Практика освоения месторождений высоковязкой нефти как у нас в стране, так и за рубежом показала, что наиболее эффективными способами теплового воздействия на пласты с высоковязкой нефтью являются иаротсиловая обработка призабойиой зоны добывающих скважин (ПТОС), нагнетание пара в пласт, перегретой воды с созданием тепловых оторочек (ПТВ, ВГВ) и внутрипластовос горение (ВГ). Тепловые (термические) методы постоянно совершенствуются. В настоящее время существуют несколько способов, но наибольшее развитие получили способы нагнетания теплоносителя в пласт.
Воздействие на пласт теплоносителем приводит к проявлению целого ряда факторов, способствующих увеличению нефте-извлечения. К ним относятся: снижение вязкости пластовой нефти, дистилляция и испарение, термическое расширение, снижение поверхностного натяжения и другое.
В.И. Кудинов. Основы нефтегазопромыелового дела
Глапа XVI. (Воздействие на нефтяной пласт теплом
Термический метод - это метод интенсификации добычи нефти, при котором проявляются гидродинамическое воздействие, когда происходит изотермическое воздействие на пласт, и термодинамическое, когда возникают сложные условия влияния на пласт, в результате чего изменяется не только давление, но и температура. Известно, что нефтеизвлечеиие зависит от соотношения вязкостен пефти и воды:
|
|
Многие авторы на основе анализа зависимости вязкостной характеристики нефти от температуры делают вывод, что увеличение температуры приводит к существенному увеличению коэффициента вытеснения нефти. Поэтому добыча вязких мефтей наиболее технологически эффективной может быть при использовании тепловых методов.
Эффективность теплового воздействия на нефтяной пласт в значительной степени зависит от правильности выбора рабочего агента, способствующего более высокой степени нефтеизвлс-чения, с учетом геолого-промысловых характеристик объекта воздействия. На основе анализа результатов исследования по вытеснению нефти паром и горячей водой следует, что без глубокого изучения нефтяного месторождения и существующего уровня развития техники нельзя отдавать предпочтение пару или горячей воде. Все зависит от геологического строения месторождения, физико-химических свойств пефти и конкретных условий с учетом экономических показателей и перспектив разработки месторождения. Насыщенный водяной нар в сравнении с горячей водой имеет большую энтальпию, то есть большее теплосодержание, и при одинаковых массовых расходах вытесняющих агентов количество вводимого в пласт тепла при паре выше. Кроме того, при вытеснении нефти паром в большей степени проявляется механизм дистилляции легких фракций углеводородов, что приводит к увеличению коэффициента пефтеш.ггеспения. Однако только на этом основании однозначного вывода о преимуществе пара над горячей водой делать нельзя. В некоторых случаях нагнета-
|
|
ние горячей воды может оказаться предпочтительней нагнетания пара. Выбор теплоносителя необходимо осуществлять с учетом физико-химических свойств нефти и геолого-физических свойств породы коллектора. Если при добыче легкой нефти большое значение имеет термическое расширение, то есть величина вязкости /*0 при этом слабо зависит от температуры, то в случае вязкой
нефти наоборот - величина JUq резко падает с ростом температуры, а тепловое расширение значительно меньше влияет на эффективность процесса. Поэтому для конкретной нефти имеется свой диапазон температур, где наблюдается интенсивное снижение величины вязкости нефти /^ и другое. При воздействии на пласт
горячей водой или паром в пласте образуется водонефтяная эмульсия. При одинаковых температурах пара и горячей воды эмульсии, полученные при нагнетании пара, значительно устойчивее, чем эмульсии, образовавшиеся при закачке горячей воды, что приводит к увеличению затрат на деэмульсацию нефти. Нефти, в которых содержится большое количество парафино-асфальтено-смолистых веществ» как правило, относятся к неныотоновским системам. Фильтрация их в пористой среде затруднена из-за наличия начального градиента давления, что является одной из причин низкого не фте извлечения из таких залежей. Исследованиями установлено, что повышение температуры нефти сопровождается значительным уменьшением градиента динамического давления сдвига, а также увеличением подвижности нефти. Исследования свойств аномальных нефтей при различных температурах показали, что наибольшие изменения реологических параметров нефти наблюдаются при температурах до 50° С. С увеличением же температуры более 50° С сопровождается незначительными изменениями по вязкости нефти.
