Новые технологии нефтедобычи Морис Дюссо Университет Ватерлоо Ватерлоо, Онтарио, Канада

SPE Distinguished Lecture Series — 2002-2003
Новые технологии нефтедобычи
Морис Дюссо
Университет Ватерлоо
Ватерлоо, Онтарио, Канада
New Production Technologies
1
ЗАСЛУЖЕННЫЙ ЛЕКТОР
ОБЩЕСТВА ИНЖЕНЕРОВ НЕФТЯННИКОВ
Финансирование осуществляется
Выделением грантов
Фондом Общества Инженеров Нефтяников
Общество выражает признательность
тем компаниям, которые поддерживают программу
предоставляя возможность членам
общества выступать с лекциями
Особая благодарность Американскому Институту Горного Дела, Металлургии
и Нефтяной Инженерии за его вклад в программу.
Новые Технологии Добычи

Низкотемпературная Добычи Тяжелой Нефти с
Песком (CHOPS)

Технологии Импульсного Давления (PPT)

Дренирование пласта в гравитационном режиме (GAD)



Закачка Инертного Газа (IGI)
Дренирование пласта в гравитационном режиме с
закачкой пара (SAGD)
Добыча Нефти при помощью паров (VAPEX)

Предполагается комбинированное применение методов

Методы применяются на различных этапах эксплуатации
месторождений
New Production Technologies
3
Революционные технологии позволят:




Резко увеличить коэффициент извлечения на
коллекторах всех типов
Возобновить добычу на старых месторождениях
с извлечением значительной части остаточной
нефти
Обеспечить рентабельность добычи
высоковязких нефтей (m > 100 сП в пластовых
условиях)
Резко увеличить извлекаемые запасы по всему
миру
New Production Technologies
4
Мировые запасы



Геологический запасы
В настоящее время, 90% мировой
в мире
добычи нефти приходится на
Тяжелая
добычу традиционной нефти
Традиционная
Объемы не извлеченной тяжелой
нефти и битума быстро растут
В Канаде и Венесуэле
сосредоточено более 35%
мировых запасов
трудноизвлекаемой нефти в
нефтеносных песках
New Production Technologies
нефть - 30%
нефть
15%
Очень тяжелая
нефть и битум
55%
Мировые
балансовые запасы
Стандартная нефть <100 cP
Тяжелая нефть 100 – 10000 cP
Битум
>10,000 cP
5
Будущее Стандартной Нефти
Прогноз на 2001:

Спрос +1,5%/год
Традиционная нефть - прогноз красным
Общий спрос - прогноз синими точками
Q- млрд.бар/год
~29-31

Замещение извлекаемых
запасов разведанными
сокращаться
Мировая добыча достигает
пика ~2006-2008
Доля Ближнего Востока
сейчас - 30%,
к 2011 - 50%
New Production Technologies
Тяжелая нефть, битум, и
другие источники
20
2006-
1978
2008
Кэмпбелл и Лаэррер
Март 1998 Научная Aмерика,
стр. 78
6
Технология добычи вязкой
нефти — 1985
Горизонтальные
скважины
Вертикальные
скважины
X
Циклическая
закачка
пара
Термический
X
Isaacs, 1998
X
Не термический
Коммерчески эффективной оказалась только
технология циклической закачки пара (ЦНП) и
только в самых лучших коллекторах (> 25 м,
однородная, гомогенная нефть)
New Production Technologies
7
Статус развития технологий- 2002
Горизонтальные
скважины
Вертикальные
скважины
SAGD
Cold Flow
IGI
(VAPEX?)
Циклическое
Закачка
пара
CHOPS
PPT
Термический
Не термический
Обновлено в
1998
Промышленные технологии появляются во всех категориях
New Production Technologies
8
Движущие силы развития технологий


Лучше понимание физики процессов
Усовершенствование оборудования
Применение винтовых насосов
 Применение гибких НКТ для бурения и КРС





Горизонтальные скважины
Применение усовершенствованных технологий
контроля процесса
Улучшенные методы хранения и утилизации
отходов
Канадский опыт по добыче тяжелой нефти и
битума из нефтеносных и битуминозных
песков
New Production Technologies
9
Добыча битума в канадской
провинции Альберта
2.2 MB/сутки
Факт
Прогноз
0.75 MB/day
Открытый
способ
Courtesy: Alberta EUB
New Production Technologies
10
Горизонтальные скважины
(холодная добыча)


С 1990 года в Канаде пробурено большое
количество горизонтальных скважин
Применяется ряд технологий добычи:
Прямая «холодная» добыча
 Закачка инертного газа
 Термические методы (паровой
гравитационный дренаж (SAGD), вытеснение
паром и т.д.)


