Введение ВВЕДЕНИЕ Проблема увеличения степени извлечения нефти и газа из недр и...

Введение
ВВЕДЕНИЕ
Проблема увеличения степени извлечения нефти и газа из недр и интенсификации их
добычи является очень актуальной задачей, особенно на сегодняшний день, когда
значительно увеличивается фонд простаивающих эксплуатационных скважин, происходит
коммерциализация научных учреждений нефтяного комплекса и существенно снижается
доля фундаментальных научных исследований вследствие практически полного
прекращения их финансирования.
Для современного периода развития нефтяной промышленности Российской Федерации
характерна неблагоприятная геолого-технологическая структура запасов нефти, в которой
доля традиционных (технологически освоенных) запасов составляет лишь 35%. В то же
время на долю трудноизвлекаемых запасов нефти (низкопроницаемые пласты, остаточные
запасы, глубокопогруженные горизонты, высоковязкие нефти, подгазовые зоны)
приходится 2/3 или 65% /109/. Поэтому все больше возрастает значимость технологий,
способных эффективно вести добычу нефти в осложнённых условиях при использовании
погружных насосных и насосно-эжекторных систем, что и является основной целью
данной работы.
Поставленная цель достигается путем тщательного исследования и обобщения
литературных источников; более точного исследования в области разработок совместных
технологий повышения нефтеотдачи пластов -вибросейсмическое воздействие и добычи
нефти в осложнённых условиях -погружные насосные и насосно-эжекторные системы;
проведения экспериментальных, промысловых испытаний и внедрении данных
технологий в серийное производство.
Осложнения при эксплуатации нефтяных месторождений являются актуальной проблемой
для нефтяников и обусловлены они, как правило, различными факторами эксплуатации
добывающих и нагнетательных скважин. Во-первых, они связаны со сложным физикогеологическим
7
строением залежи месторождений, например с низкой проницаемостью и
неоднородностью коллекторов, низким пластовым давлением, большой глубиной
залегания продуктивных пластов, проявлением капиллярных сил, которые препятствуют
вытеснению нефти из части пор микронеоднородной пористой среды и др. Во-вторых, это
существенное падение, часто полное прекращение отбора нефти из добывающих скважин
или закачки воды в нагнетательные скважины, связанное с накоплением загрязнителей на
основных фильтрационных полях и ухудшением фильтрационных характеристик
призабойных зон скважин в процессе эксплуатации. Сюда же следует отнести сложности
обеспечения закачки воды при переводе скважин из фонда добывающих в нагнетательные
/110/.
В-третьих, это высокая обводнённость добываемой продукции из скважин, часто
обусловленная лишь прорывом воды по высокопроницаемому интервалу пласта или
пропластку, но приводящая к остановке скважин из-за нерентабельности их дальнейшей
эксплуатации /110/, неблагоприятное соотношение подвижностей вытесняющей и
вытесняемой жидкостей /54/.
Наиболее перспективным методом повышения нефтеотдачи пластов на сегодняшний день
являются вибрационные и акустические технологии, способные учитывать эти тенденции.
В зависимости от технологии и применяемых технических средств вибрационные и
акустические методы могут быть предназначены для решения основных задач:
• повышения продуктивности эксплуатационных и нагнетательных скважин, в которых
применение традиционных методов оказывалось технически невозможным или
малоэффективным;
• увеличения нефтегазоотдачи из обводнённых малопродуктивных пластов /54/.
Колебательные технологии повышения продуктивности скважин наиболее популярны
вследствие своей относительной простоты и дешевизны. В их основе лежат различные
способы передачи энергии от скважинных источников колебаний в пласт по скважинной
жидкости. Из-за сильного
8
затухания колебаний в жидкости акустический способ передачи энергии приводит к
затуханию колебаний уже на расстоянии до 1 метра от стенок
^ скважины. Однако этого вполне достаточно для эффективной очистки стенок
скважин и призабойной зоны от кольматирующих веществ. Кроме того, под действием
колебаний устраняется блокирующее влияние остаточных фаз газа, нефти и воды,
инициируется фильтрация флюидов в низкопроницаемых зонах и повышается охват
пласта как по толщине, так и по простиранию. В малопроницаемых пластах при
достижении достаточно больших импульсов давления возможен также и гидроразрыв
пласта /54/.
