Роль и значение термических методов воздействия

Термические методы — это наиболее активное воздействие на нефтяной пласт, сопровождающееся разнообразными фазовыми переходами, изменениями, новообразованиями и т. п., предвидеть которые и управлять которыми в конкретных геологических условиях — одна из главных задач, стоящих перед широким развитием термических методов добычи нефти.

Термические методы повышения нефтеотдачи пластов не имеют в настоящее время альтернативы при разработке нефтяных месторождений, содержащих высоковязкую нефть, и являются приоритетными среди других методов. Доведение нефтеотдачи пластов до 50—60% равноценно удвоению промышленных запасов нефти. Поэтому нефтяные месторождения высоковязких тяжелых нефтей представляют собой неиспользованные энергетические ресурсы.

Запасы высоковязких нефтей и битумов оцениваются в мировом масштабе гораздо выше, чем запасы легких нефтей, но добыча этих нефтей сегодня составляет малую часть от огромной мировой добычи, а величиной добычи битума вообще можно пренебречь.

Созданные технологии термического воздействия на нефтесодержащие пласты могут осуществляться на месторождениях с широким диапазоном геолого-физических параметров. Например, вязкость пластовой нефти может изменяться от 2 до 10 тыс. мПа - с, нефтенасыщенная толщина — от 4 до 60 м, остаточная нефтенасыщенность — от 0,32 до 0,8. Применение термических методов возможно и в сильно обводненных пластах.

Наиболее эффективно работы по термическим методам воздействия осуществляются на крупномасштабных объектах (Каражанбас, Кенкияк, Усинское, Гремихинское). Об этом свидетельствует и зарубежный опыт. Например, в США более половины действующих проектов реализуются на трех крупнейших месторождениях тяжелой нефти, расположенных в Калифорнии: Керн-Ривер, Белридж и Медуэй-Сансет с запасами: 630, 225 и 960 млн. т соответственно. На этих месторождениях термическими методами добывается более 20 млн. т нефти в год, что составляет 82% суммарной годовой добычи нефти в стране за счет термических методов, а темп годового отбора составляет 1,3; 4,3 и 0,9% запасов соответственно.

При термическом воздействии в пласте происходят сложные физико-химические процессы, знание которых позволит более рационально подходить к решению многих вопросов, связанных с разработкой месторождений с вязкими нефтями. Важность и актуальность этих работ не вызывает сомнений, поэтому исследования в данном направлении, совершенствование существующих технологий теплового воздействия, способы контроля и регулирования тепловых процессов, происходящих в различных геолого-физических условиях, технические средства для осуществления воздействия, наземное и внутрискважинное оборудование будут и должны постоянно совершенствоваться.

Тепловые методы воздействия являются и будут в обозримом будущем одними из важнейших методов разработки нефтяных месторождений с высоковязкими нефтями как самостоятельно, так и в сочетании с другими способами активного воздействия на пласт. Развитие и совершенствование тепловых процессов воздействия на нефтяной пласт связано со сложностью и многообразием технических и технологических задач, которые должны решаться с привлечением многих отраслей промышленности, научно-исследовательских и конструкторских организаций. Область применения активного теплового воздействия при разработке нефтяных месторождений достаточно широка и тем самым предопределяет его высокую экономическую эффективность.

Применение теплового воздействия позволяет не только повысить эффективность разработки месторождений, но и включить в активную разработку многие залежи высоковязких нефтей, находящихся ныне в консервации.

Пути совершенствования тепловых методов

В неблагоприятных геологических условиях (сильная неоднородность коллектора и большая глубина залегания пластов) преимущества применения тепловых методов для разработки залежей высоковязких нефтей снижаются.

