонг Нгок Хай, Кислицын A.A., Ковалева JT.A., Макогон Ю.Ф., Морозов Г.А., Насыров Н.М., Нигматулин Р.И., Саяхов Ф.Л., Симкин Э.М., Фагыхов М.А., Хабибуллин И.Л., Abernethy E.R., Chakma A., Hiebert A.D., Islam M.R., Kasevicli R.S.,
5
Ovalles C., Sahni A., Spencer H., Wadadar S.S. и другие. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования свидетельствуют о том, что при излучении ВЧ ЭМ поля значительно интенсифицируется процессы тепло- и массопсреноса в многокомпонентной углеводородной системе. Были получены положительные результаты и опытно-промысловых испытаний в США, Канаде, Венесуэле, а также в нашей стране под руководством профессора Саяхова Ф.Л.
В качестве одного из вариантов повышения эффективности метода извлечения высоковязких нефтей с применением ЭМ воздействия предложено сочетание его со смешивающимся вытеснением, которое предполагает комбинированное воздействие на пласт ВЧ ЭМ поля и закачку в пласт растворителя. При этом в связи с конечной электропроводностью труб скважин, передающих ЭМ энергию на забой, они нагреваются, и растворитель попадает в пласт уже в нагретом состоянии, причем температура нагрева зависит от мощности и частоты генератора ЭМ волн, забойного давления и электрофизических свойств нефтенасыщенного коллектора.
Предложенный способ воздействия на продуктивный пласт посредством нагнетательной скважины имеет ряд недостатков, которые сдерживают его применение в случае сверхвязких нефтей и битумов. При реальных расстояниях (около 100 м) области воздействия ЭМ полем между нагнетательными и добывающими скважинами не перекрываются, поэтому образуются застойные зоны без фильтрационного течения и переноса тепла. Имеет место неэффективное использование выделяемой энергии, отсюда высокая энергетическая затратность и невысокая эффективность метода.
В настоящей работе предлагается осуществлять ЭМ воздействие на продуктивный пласт, комбинированное с одновременной закачкой растворителя посредством добывающей скважины. Для реализации метода
6
возникает необходимость предварительной оценки количества закачиваемого растворителя, длительности комбинированного воздействия и эффективного отбора жидкости, теплонотерь в окружающие продуктивный пласт и скважину породы, предупреждения возможных проблем при реализации и ряд других задач.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью изучения процессов тепломассопереноса при ВЧ ЭМ воздействии, комбинированном с закачкой растворителя, на продуктивный пласт посредством добывающей скважины и оценки эффективности этого воздействия при добыче высоковязких и сверхвязких нефтей.
Цели работы. Теоретические исследования особенностей процессов тепло- и массопереноса при смешивающемся вытеснении углеводородной системы в многослойной пористой среде под действием ВЧ ЭМ поля.
Основные задачи.
1. Математическое моделирование закачки растворителя в добывающую скважину при одновременном электромагнитном воздействии.
2. Исследование процессов тепломассопереноса в многослойной среде при нагнетании смешивающегося агента с одновременным электромагнитным воздействием путем численной реализации математической модели.
3. Изучение влияния перекрестных эффектов тепломассопереноса, возникающих при движении многокомпонентной системы в пористой среде под действием ЭМ поля, на процесс конвективно-диффузионного переноса массы.
4. Исследование влияния объемных источников тепла в пористой среде и тепла, выделяемого в стенках труб при распространении по ним ЭМ волн,
7
на технологические процессы в системе «добывающая скважина -продуктивный пласт-окружающие породы».
5. Оценка энергетической эффективности использования мощного ВЧ ЭМ излучения в сочетании с закачкой растворителя на месторождениях высоковязких нефтей с целью интенсификации добычи нефти.
Новизна данной работы заключается в том, что в диссертации поставлен и решен ряд задач:
- сформулирована математическая модель нагнетания растворителя в добывающую скважину при одновременном ЭМ воздействии с учетом явлений термодиффузии и электротермодиффузии, проявляющихся в многокомпонентной системе при ее взаимодействии с внешним ВЧ ЭМ полем;
- проведено численное исследование процессов тепломассопереноса в многослойной системе «добывающая скважина - продуктивный пласт — окружающие породы» при нагнетании растворителя с одновременным ЭМ воздействием;
- обоснована схема поэтапного воздействия на залежь высоковязкой нефти с целыо оптимизации метода, минимизации энергетических затрат и выбора оптимального режима разработки с точки зрения технологической и энергетической эффективности при реализации комбинированного воздействия.
Практическое значение работы.
Полученные в работе результаты могут быть использованы для повышения эффективности теплового воздействия на продуктивный пласт с высоковязкой и сверхвязкой пластовой нефтью, в частности, для повышения охвата воздействием, максимального использования выделяемой тепловой энергии, интенсификации добычи нефти и т.д. Разработанные
8
математические модели могут быть использованы при проектировании разработки месторождений тяжелых углеводородов и выбора оптимальных режимов воздействия в каждом конкретном случае.
В работе защищаются следующие положения:
1. Математическая модель закачки растворителя в добывающую скважину при одновременном электромагнитном воздействии в многослойной системе «скважина - продуктивный пласт — окружающие породы» с учетом перекрестных эффектов телломассопереноса, возникающих при движении многокомпонентной системы в пористой среде под действием ЭМ ПОЛЯ.
2. Достижение наибольшего эффекта воздействия ВЧ ЭМ полем, комбинированного с закачкой растворителя, в случае реализации метода посредством добывающей скважины в залежах сверхвязкой нефти и битумов.
3. Методика расчета оптимальной доли заполнения порового пространства растворителем, длительностей этапов воздействия по коэффициенту энергетического баланса на базе математического моделирования.