При выборе теплоносителей следует руководствоваться и экономическими соображениями. Так, к воде, используемой для выработки пара в парогенераторах, предъявляются более высокие требования, чем к воде, используемой в обычных водогрейных установках. Например, при выработке пара со степенью сухости пара Х=0,7 концентрация остающихся в воде солей
484 В.И. Кудинов. Основы нефтегазопромыслового дела
Глапа XVI, Воздействие на нефтяной пласт теплом 485
увеличивается в 3,5 раза, при X =0,8 - возрастает в 5 раз, при, _ 1Г „,г
v л л in -г на нефтяных месторождениях о. Сахалин, Казахстане, Коми, Уд-
X = 0,9 - в 10 раз. Таким образом, затраты на подготовку воды * ,г
_ г г j муртии, Краснодарском крае и так далее.
для парогенератора буду, значительно выше, чем для водогрей- обширные исследования и промышленное внедрение теп-
ных установок, так как использование солесодсржащси воды в л()вых мивдов дились за рубежом. В бывшем СССР опыт-
них невозможно из-за конструктивных особенностей. но-промышлеиное испытание и промышленное внедрение тепло-
Таким образом, в зависимости от конкретных условии гео- Rb]x методов повышения „ефтеизвлечення осуществлялось на
логического строения залежи, физико-химических свойств нефти, 49 объектах Крупномасштабные работы проводились на место-
экономических результатов применение горячей воды в качестве е1шях Каражанбас и Кенкияк (Казахстан), Усинское (Коми)
теплоносителя может быть предпочтительнее других видов теп- и Гремих|111СКое (Удмуртия). Известно, что залежь - это пефтена-
лоносителеи. Г.Е. Малофеев установил, что тепловой эффект от СНЩИ111Ь1Й пласт или гидродинамически единая система иефтена-
нагнетания горячей воды тем больший, чем больше толщина пла- СЬ1щенных пластов. п и классификации залежей по хара,сгери-
ста и выше скорость фильтрации, то есть, с точки зрения эффек- стикам пластовых нсфтей особая роль отводится одному из фи_
тивности использования вводимого в пласт тепла, наиболее ЗИЧес1сих параметров ее свойств - динамической вязкости. Дина-
предпочтт.тельными являются пласты толщиной более шести мическая вязкость пласТовой нефти является одним из главных
метров. При меньшей толщине длительное воздействие на пласт опредсляющнх факторов активности ее фильтрации по порам
теплом неэффективно вследствие высоких тсплопотерь через „ тре1ЦИПан нсфТе„аСышенного коллектора в процессе разработ-
кровлю и подошву пласта. ки залсжи От величимы ВЯЗкости пластовой нефти зависят деби-
|
|
Установлено. что с увеличением темпа нагнетания теплоно- т нефти в добывающих скважи11ах „ показатели конечного неф-
сителя эффективность прогрева однородного пласта увеличива- те1Впечс!111|я. п настоящсе время условно залежи нефти в зависи-
ется. В слоисто-неоднородном пласте эффективность прогрева мости от их динамичсской вязкости подра3делЯ1от на:
определяется потерями тела в окружающие пласт породы и по- _ зШ]ежи маловязких „ефтеЙ1 когда велнчина вязкости не пре-
терями тепла с добываемой жидкостью. При низком темпе ввода вышаст ш мПа.с R пластовых условиях;
теплоносителя возможны значительные потери тепла в окру- _ Залежи с повышенной вязкостью нефти-от 10 до 30 мПас;
жающне породы, при высоких темпах увеличиваются потери _ млсжи пязких псфтей _ 30_50 мПа.с;
с добываемой жидкостью, поэтому изменения коэффициента вы- _ залсж„ в,,,сокопязкмх мефтей - более 50 мПас.