Негативное влияние неоднородности пласта усугубляется при тепловых методах воздействия плохим соотношением подвижностей закачиваемых и вытесняемых флюидов. Одним из плодотворных путей совершенствования методов теплового воздействия является создание комбинированных технологий, основанных на сочетании тепловых и физико-химических методов, например, тепловых оторочек и различных загустителей (полимеров, щелочей, пенных систем ит. п.). Перспективной является разработка системы технологических операций, обеспечивающих избирательное внедрение агентов, улучшающих процесс вытеснения нефти, то есть «самонастраивающейся» технологической системы .

Применение тепловых методов в залежах высоковязких нефтей на глубинах более 1000 м связано с большими технологическими и техническими трудностями. Преодоление этих трудностей, связанных с применением тепловых методов на больших глубинах, возможно при интеграции технологий закачки в пласт теплоносителей и влажного горения. К перспективным комбинированным методам следует отнести предложения, предусматривающие закачку в пласт горячей воды умеренной температуры совместно с воздухом. Такая технология обладает определенными преимуществами.

Закачка горячей воды обеспечивает рост пластовой температуры до 90—100°С и выше, что создает надежные условия для практически полной утилизации закачиваемого в пласт кислорода.

При нагнетании воздуха в прогреваемые горячей водой участки пласта развиваются интенсивные окислительные процессы, обеспечивающие переход закачиваемой в пласт горячей воды в пар.

Параметры закачиваемого в пласт теплоносителя (горячей воды), в частности его температуры, могут быть существенно снижены по сравнению с паром, что значительно облегчает создание надежной и экономичной конструкции нагнетательной скважины, а также мобильного и недорогого забойного генератора тепла.

Закачка горячей воды создает предпосылку для сокращения объемов закачиваемого в пласт воздуха, что улучшает условия для решения проблем подъема жидкостей.

Таким образом, комбинированный метод теплового воздействия на пласт обладает всеми преимуществами методов нагнетания пара и влажного горения.

Расчеты показывают, что комбинированный метод теплового воздействия характеризуется высоким водовоздушным отношением, присущим процессу сверхвлажного горения.

С увеличением водовоздушного отношения уменьшаются затраты воздуха на добычу нефти, что связано с сокращением объемов добываемых газов и улучшением условий эксплуатации добывающих скважин.

Кардинальное решение проблем сокращения объемов добываемых газов заключается в закачке в пласт для поддержания внутрипластового горения чистого кислорода или обогащенного кислородом воздуха.

Образующийся при закачке в пласт чистого кислорода углекислый газ является более эффективным для повышения нефтеотдачи пластов, чем при его существенном разбавлении азотом воздуха.

Совершенствование технологии тепловых методов увеличения нефтеотдачи пластов в направлении интеграции методов закачки в пласт теплоносителей и воздуха (окислителя) может привести к значительному расширению области применения теплового воздействия.

Нефтеотдача (нефтеизвлечение)

Коэффициентом нефтеотдачи (нефтеизвлечения) называется отношение объема добытой из пласта нефти к начальным геологическим запасам или разность между начальной и остаточной (конечной) нефтенасыщенностью, отнесенная к начальной, то есть

,

где и — начальная и остаточная нефтенасыщенность пласта;

и — объем добытой нефти и начальные геологические запасы нефти.

Коэффициент нефтеотдачи характеризует степень извлечения нефти из пласта и эффективность метода разработки. Нефтеотдача на любой момент разработки залежи (текущая нефтеотдача) определяется по фактическим данным. Конечная нефтеотдача определяется расчетным путем. Имеет размерность в процентах или долях единицы.

Нефтеотдача при разработке вязких тяжелых нефтей на естественном режиме не превышает 6—15%. Это обусловлено высоким сопротивлением при движении ее по пласту и низкой растворимостью газа в таких нефтях, и следовательно, меньшей энергией для осуществления режима истощения. Вытеснение высоковязких нефтей водой или другими жидкостями и газами приводит к высокому (неблагоприятному) значению отношения подвижностей вытесняющей и вытесняемой фаз, то есть вытесняющая фаза движется быстрее вытесняемой, в результате чего коэффициент вытеснения невысок. Высокое значение отношения подвижностей приводит также к низкому коэффициенту объемного охвата, частично обусловленному возможным языкообразованием, что вызывает ранний прорыв вытесняющей фазы в добывающие скважины.