Но, в конечном итоге, наибольшее
применение вероятно получит
технология гравитационного дренажа
New Production Technologies
11
“Старые” технологии
New Production Technologies
12
Старые технологии
Пароциклическая обработка паром
Вытеснение паром (многочисленные разновидности)
Процессы, основанные на создании перепада
давления (p)
 Закачка воды, растворителей и др.. под высоким
давлением
4. Процессы, включающие горение под давлением

«Мокрые», «сухие», прямые, обратные, воздушные,
кислородные
1.
2.
3.
Все эти процессы имеют следующие недостатки:

Адвективная нестабильность (нестабильность p и m)

Низкая коэффициент извлечения, высокие расходы на
производство тепла, проблемы с эксплуатацией
скважин
New Production Technologies
13
Процессы вытеснения паром
•Гравитационная
блокировка
Вид в
разрезе
•«Обойденные»
запасы
•Низкий КИН
•Большие потери
тепла
•«Расслоение»
скважин
New Production Technologies
14
CHOPS







C – Cold – холодная
H – Heavy – тяжелая
O – Oil – нефть
P – Production with Sand – добываемая с песком
В Канаде этим способом извлекают более
550000 баррелей нефти <20°API в сутки (25%
от общего объема добычи!)
На хороших коллекторах КИН составляет >20%
Возможно ли применение в мировом масштабе?
(Я думаю, да)
New Production Technologies
15
История становления CHOPS
“Luseland Field”, Saskatchewan
 Применение технологии добычи тяжелой
нефти холодным способом из нефтеносных
песков (CHOPS) позволило повысить
производительность скважин




В среднем, в 5-6 раз
Дано физическое обоснование повышению
качества процесса
Показано, что применение горизонтальных
скважин на этих нефтеносных песках не столь
эффективно
Рассматриваемое месторождение имеет много
аналогов по всему миру, с такими же
слабосцементированными пластами
New Production Technologies
16
“Luseland Field” History





30 вертикальных скважин пробурено за период
1982-85
С помощью станков-качалок извлекается нефть
с низким содержанием песка (<0,5%)
Применение горизонтальных скважин
было опробовано в 1992-1993 (6600 м);
результаты оказались неудачными, и все
скважины были закрыты к 1998 году)
В 1994 году было начато интенсивное внедрение
технологии CHOPS с применением винтовых
насосов
В настоящее время в добываемом флюиде
содержится до 4% песка
New Production Technologies
17
Характеристики “Luseland Field”
Структура “Bakken”(слабосцементированный)
 Z = 800 м, f = 28 – 30%, k = 2-4 D
 API = 11,5-13°, m = 1400 cP (нефть с
растворенным газом, газ в растворе)
 So = 0,72, Sw = 0,28 (высокая!), Sg = 0
 Мощность пласта: 5-15 м в центре
 Начальное пластовое давление: po~ 6-7 MPa,
T ~ 30°C
 Давление насыщения газа: pb  po
New Production Technologies
18
“Типичная” Горизонтальная Скважина
700
Месторождение Luseland, скважина длиной 600 м
дебит - барл/сут
600
500
Добыча воды
400
300
200
Добыча нефти
100
0
Янв-93
Янв-94
New Production Technologies
Янв -95
Янв -96
Янв -97
Янв -98
19
График Добычи
Oil and Water Rates - m3/mo
Месторождение Luseland, месячные объемы
добычи нефти и воды
Добыча нефти
16000
12000
20,000
Начало интенсивного внедрения
технологии CHOPS
8000
4000
Feb-82
Внедрение штанговых насосов,
малый вынос песка
Добыча воды
Feb-86
New Production Technologies
Feb-90
Feb-94
Feb-98
20
Характеристика работы Скважины 14-8
250
Месторождение
Luseland
Центральная скважина 14-8
дебит (барлю/сут
Добыча нефти
200
150
100
Начало внедрения технологии CHOPS
50
Добыча воды
0
Янв-81
Янв-85
New Production Technologies
Янв-89
Янв-93
Янв-97
Янв-01
21
Общая Добыча Воды и Нефти
Сравнение суммарных объемов добычи нефти и воды до декабря 1998
года на всех вертикальных скважинах месторождения Luseland
500000
Добыча нефти
Месторождение Льюслэнд
400000
300000
Добыча воды
200000
Mean = 161,947 bbl/oil/well
100000
Mean = 58,750 bbl/H2O/well
New Production Technologies
В основном, недавно открытые
проблемные скважины
22
52
49
46
43
40
37
34
31
28
25
22
19
16
13
10
7
4
0
1
Общий объем добычи, нефть или вода - б/сут
600000
Почему возрастает добыча нефти??