тсснения в зависимости от скорости нагнетания теплоносителя Тепловые методы разработки нефтяных месторождений де-
может быть различным в зависимости от конкретных условий. лятся на два различных вида. Первый, наиболее широко ириме-
По результатам исследования влияния температуры на капилляр- „яемын в России и за рубежом, оснований па нагнетании (с по-
|
|
ную пропитку сделай вывод, что пропитка увеличивается с воз- верх1ЮСТ„) теплоносителей в нефтяные пласты, и второй, осно-
paciaiiHCM температуры, но мало зависит от темпа нагнетания. ват,ый |1а внутрипласговых процессах горения, создаваемых пу-
В любом случае пропитка эффективнее при малых скоростях пе- тем инициирования горения коксовых остатков в нризабойной
рсмещения фронта вытеснения. зоме нагнетательных скважин (с применением забойных нагрсва-
В России и за рубежом накоплен немалый практический тельных устройств) с последующим перемещением фронта горе-
опыт по применению теплоносителей с целью повышения коиеч-,шя путем нагнетания воздуха (сухое горение) или воздуха и во-
ного нефтсизвлечения. Нагнетание пара и горячей воды в опыт- ды (влажное горение). Методы нагнетания теплоносителя в неф-
но-промышлепных и промышленных масштабах применяется тяпые пласты имеют две принципиальные разновидности техно-
486 В.И. Куднпов. Основы нефтегазопромыслового деда Глава XVI. Воздействие на нефтяной пласт теплом 487
логин. Первая основана на вытеснении нефти теплоносителем па УПГ 9/120 и УПГ 60/160 для приготовления теплоносителя
и его оторочками. Такая разновидность получила в зависимости с температурой 260° С, при суточной номинальной производи-
от вида используемого теплоносителя наименование паротегшо- тсльности УПГ 9/120- 212 т теплоносителя и УПГ 60/160- 1440 т
вого воздействия на пласт (ПТВ) и воздействия горячей водой потребное количество природного газа составит, соответственно,
(ВГВ). Вторая - на паротепловой обработке призабойной зоны 8,4 и 55,7 тыс. м3 или мазута 7,3 и 48,8 т. Из этого следует, что
пласта добывающих скважин (ПТОС). В этом случае в качестве теплоноситель как агент воздействия на пласт имеет сравнитсль-
теплоносителя используется насыщенный водяной пар. В каче- но высокую стоимость, а поэтому его расход при разработке за-
стве теплоносителя для теплового воздействия на нефтяной лежи нефти должен носить рациональные объемы в соответствии
пласт обычно используется насыщенный водяной пар или горя- с достигнутыми темпами добычи нефти. Следовательно, одной
чая вода с высокими температурными параметрами. Эти агенты из важных задач при тепловых методах является снижение объе-
обладают высокими параметрами по теплосодержанию, они эко- мов закачки теплоносителя па тонну добытой нефти и получения
логически чистые, технически и технологически хорошо освое- при этом наивысшего нефтеизвлечения и высоких экономических
мы промышленностью. Пар при условиях, близких к стандарт- показателен. В процессе нагнетания теплоносителя через фонд
пым (нормальным), обладает значительно большим теплосодер- нагнетательных скважин вокруг каждой такой скважины форми-
жанием (энтальпией), чем горячая вода. Однако с повышением рустся динамическая (постепенно расширяющаяся) тепловая зо-
давлення, то есть при режимах нагнетания теплоносителя на за- на. При этом в связи с существующими систематическими поте-
лежах нефти, различие теплосодержания между паром и водой рями тепла в скелет пород продуктивного пласта и в окружаю-
той же температуры значительно сокращается. Оценивать пре- щую его среду (через кровлю и подошву продуктивного пласта)
имущество пара или воды как агента воздействия на пласт толь- процесс тегшоперсноса отстает от массопереноса. То есть форми-
ко по их теплосодержанию, как делают некоторые авторы, руются два внутрипластовых фронта вытеснения - фронт холод-
ошибочно и недопустимо. При выборе теплоносителя как агента пою вытеснения и фронт теплового вытеснения. В процессе теп-
воздействия на нефтяной пласт необходимо исходить из учета осо- лового воздействия на пласт тепловой фронт значительно отстает
бенностей технической вооруженности (типа,парогенераторов, на- от фронта холодного вытеснения. Эти особенности требуют при
личия термоизолированных насосно-компрессорных труб, тепло- проектировании систем разработки залежей учитывать динамику
изолирующих материалов для изоляции поверхностных трубопро- расширения тепловых полей в пласте и, с учетом этого, опреде-
подов), геологтьфтической характеристики и свойств пластоион лять формы сеток скважин и расстояния между скважинами,
нефти объекта разработки и применяемой технологии нагнетания Суммарные объемы закачки теплоносителя в каждую пагне-
теплоносителя. Важнейшая особенность теплового метода заклю- татсльную скважину определяются расчетным путем, исходя из
часгся в передаче тепловой энергии в нефтяной пласт с постепен- необходимости прогрева продуктивного пласта от нагнетатель
ным повышением ею температуры. Иой скважины до окружающих добывающих скважин.