Содержащиеся в нефти такие компоненты, как парафин, смолы и асфальтены, обладают высокой вязкостью, поверхностной активностью, кристаллизацией и способностью выпадения при температурах 25—30°С и выше, затрудняя добычу нефти. Они способствуют ухудшению фильтрации, что приводит к снижению коэффициента нефтеотдачи. Коэффициент затухания фильтрации тяжелых, смолистых и парафинистых нефтей составляет: при 60°С — 1,1; при 45°С — 2,1; при 30°С — 2,5; при 15°С —5,0. Процесс затухания фильтрации обратим и с повышением температуры уменьшается, а при температуре 60—65°С для большинства нефтей почти исчезает.

Применение тепловых методов воздействия позволяет снизить вязкость нефти и значение отношений подвижностей, что увеличивает коэффициенты вытеснения и охвата и, наряду с другими механизмами, позволяет существенно повысить конечную нефтеотдачу.

Результаты лабораторных исследований по определению конечного коэффициента нефтеотдачи с аналогичными нефтями в аналогичных пластовых условиях для некоторых технологий приведены в таблице 13.

Значения коэффициентов нефтеотдачи для различных методов воздействия на нефтяные пласты

Таблица 13

Основные факторы, влияющие на нефтеотдачу пласта — это геолого-физические параметры пласта и насыщающих его флюидов, а также рациональная разработка месторождения в целом.

Наиболее существенные факторы, влияющие на нефтеотдачу:

— характеристика продуктивной формации: проницаемость, пористость, содержание связанной или погребенной воды, степень однородности и непрерывности, а также структурные особенности пласта;

— свойства нефтей, включая ее вязкость, усадку и количество растворенного газа;

— состояние скважин и их положение на структуре;

— регулирование процессом разработки;

— использование современных методов воздействия на пласт, позволяющих увеличить коэффициенты вытеснения и охвата пласта, и др.

Влияние различных факторов на нефтеотдачу пласта

Самым действенным способом разработки залежей высоковязких нефтей является снижение ее вязкости в пластовых условиях путем ввода в пласт тепла. При закачке в пласт теплоносителя или создании в пласте фронта горения наряду со снижением вязкости нефти и стабилизацией пластового давления происходят и другие сложные процессы, способствующие повышению нефтеотдачи пластов. На рис. 32 показано влияние различных факторов механизма нефтеотдачи при термическом воздействии на пласт на эффективность выработки запасов нефти. Согласно рис. 32 конечная нефтеотдача пластов, содержащих высоковязкие нефти, при термическом воздействии может достигнуть величины в 70%. Подобная эффективность недоступна ни одному из известных новых методов повышения нефтеотдачи пластов при разработке залежей высоковязких нефтей.

Режим истощения (режим растворенного газа) — режим работы нефтяной залежи, при котором продвижение нефти к забоям добывающих скважин происходит преимущественно за счет расходования внутренней энергии залежи — энергии газа, растворенного в нефти.

В залежах высоковязких и тяжелых нефтей объем растворенного газа незначителен, а поэтому режим истощения этих залежей малоэффективен, и конечная нефтеотдача не превышает 7%.

Термическое расширение — увеличение объемов пластовых флюидов при термическом воздействии на нефтяной пласт, сопровождающееся повышением производительности скважин и увеличением нефтеотдачи.