В подвижном песке снижается гидравлическое
сопротивление потоку флюида
Вспенивание нефти ускоряет фильтрацию и
разуплотняет песок
Вокруг скважины образуется увеличивающая зона
с повышенной проницаемостью
Непрерывное удаление любых механических
корок (асфальтены, глины)
New Production Technologies
23
Характеристики работы скважины при
применении технологии CHOPS
17.5
Бар/день
% Песка
150
15.0
125
12.5
100
10.0
75
7.5
50
5.0
25
2.5
0
0.0
0
6
12
18
Месяц
New Production Technologies
24
30
36
42
% Песка
Баррелей в сутки
175
After Wong & Ogrodnick
24
Что требуется для успешного
применения технологии CHOPS





Активный механизм вспенивания нефти
(достаточное количество растворенного газа)
Непрерывное нарушение слоя песка
(неуплотненный песок)
Отсутствие зон свободной воды в коллекторе
Обязательно применение винтовых насосов
Интегрированная система обработки песка
 Эффективная технология утилизации
песка
New Production Technologies
25
Винтовой насос
Ременный привод
с регулируемым
крутящим моментом
Полированный шток
Электромотор
(или гидравлический
мотор)
Патрубок
Обсадная колонна
(обычно диаметром
175 мм)
Эксплуатационная колонна
(обычно
диаметром от 72 до 88 мм)
New Production Technologies
Устьевое оборудование
Всасывающая труба
или штанга в НКТ
Хромированный ротор
в фиксированном
статоре
26
Технология CHOPS

Новая Идея?
“При равнозначности всех остальных факторов,
максимальная добыча нефти из рыхлых
пластов напрямую зависит от максимального
выноса самого песка. … Чем выше вязкость и
ниже давление газа в коллекторе, тем большее
значение приобретает создание и поддержание
движения
песка
по
направлению
к
добывающей скважине.”
В. Коббе, Совещание АЙМЕ в Нью-Йорке, Февраль, 1917.
АЙМЕ, Том. LVI, стр. 814.
New Production Technologies
Courtesy Ed Hanzlik, ChevTex
27
Основные преимущества
технологии CHOPS






Более высокая экономическая эффективность по
сравнению с термическими методами
Очень низкие капитальные расходы (дешевые
вертикальные скважины)
Операционные расходы снижены до
~$4,00/баррель
Решена проблема насосов (винтовые насосы
способны работать при значительном выносе
песка)
Решена проблема утилизация песка
На данный момент, единственным
ограничивающим фактором являются:

Возможности модернизации
New Production Technologies
28
Технологии импульсного давления,
PPT




P — Pressure - Давление
P — Pulsing Пульсация
T — Technologies Технологии
Скважинные флюиды подвергаются резким
импульсам давления
Снижает адвективные нестабильности
Снижает эффекты капиллярного закупоривания
Снижает эффекты порового закупоривания
New Production Technologies
29
Схема
лабораторной
установки для
испытания с
пульсацией
давления
New Production Technologies
Емкость с
песком
30
Нефть – Вода – Заводнение
Без пульсации
С пульсацией
35 cP легкая
нефть
заводнение
0,5 м
гидростатическое
давление
идентичные
испытания
Время = 139,2 с
New Production Technologies
Время = 138,7 с
31
Эффекты пульсации






Увеличивают базовую фильтрацию
Повышает КИН
Снижает образование водяного конуса и
образование языков в результате разности
вязкостей
Снижает эффекты закупоривания твердой фазой
и асфальтенами
Позволяет преодолеть проблему капиллярного
закупоривания
Является новой технологией, в которой еще
многое предстоит оптимизировать
New Production Technologies
32
Добыча нефти - 7 соседних скважин (барл./сут)
Пульсация поддерживает
стабильное извлечение нефти
Месторождение Линдбора, заводнение; 9800 сП нефть + песок
160
140
Предварительная пульсация
Пульсация
Пост-пульсация
120
100
80
60
40
20
0
01-Май-99
31-Май-99 30-Июнь-99 30-Июль-99
New Production Technologies
29-Авг-99
28-Сент-99 28-Окт-99
33
Дебит нефти – м3/сутки – 6 соседних скважин
Пример: увеличения добычи тяжелой нефти
500
Коллектор с характеристиками, близкими к пределу
применения технологии CHOPS:
10600 сП, f = 30%
Заводнение в одной скважине с пульсацией
400
300
Перед пульсацией
Начало
пульсации
Прекращение
пульсации
200
Дополнительная
нефть
100
Экономический предел
0
Nov-98
Mar-99
New Production Technologies
6 месяцев
Jul-99
Nov-99
Mar-00
34
Технология импульсного давления
и горизонтальные скважины
Добыча
Горизонтальная,
разветвленная
New Production Technologies
Скважины с
применением
технологии
импульсного давления
(дешевые
вертикальные
скважины)
Усиление потока
35
Технология гравитационного
дренажа, GAD