Диссертационная работа состоит из 3 глав, введения, заключения и списка литературы.
Во введении отражена актуальность задач, рассмотренных в диссертационной работе, научная новизна, сформулирована цель, поставлены задачи исследования и кратко изложена структура работы.
В первой главе выполнен обзор теоретических, экспериментальных, промысловых исследований, посвященных изучению влияния ЭМ поля на нефтенасыщенные пористые среды.
Во второй главе описан предложенный способ ЭМ воздействия на пласт и извлечения высоковязкой нефти посредством добывающей
9
скважины, комбинированный с одновременной закачкой растворителя. Сформулирована система уравнений, описывающая рассматриваемые технологические процессы. Представлены результаты сопоставительных расчетных исследований с другими методами воздействия и оценки эффективности метода по энергетическому балансу.
В третьей главе рассматривается многослойная система «скважина -продуктивный пласт - окружающие породы». Представленная математическая модель позволяет учитывать потери тепла в окружающие скважину и продуктивный пласт породы и провести их оценки. Приводятся результаты многовариантных расчетов по оптимизации комбинированного воздействия на залежь.
В заключении представлены основные результаты, полученные в работе.
10
1.
ОБЗОР
ИССЛЕДОВАНИЙ
ВОЗДЕЙСТВИЯ
ВЫСОКОЧАСТОТНОГО (ВЧ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО (ЭМ) ПОЛЯ НА НАСЫЩЕННЫЕ ПОРИСТЫЕ СРЕДЫ
1.1. Воздействие ВЧ ЭМ нолей на многокомпонентные системы
На практике, как правило, нефтенасыщенные среды представляют собой многокомпонентную, многофазную среду. При воздействии ЭМ полем на эти среды возникают многочисленные перекрестные процессы (эффекты Соре, Дюфура, Пельтье и другие).
1.1.1. Взаимосвязь потоков, полей и источников
1. В работах [16, 35, 73] изучены вопросы тепломассопереноса многокомпонентных поляризующихся и намагничивающихся сред под воздействием ВЧ ЭМ полей. Полагается, что система и ее компоненты не вступают в химические реакции, не имеют свободных электрических зарядов, в целом не электропроводны. Рассматриваются квазимонохроматические поля:
которые представляют собой совокупность монохроматических компонентов со средним значением круговой частоты со (в узком диапазоне частот).
£о(/\/) и Но(/%/) - амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, которые со временем медленно меняются, г - цилиндрическая координата, t - время, / - мнимая единица. Уравнения состояния, которым подчиняется среда, подвергающаяся воздействию, имеют вид:
Е = Ёо(г,Оеш Н = Но(гу1)еш9
О = £0 е(й)9р9Т)Ё,
(1.1.2)
. В = р0м(а>Р>Т)Н.
(1.1.3)
11
Здесь е0 и ц0 - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума, Е и И - векторы напряженностей электрического и магнитного полей.
Относительные комплексные диэлектрическая е и магнитная р проницаемости отдельных компонентов являются функциями плотности р, температуры Т и частоты поля со. Полагая, что для изотропных
монодисперсных сред С и р в целом есть величины аддитивные по компонентному составу, имеем:
е(со,р,Т) = =ЪСкск,
к к
£к=ек(а)ур,Т)-1ек(со.р,Т)> ^ 1 ^
р(оуруТ)= р-^РкНк = ЦСкрк,
к к
рк = ик(й),р,Т)-1рк(со,р,Т),
где с к, д., ек9 ек, р\, р* - диэлектрическая и магнитная проницаемости А:-го компонента, соответственно, их действительные и мнимые составляющие, Ск и рд - массовая концентрация и плотность к-го компонента.
2. В соответствии с эмпирическим законом законом Фика
диффузионный перенос вещества покоящейся многокомпонентной системы описывается уравнением [73]:
1 к ~ ~&к Р%га^к, (1.1.5)
где Ок - коэффициент диффузии \м2/с\.
Для двухкомпонентной системы: jl = -й{р^га^СХ9 у2 = -1)2р^п(1С2. Просуммировав выражения с учетом }'| + }'2 = 0 получим
У, + ./2 = -(Л - 02)р^гаисх = 0. Тогда Ох- 02-0. Следовательно, процесс
12
диффузии в двухкомпонентной системе описывается коэффициентом взаимной диффузии.
Уравнение диффузии для многокомпонентной системы имеет вид: -divpiик =0. С учетом рк = Скр, р = Y.Pk» ZQ = 1, и = ]£>* Ск получим:
<3/ к к к
^^^- + div(pk(uk-u) + рки) = 0. (1.1.6)
Здесь ~i D = рк(йк-и) = Dk р gradC к кондуктивный перенос, который обуславливается отклонением скорости к -го компонента от скорости центра
масс системы; jv- рки = Скри - конвективный перенос. Подставляя в (1.1.6) получим:
^ + div(pDkgradCk) + div{puCk) = 0. (1.1.7)
dt
После преобразования с учетом уравнения неразрывности выражение примет вид:
р = div{ р Dk gradCк ) - и pgradCk. (1.1.8)
dt
При пренебрежении изменением плотности системы Wp = 0 уравнение диффузии примет вид:
8f* = div(DkgradCk ) - йgradC„ . (1.1.9)
at
Представим 2-ое слагаемое в (1.1.7) в виде:
div(pDkgradCк) = pDkdivgradC + {gradCк )2. Как правило, вторым
дСк
слагаемым в правой части пренебрегают. Отсюда, имеем:
^ + ugradCk = Dk V2Ck. (1.1.10)
13
- Київ+380960830922