При фильтрации теплоносителя по трещинам и другим высокопроницаемым зонам пористые блоки нагреваются, и нефть из них поступает в трещины в неизотермических условиях, когда температура пласта непрерывно возрастает. С увеличением температуры уменьшается вязкость нефти и растворенного газа, изменяются фазовые проницаемости. Процесс нефтеизвлечения происходит в две стадии, различающиеся термодинамическим состоянием пластовых флюидов, механизмов нефтеотдачи и эффективностью: первая реализуется при пластовом давлении выше упругости паров нефти и воды , вторая — при . В первом случае нефть извлекается в результате упругого и термического расширения и режима растворенного газа при различных температурах, во втором — основным механизмом нефтеизвлечения является испарение пластовых флюидов. Установлено, что прирост нефтеотдачи вследствие термического расширения дегазированной нефти (при повышении температуры на 100—120°С) может достигать 8%.

Дистилляция — своеобразный технологический процесс испарения части нефти, остающейся в порах скелета пласта после вытеснения ее внутренним давлением и горячим конденсатом, движущимся впереди фронта паровой зоны.

Дистиллирующаяся часть пластовой нефти составляет ее легкие компоненты, обладающие по сравнению с тяжелыми остатками более высокой упругостью паров. Легкие фракции нефти и нагнетаемый пар переносятся по пласту в менее нагретые участки и конденсируются. По мере расширения температурной зоны пара содержание легких компонентов перед фронтом паровой зоны будет увеличиваться и образовывать оторочку, являющуюся хорошим растворителем.

Нагнетаемый в пласт пар движется в результате неизбежного теплообмена в виде парокон-денсатной смеси и воздействует на пласт газом (паром), горячей водой и растворителями. Легкие углеводороды в результате конвективного массообмена перемешиваются с нефтью, снижают ее вязкость и способствуют дальнейшему вытеснению пластовой нефти горячим конденсатом. Доля прироста нефтеотдачи в результате действия этих факторов может достигать 9% от общего количества дополнительно добытой нефти.

Газовый напор — снижение давления в залежи ниже давления насыщения — способствует выделению из пластовой жидкости растворенного в ней газа, его расширению и вытеснению равноценного объема нефти по направлению к добывающим скважинам. Но коэффициент полезного действия газа при этом очень низок. По мере дальнейшего падения давления все большее количество газа вхолостую проскальзывает к скважинам в связи с вязкостной неустойчивостью. При этом в залежи возникают условия двух- и трехфазного движения, противодействующие извлечению нефти из залежи. Напор газовой шапки при наличии ее в залежи по своему действию в начале эксплуатации подобен напору контурных вод и тоже не может оказать существенного влияния на вытеснение высоковязкой нефти. Влияние газового напора может дать прирост не более 7%.

Гравитация — сила тяжести жидкости, в той или иной мере влияющая на продвижение нефти к забоям скважин. Действие силы тяжести проявляется тем сильнее, чем более круто расположен пласт, чем больше его толщина, чем больше его плотность и чем больше гидростатистический напор ее.

Гравитационное дренирование оказывает существенное влияние на нефгеизвлечение в энергетически истощенных залежах при низких пластовых давлениях и значительной толщине разрабатываемого объекта, особенно при шахтной разработке месторождения с паротепловым воздействием. Основными условиями эффективного проявления являются равномерный прогрев пласта и циклический режим воздействия для стимулирования притока нефти из пористой среды в трещины.

Для оценки динамики добычи нефти за счет гравитации проведен расчет притока нефти к вертикальной трещине при начальной пластовой температуре и тепловом воздействии на пласт.

Динамика добычи нефти с площади м² за счет гравитации с учетом изменения вязкости нефти при прогреве пласта показана на рис. 33. Для сравнения показана динамика добычи при начальной температуре пласта, то есть без теплового воздействия. Максимальная добыча нефти наблюдается спустя 0,5 года после начала нагнетания пара. Одновременно вводимые участки разрабатываются около 3 лет. Максимальный уровень добычи нефти при закачке пара в 4 раза больше, чем при разработке на режиме истощения.

Основными условиями эффективного проявления гравитации являются равномерный прогрев пласта и циклический режим воздействия для стимулирования притока нефти из пористой среды в трещины.