G — Gravity Гравитация
A — Assisted Способствовать
D — Drainage Дренаж
Необходимы горизонтальные скважины
Поток создается из-за разности плотностей
Технология наиболее эффективна при наличии
газовой фазы
Производительность скважин невысока, но
процент нефтеотдачи может доходить до более
90%
New Production Technologies
36
Закачка инертного газа (IGI)
Газ нагнетается сверху в
нефтеносный пласт для
понижения нефтяного горизонта
dm
В общем случае, это процесс
смещения сверху вниз,
стимулируемый гравитацией и
стабилизируемый плотностью
газ
p
нефть
New Production Technologies
вода
Примечание: в гидрофильных
пластах, всегда существует
трехмерная нефтяная пленка, при
условии, что gwg > gog + gwo
Может достигаться высокий
процент нефтеотдачи
37
Технология IGI, Схема
Закачка инертного газа
Темп закачки газа регулируется таким
образом, чтобы избежать прорыва газа
(или воды) в скважину
В
основном,
газ
Трехфазная зона
Горизонтальные скважины,
параллельные структуре
Зона залегания нефти,
двухфазная зона,
гидрофильный песок
Вода, однофазная
зона
Необходим баланс пористости!
New Production Technologies
38
Применение технологии IGI в
горизонтальных пластах
V/t]нефть + вода
= V/t]газ
(поры заполнены)
3-фазная область
2-фазная
область
New Production Technologies
Вертикальные
скважины
CO2, N2, CH4,
другие газы
нет p, нет
прорыва газа
нет p, нет
прорыва воды
p ~ 0
Горизонтальные
скважины
39
Гравитационый дренаж на рифах
Эксплуатационные скважины
используются для выравнивания
пористости и предотвращения
конусообразования
Нефтяной вал “выжат”
в горизонтальную скважину
под действием давления,
когда фильтрация
управляется
плотностью
Траектория новой
горизонтальной скважины
Газовая шапка
Закачка газа
низкое
p
Вытеснение подошвенной воды
(некоторые скважины переходят в
режим водонагнетательных скважин)
New Production Technologies
40
Основные моменты применения
технологии закачки инертного газа






Метод имеет промышленное применение в
Канаде
Не пригоден для термической тяжелой нефти
Необходимо хорошее kv (при отсутствии
структуры)
Идеаленаяа технология для перевода старых
стандартных месторождений на технологию
гравитационного дренажа
Низкие операционные расходы
Следует рассматривать этот метод для
применения на новых месторождениях и для
возобновления эксплуатации старых
месторождений
New Production Technologies
41
Физические основы
технологии SAGD
Перекрывающие породы
«изолированная»
область
CH4 + нефть
Обратный
поток
Пар + нефть
+ вода + CH4
Поддержание низкого
перепада давления p
для максимальной
стабильности
Обратный
поток
q
Боковое расширение
паровой зоны
Водяной подпор
New Production Technologies
Уровень
жидкости
Нефть и вода
Пробка холодного
битума
42
Процессы в порах
H2O
CH4
CO2
Минеральные
зерна
Минеральные
зерна
вода
oil
Минеральные
зерна
Пар +
газы
нефть
вода
Минеральные
зерна
New Production Technologies
Обратный поток в порах и
горловинах приводит к
образованию стабильной 3фазной системы.
Приток нефти
интенсифицируется
эффектом поверхностного
натяжения на
«тонкопленочной»
поверхности, который
эффективно способствует
фильтрации.
Для поддержания
гравитационного потока,
необходимо обеспечить
полную связь фаз и избегать
ускорения процесса за счет
более высокого давления.
43
Глиняные пропластки и SAGD
V
дегидроксилация?
дегидрация
>300°C
>125°C
разрывы
New Production Technologies
T
Глины непроницаемы для пара и
их поведение отлично от
поведения песков
Применение технологии SAGD
позволяет преодолеть глиняные
барьеры благодаря влиянию
V/T и t
обход
44
Термические процессы
гравитационного дренажа, GAD