Передача тепловой энергии осуществляется через систему
паронагнетательных скважин закачкой в них теплоносителя. Для „
приготовления и последующей закачки теплоносителя требуется *■• Паротепловое воздействие на пласт (П I В)
значительный расход топлива для тенлогенерируюшнх устано- и воздействие горячен подои (Ш Ь)
вок. П качестве топлива используется природный или попутный Применяемый традиционный способ паротсилового воздейст-
нефтяпой газ, тяжелые фракции перегонки нефти или нефть.,шя на „ефтяной пласт заключается п закачке расчетного объема
В применяемых отечественных парогенераторпых установках ти- теплоносителя через нагнетательные скважины, создание тепло-
В.И. Кудинов. Основы нефтегазопромыслового дела
Плана XVI. Воздействие на нефтяной пласт теплом
вон оторочки и последующее продвижение ее по пласту в сторону добывающих скважин закачиваемой ненагретой водой.
Увеличение нефтеизвлечения из продуктивного пласта при нагнетании в пего теплоносителя происходит за счет изменения свойств нефти и воды, находящихся в пласте, в результате повышения температуры. С увеличением температуры вязкость нефти, се плотность и межфазовое отношение понижаются, а упругость паров повышается, что положительно влияет на нефтеизвлеченис. В качестве рабочего агента применяется водяной пар или горячая вода, которые обладают высокой удельной теплоемкостью и хорошими нефтевытесняющими способностями.
В процессе закачки пара нефтяной пласт нагревается в первую очередь за счет использования скрытой теплоты парообразования. При этом пар, поступая в поровое пространство, конденсируется. Нагрев пласта в дальнейшем осуществляется уже за счет использования теплоты горячего конденсата, вследствие чего он охлаждается до начальной температуры пласта. При вытеснении нефти паром имеет место улучшение испарения углеводородов за счет снижения их парциального давления.
Снижение парциального давления связано с наличием в зоне испарения паров воды. Из остаточной нефти испаряются легкие компоненты и переносятся к передней границе паровой зоны, где они снова конденсируются и растворяются в нефтяном валу, образуя оторочку растворителя, которая обеспечивает дополнительное увеличение нефтеизвлечения. При температуре 375° С и атмосферном давлении может дистиллироваться (перегоняться) до 10% нефти плотностью 934 кг/м3. При паротепловом воздействии и пласте образуются три зоны:
1) зона вытеснения нефти паром;
2) зона горячего конденсата, где реализуется механизм вытес
нения нефти водой в неизотермических условиях;
3) зона, не охваченная тепловым воздействием, где происходит
вытеснение нефти водой пластовой температуры.
Псе)ти зоны испытывают взаимное влияние. Повышение иефтеизвлечеиия из продуктивного пласта при закачке пара достигается за счет снижения вязкости нефти, в результате чего
улучшается охват пласта воздействием; за счет расширения нефти, перегонки ее паром и экстрагирования растворителем, что повышает коэффициент вытеснения. Вязкость нефти значительно снижается с увеличением температуры, особенно в интервале 30-80° С. Сравнительно высокая скорость снижения вязкости нефти наблюдается при начальном увеличении температуры (выше пластовой). С повышением температуры вязкость нефти уменьшается более интенсивно, чем вязкость воды, что также положительно влияет на повышение нефтеизвлечения. Снижение вязкости нефти при ее нагреве приводит к увеличению коэффициента подвижности нефти, что существенно влияет на коэффициент охвата пласта вытесняющим агентом как по толщине пласта, так и по площади.