Для реализации процесса вибросейсмического воздействия по известным технологиям,
необходимо прекращать добычу в воздействующей скважине. Основной задачей
диссертационной работы является совершенствование технологии вибросейсмического
воздействия, путём разработки технологии вибросейсмического воздействия на
нефтегазовый пласт при добыче нефти из возбуждающей скважины, а также воздействие
на призабойную зону нагнетательной скважины с одновременной закачкой рабочей
жидкости в реагирующую скважину. Автором разработаны технические средства и
проведён комплекс стендовых и промысловых исследований для совместных процессов
вибросейсмического воздействия и эксплуатации скважин в осложнённых условиях.
Во многих нефтегазовых районах скважины, оборудованные УЭЦН, работают крайне
неэффективно из-за: тяжёлого вывода на стационарный режим, вредного влияния
свободного газа на работу ЭЦН, нестационарности процесса разработки месторождений и
других факторов. Многие скважины эксплуатируются в периодическом режиме или
вообще находятся в бездействии /11, 12, 47, 48, 125/. Преодолеть эти проблемы, связанные
в первую очередь с тяжёлым освоением скважин и нестационарной эксплуатацией,
позволяет применение погружных насосно-эжекторных
* систем, а в частности, созданная в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина на
кафедре разработки и эксплуатации нефтяных месторождений - насосно9
эжекторная система «Тандем» /62, 70, 71/. В низкопродуктивных скважинах
целесообразно применение беспакерной компоновки гидроструйного насоса /124/.
Автором разработана новая насосно-эжекторная технология добычи нефти и проведены
стендовые исследования характеристик струйного аппарата при откачке газа из
затрубного пространства, струёй газожидкостной смеси. Данная система позволит снизить
отказы ЭЦН вследствие прорывов свободного газа из пласта, снизить кустовые давления в
системе сбора, предотвратить замерзание обратного клапана на устьевой арматуре, в
зимний период эксплуатации, позволит снизить выпадение парафина в зоне
парафинообразования, а также одновременно эксплуатировать скважину и воздействовать
на пласт совместно с вибросейсмическим воздействием.
В результате диссертационных исследований автором были изучены реальные условия
эксплуатации погружных насосно-эжекторных систем в скважинах на примере НГДУ
«Лугинецкнефть», НГДУ «Правдинскнефть», НГДУ «Мамонтовнефть», НГДУ
«Юганскнефть» и НГДУ «Южоренбургнефть» и составлены рекомендации по их
эффективному применению, а также разработана концепция усовершенствования
традиционной схемы системы «Тандем».
Совместное использование технологии вибросейсмического воздействия на нефтегазовый
пласт и технологии эксплуатации скважин в осложнённых условиях позволит продлить
срок разработки месторождения и успешно эксплуатировать нефтяные скважины.
10
1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И v ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЙ
В данной главе дано описание основным процессам, происходящим в прискважинной
зоне пласта и, непосредственно, в пласте при вибросейсмическом воздействии на пласт,
проанализированы существующие системы и способы вибросейсмического воздействия
на пласт, описана технология эксплуатации и вывода на режим нефтяных скважин с
использованием погружных насосно-эжекторных систем «Тандем», проанализированы
результаты промышленного внедрения насосно-эжекторной системы «Тандем» в период с
1993 по 2003 гг. на месторождениях Российской Федерации.
По материалам, собранным в результате анализа литературы и на основании собственных
исследований автора, определены основные задачи, выполнение которых позволит
разработать новые технические и технологические решения реализации процессов
нефтедобычи и нефтеотдачи.
1.1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ
ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ
Технологии вибросейсмического (волнового, вибрационного, ударного, импульсного и
др.) воздействия прошли широкий комплекс исследований ведущими научноисследовательскими институтами России и СНГ (ВНИИГАЗ, ВНИИнефть, Институт
проблем нефти и газа РАН, Ивано-Франковский институт нефти и газа, Российский
Государственный Университет нефти и газа им. И.М. Губкина и др.) и были
апробированы на многих нефтяных месторождениях.