Лучшая технология для тяжелых нефтей
(<20°API?)
Хорошая тепловая эффективность и
стабильность фильтрации
Достижимы высокие показатели извлечения
нефти
Может применяться в сочетании с другими
технологиями (CHOPS или SAGD + циклическая
закачка пара)
Технология не является решением всех проблем,
связанных с извлечением тяжелой нефти!
Затраты на тепло уваляются проблемой (t > 15
m)New Production Technologies
45
КИН при использовании
технологии GAD




лабораторных условиях > 75-95% от начальных
запасов нефти. Почему?
Трехфазная последовательность — нефть не
отделяется от системы r-потока (никакого
пинцирования)
Даже нефть, находящаяся в зонах низкого k будет
медленно дренироваться, и этому процессу будут
способствовать температура и смешивание газов
В условиях  p отсутствует образование языков;
коэффициент вытеснения заметно высок, а
фронты устойчивы
New Production Technologies
46
Ганглии и технология GAD
Генерирование 3-фазной
связанной системы
в 2-фазных областях
нефть
газ
Изолированные ганглии
(иммобилизованные)
Гравитационные силы на
верхней кромке газового
канала воздействуют
только на уровне пор
нефть
газ
Изначально
Быстрое
отсутствует распространение
нефтяная
нефти
пленка
(разделяющая
пленка)
gwg > gog + gwo
New Production Technologies
47
Основные моменты
технологии GAD






Для обеспечения стабильности процесса
необходимо поддерживать низкий перепад
давления  p
Наилучшими условиями процесса является
трехфазное состояние — нефть-вода-газ
Скважины должны располагаться у основания
продуктивного коллектора
Продуктивные коллекторы должны быть
достаточно мощными
Имеет место плотный обратный поток
Успешной реализации технологии способствует
закачка газа, пара и конденсирующихся
жидкостей и надлежащий контроль за давлением
New Production Technologies
48
Время движется вперед
SAGD не найдет практического применения (1984)
 В 2001-2003 установлено более 200 пар
 Добыча при выносе песка 20% невозможна (1988)
 В 2002 более 550,000 барл/сут (CHOPS)
 VAPEX не может быть экономически выгодной (1995)
 Начинаются первые полевые испытания
 Усиление потока при помощи импульса давления
невозможно (1999)
 на сегодняшний день 3 небольших успешных
проектов
Не следует слишкои легко сбрасывать новые идеи со
счетов!

New Production Technologies
49
Новые технологии
Статус
(2002)
Метод Года
CHOPS
SAGD
PPT
>10
Применимость
$$$ - пром-е
применение
Наилучший для зон 5-20 ,без
подвижной воды
$
Вероятно требует зон
мощнее, > 15-20
$$на
начальной
стадии
Полезен вкупе с другими методами
(холодная добыча, CHOPS)
Тесты еще
не проводили
Наилучший при >20°API,
вкупе с SAGD
~6-8 рентабельный
2
VAPEX
0
IGI
>10
New Production Technologies
?
$$$
Необходим хороший kv & низкий m
50
Выводы





Традиционные методы добычи нефти достигнут
пика в ближайшие 4-6 лет?
Хорошо для тяжелой нефти, повышения
коэффициента извлечения и получения прибыли
Недавно достигнуты значительные результаты
по развитию технологии (в основном, в Канаде)
Нам необходимо укрепить и улучшить
достигнутые результаты
Будущее технологий извлечения тяжелой нефти
и повышения коэффициента извлечения
выглядит многообещающим на данный момент
New Production Technologies
51
Благодарности





Общество Инженеров Нефтянников
Местное отделение Общества Инженеров
Нефтянников
Донна Ньюкум, - устроитель
Шерил Старк, - редактов
Коллег и компании
New Production Technologies
52
Translation Priority
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
Titles
Not
Last 2 lines beginning with Hybrid
All
Bullet Points Only
Bullet Points Only
All ( But not “Cyclic Steam Stimulation)
Only the axis of the graph
All
All
Title ( or all if the word Bitumen has a convenient
Russian Translation)
All
All
All
All
Bullet Points
Bullet Points
Bullet Points
Bullet Points
Bullet Points
Curve Labels, not graph axis
Curve Labels, not graph axis
Curve Labels, not graph axis
Words in Green
All
Title Only
All
All
Title
New Production Technologies
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
All
All
All
All
All
Green Text and Title
Green Text and Title
All
All
All
All
All
All
All
All
All
Green Text and Title
All
All
All
All
Title Only
Title and Split Slide into two if needed
All
Title Only
53