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