Опыт использования волновых воздействий на продуктивные пласты показывает, что при
оптимальном выборе объектов обработки и применяемых технических средств можно
заметно интенсифицировать фильтрационные
11
процессы в пласте и повысить его нефтеотдачу. При этом положительный эффект
вибросейсмического воздействия проявляется как в одной непосредственно
обрабатываемой скважине, так и в отдельных скважинах, отстоящих от источника
импульсов давления на сотни и более метров, т.е. при волновой обработке пластов
реализуются механизмы локального и дальнего площадного действия. В связи с этим
технологию вибросейсмического воздействия на пласт можно разделить на два
направления: воздействие на призабойную зону скважины скважинными
виброисточниками или поверхностными с передачей энергии на призабойную зону
скважин через волновод и воздействие виброисточниками, передающими
вибросейсмическую энергию на нефтяной пласт с земной поверхности через толщу
вышележащих горных пород. Данную технологию принято называть технологией
объемного вибросейсмического воздействия на пласт /15, 97, 108, 118, 119/.
Таблица 1.1 Известные методы вибросейсмического воздействия на пласт
МЕТОДЫ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ
МЕТОДЫ МЕТОДЫ МЕТОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВНУТРИСКВАЖИННОГО НА ПЛАСТ С ЗЕМНОЙ
ПЗС ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ
ПЛАСТ
СКВАЖИННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИЕ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ
ЗОЛОТНИКОВЫЕ, ВИБРОИСТОЧНИКИ, ГАРМОНИЧЕСКИХ
МАГНИТО- ПЕРЕДАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЙ,
СТРИКЦИОННЫЕ, ЭНЕРГИЮ В ПЛАСТ РАСПОЛАГАЕМЫЕ НА
ПЬЕЗО- ЧЕРЕЗ ВОЛНОВОД ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И
КЕРАМИЧЕСКИЕ, (ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ЭНЕРГИЮ
ВИБРАТОРЫ, МОЛОТЫ, СТАНКИ ЧЕРЕЗ МАССИВ ГОРНОЙ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕ КАЧАЛКИ С ГРУЗОМ И ПОРОДЫ
СКИЕ ВЗРЫВЫ ТГХВ ДР.)
12
По принципу действия виброисточники разделяются на электромеханические,
гидравлические, гидроимпульсные, электрогидравлические, электромагнитные,
магнитострикционные, пьезокерамические, каждый из которых работает в определенном
частотном диапазоне (табл. 1.1).
1.1.1. Основы вибрационного воздействия на нефтегазовый пласт
Одной из причин, определяющих сложность проблемы извлечения нефти, являются
осложненные условия разработки нефтяных месторождений -неоднородность пласта,
низкая проницаемость, глинистость коллекторов, высокая вязкость флюидов и др. /120,
123/.
В ходе разработки нефтегазовых месторождений наблюдается постоянное ухудшение
фильтрационных характеристик призабойных зон, особенно неблагоприятное в
осложненных условиях эксплуатации. Причем естественная проницаемость ухудшается
уже в процессе бурения, цементирования и перфорации скважин. Различные процессы,
происходящие в призабойной зоне, приводят к образованию в порах коллектора
глинистых или структурированных углеводородных кольматантов, стойких высоковязких
водонефтяных эмульсий с выраженными тиксотропными свойствами, поведение которых
резко изменяется под действием ударных или вибрационных воздействий. При закачке
воды через нагнетательные скважины в призабойную зону вносятся механические и
органические частицы, закупоривающие призабойную зону, пресная вода смешивается с
пластовой жидкостью, в результате образуются осадки, происходит набухание глинистых
частиц. В призабойной зоне возникает электрическая поляризация, которая приводит к
аномальному взаимодействию насыщающих флюидов с породой и образованию
структурированных систем /105/.
Во многих нефтяных регионах России существует значительный фонд простаивающих
скважин, освоение или восстановление производительности которых с использованием
традиционных мероприятий затруднительно и не всегда эффективно. В таких случаях, как
показывает опыт, целесообразно
13 применение виброволнового и/или вибросейсмического методов воздействия.
Вибросейсмическое воздействие на призабойную зону нефтяных и нагнетательных
скважин впервые было осуществлено еще в 60-х гг., эффект от вибрации горных пород
был замечен в районах повышенной сейсмической активности. Во время землетрясений
на нефтяных промыслах было замечено снижение обводненности продукции скважин и
увеличение их дебита. Была выдвинута гипотеза, что под влиянием вибросейсмического
воздействия (ВСВ) в продуктивных пластах создаются условия для улучшения
фильтрации нефти. На эту тему опубликованы различные научные работы: /2, 3, 5-7, 9, 10,
13-15, 17-23, 37-41, 49, 50, 52, 54-58, 64-69, 72-88, 92, 95-102, 104-108, ПО, 112-123, 127129/, в которых авторы объясняют этот эффект и предлагают технические и
технологические решения использования метода ВСВ. Однако до настоящего времени
научная основа применения метода в промысловых условиях практически отсутствовала.
В результате теоретических и экспериментальных исследований /38-42, 55, 58, 88, 99, 100,
102, 103, 105, 110, 115, 116, 118, 119, 127, 128/ впервые установлено существование
взаимосвязи между определенными энергетическими параметрами упругих волн и
геолого-физическими свойствами продуктивного пласта, что позволяет прогнозировать
успешность обработок и оптимизировать процесс их проведения в конкретных условиях.
На основе полученных данных созданы принципиально новые технические средства и
технологии повышения продуктивности, реанимации скважин и нефтеотдачи пластов.
Технология вибросейсмического воздействия на нефтегазовый пласт является
ресурсосберегающей с увеличением нефтеотдачи и снижением обводненности пласта в
целом. В определенном амплитудно-частотном диапазоне она является экологически
безвредной и не вызывает каких-либо повреждений элементов конструкций скважины.
14
Высокая эффективность технологии вибросейсмического воздействия достигается за счет
комплексного воздействия на пласт упругими колебаниями в диапазоне частот,
соответствующих пластовым резонансным.
1.1.2. Распределение колебаний в нефтегазовом пласте
Высокоамплитудные пульсации давления, создаваемые на забое скважины с помощью
различных вибрационных источников колебаний давления, приводят к раскрытию старых
и образованию новых микротрещин, разрушению отложений на поверхности
перфорационных каналов. Под действием упругих колебаний в пористой среде
происходит тиксотропное разрушение глинистых включений, разрушение и
дезинтеграция кольматирующего материала, ослабляется связь его с породой, облегчается
перенос частиц потоком жидкости по поровым каналам, уменьшается блокирующее
влияние остаточных фаз - газа, нефти или воды. Кроме того, в пласте инициируются и
интенсифицируются массообменные процессы, усиливается капиллярная пропитка,
вовлекаются в работу целики нефти и пропластки. В результате воздействия улучшаются
фильтрационные свойства призабойной зоны и повышается продуктивность, возрастает
межремонтный период, увеличивается профиль притока (приемистости), что в итоге
приводит к увеличению коэффициента нефтеотдачи пласта /88/.
Под действием упругих колебаний в диапазоне частот, соответствующих явлению
резонанса в пласте, происходит очистка поровых каналов коллектора, устраняется
блокирующее влияние остаточных фаз газа, нефти и воды, инициируется фильтрация
флюидов в низкопроницаемых пропластках и зонах и повышается охват пласта, как по
толщине, так и по простиранию. В результате происходит увеличение фазовой
проницаемости для нефти и снижение ее для воды, уменьшение межфазных натяжений на
границах нефть - вода и увеличение объемной газонасыщенности пластовых флюидов без
их дегазации. Вследствие этого многократно увеличиваются полнота и скорость
напорного, капиллярного и гравитационного вытеснения нефти водой /54/.
15
Согласно существующим представлениям о механизмах вибросейсмического воздействия
на фильтрационные процессы условно можно выделить две группы наблюдаемых
явлений. К первой группе относятся явления, для существования которых необходимо
постоянное волновое воздействие на пористую среду с фильтруемой жидкостью,
поскольку после его прекращения эффект воздействия исчезает либо сразу, либо через
достаточно короткое время, за которое пористая среда и фильтруемая жидкость
возвращаются в исходное состояние. Такие явления обусловлены влиянием волнового
излучения на реологические характеристики сред, изменением структуры течения
жидкости в порах, влиянием на процессы межфазного взаимодействия при многофазной
фильтрации и др. Очевидно, что в этом случае для достижения эффекта в промысловых
условиях действие источников волнового излучения должно совмещаться с процессом
эксплуатации пласта. Ко второй группе можно отнести явления и механизмы,
обладающие эффектом последействия, т.е. их влияние на фильтрацию сохраняется
длительное время после прекращения воздействия. К ним относятся процессы очистки
порового пространства от примесей, некоторые необратимые процессы
трещинообразования в горной породе, увеличивающие ее проницаемость, процессы
ускорения капиллярной пропитки и др. Использование подобных явлений позволяет
разделять во времени процессы обработки пласта и его эксплуатации /99-102/.
При всем различии указанных механизмов и способов их реализации общим для них
является условие прямого действия на обрабатываемый объем среды, т.е. эффект
обработки может наблюдаться лишь в той части пласта, где интенсивность волновых
процессов достаточно высока для приведения в действие указанных механизмов. В то же
время при действии источников волнового излучения в горном массиве его интенсивность
неизбежно затухает по мере удаления от источника как из-за необратимых потерь
импульса, так и, главным образом, из-за геометрического расширения области,
охватываемой воздействием. Следовательно, эффекты дальнего площадного действия,
16
реально наблюдаемые при волновой обработке пластов скважинными излучателями, не
могут быть объяснены с помощью представлений о механизмах, предполагающих прямое,
с соответствующими затратами энергии действие импульсов давления на фильтрационные
процессы /107/.
1.1.3. Реагирование призабойной зоны пласта на вибросейсмическое
воздействие
Анализируя литературные источники /6, 17, 49, 52, 54, 65, 68, 95, 96, 98, ПО, 115/,
освещающие импульсное, акустическое, вибросейсмическое и другие способы
воздействия на призабойную зону пласта, которые сводятся к очистке порового
пространства от механических примесей и асфальто-смоловых парафиновых отложений
(АСПО), можно выделить ряд признаков характеризующих ограниченный диапазон
воздействия:
• ультразвуковые источники, при сравнительно больших частотах, обладают невысокой
мощностью;
• необходимость остановки скважин на период обработки, что приводит к общим потерям
в нефтедобыче;
• небольшая глубина воздействия на ПЗС, порядка нескольких десятков сантиметров;
• потери энергии при воздействии, обусловленные поглощением вышележащих
непродуктивных пластов и т.п.
В работе /96/ описан способ акустико-химической стимуляции скважин для очистки ПЗС
от АСПО. Ухудшение коллекторских свойств призабойной зоны пласта происходит не
только за счет техногенных факторов, но и под влиянием отложений
асфальтеносмолистых и парафинистых веществ при выходе нефти из пласта в ствол
скважины в зоне действия депрессионной воронки. Поэтому процесс загрязнения
порового пространства в призабойной зоне пласта носит комплексный характер.
17
Комплексный способ акустико-химического воздействия предназначен для
восстановления старого фонда скважин, т.е. таких скважин, призабойная зона которых
практически заблокирована. При этом способе механизм очистки и восстановления
проницаемости ПЗП основан на комплексном воздействии нескольких физических
эффектов: термоакустических полей в ультразвуковом диапазоне и отмыва органноминеральных загрязнений специальным составом (углеводородным раствором ПАВ).
Режимы акустико-химической обработки ПЗП определяются импульсно-энергетическими
показателями, типом и конструкцией излучателя. В акустическом поле с высокой
интенсивностью (свыше 0,1 кВт/м2) более 50 % его энергии в пределах зоны и интервала
обработки трансформируется в тепло. Поэтому под влиянием растворителя и тепла
разжижаются асфальтосмолистые вещества, снижается поверхностное натяжение на
границе порода - вода, а под действием ультразвука все загрязнения переходят во
взвешенное подвижное состояние и выходят из прискважиннои зоны пласта в ствол
скважины.
1.1.4. Повышение нефтеотдачи пласта при вибросейсмическом
воздействии
Наблюдение во времени таких показателей разработки, как дебит и обводненность
продукции скважин, обусловлены, прежде всего, случайным распределением параметров,
характеризующих свойства пласта и насыщающих его флюидов. Однако в ряде случаев
обнаруживается явная периодичность колебаний параметров разработки при
неизменности внешних условий, что свидетельствует о развитии в пластовых системах
автоколебательных процессов. При этом замеренные периоды колебаний расхода
жидкости составляют от нескольких часов до нескольких месяцев.
По характеру распределения колебаний в пласте, а именно, отвечая на вопрос: «в
результате чего осуществляется процесс движения остаточной нефти в пласт», в научной
среде существует два основных направления: а) за
Список литературы