На рис. 129 приведены кривые зависимости объемного коэффициента охвата пласта вытесняющим агентом от температуры для тяжелой и легкой нефти.
GO |
100 ' 80 |
x Si |
■д |
A | |||
,_ ^ | |||
/ | |||
I §4° I |
«Й я о 40 |
b 60 |
й 3 5 3 20 О £ |
3 £ .£ S 20 О =г |
■e- £ 0 |
110 170 230 |
Как видно, коэффициент охвата увеличивается интенсивнее для тяжелой нефти.
50 ПО 170 230
Температура, °С
Рис. 129. Зависимость остаточной нсфгеиасыщсиности (а) и объемного коэффициента охвата пласта вытесняющим агентом (6) от температуры пластового флюида (проницаемость пласта 1 мкм, начальная водонасыщеиность 25%, водонефтяной фактор более 50): 1,2 — нефть плотностью, соответственно, 876 и 986 кг/м.
В.И. Кудимов. Основы нефтегазопромыслового дела
Глава XVI. Воздействие на нефтяной пласт теплом
В процессе закачки пара нефть в зависимости от ее состава может расширяться, за счет чего появляется дополнительная энергия для вытеснения пластовых жидкостей.
При вытеснении легко испаряющейся нефти высокотемпературным паром более легкие фракции нефти переходят в паровую фазу, т.е. возможна перегонка нефти. В более холодной зоне пласта эти фракции конденсируются, образуя впереди паровой зоны вал растворителя или смешивающийся вал.
Увеличению пефтеизвлечения при паротепловом воздействии могут способствовать эффект газонапорного режима, изменение относительных проницаемостей и их подвижностей и др.
По мере продвижения через пласт пар нагревает породу
и содержапгуюся в нем нефть и вытесняет се по направлению
к добывающим скважинам. i i
Эффективность процесса вытеснения нефти теплоносителями зависит от термодинамических условий пласта, свойств пластовых жидкостей, пористой среды, применяемой технологии и других факторов и может изменяться в широких пределах. Па механизм вытеснения нефти (жидкости) существенно влияют поверхностные свойства системы нефть-вода-порода. С повышением температуры уменьшается толщина адсорбционного слоя поверхностно-активных молекул нефти на поверхности поровых каналов, вследствие чего проницаемость пласта для нефти увеличивается. Лабораторными исследованиями установлено, что капиллярная пропитка происходит как при низких, так и при высоких температурах. В то же время с повышением температуры капиллярная пропитка их происходит значительно быстрее. При принятии решения об использовании паротеплового воздействия необходимо учитывать, что нефтеиасыщенная толщина продуктивного пласта должна быть не менее 6 м. Процесс вытеснения нефти паром (в случае если толщина пласта менее 6 м) будет неэкономичным из-за значительных потерь теплоты через кровлю и подошву залежи. Глубина залегания пласта не должна превышать 1000 м из-за потерь теплоты в стволе скважины, которые достигают примерно 3% на каждые 100 м глубины скважины
и больших технических трудностей по обеспечению прочности колонны.
Проницаемость пласта не должна быть менее 0,1 мкм. Если общие потери теплоты в стволе скважины и в пласте превышают 50% от поступившей к устью скважины теплоты, то процесс па-ротеплового воздействия будет неэффективным и неэкономичным.
Увеличению нефтеизвлечения при ПТВ способствуют несколько факторов. Влияние отдельных факторов на нефтеизвле-чение при вытеснении нефти паром примерно принято считать следующее:
- за счет снижения вязкости нефти;
- за счет эффекта термического расширения;
- за счет эффекта дистилляции;
- за счет газонапориого режима;
- за счет увеличения подвижности нефти.
В процессе закачки теплоносителя (ПТВ, ВГВ) в продуктивный пласт неизбежны большие потери теплоты, а также температуры теплоносителя при его закачке от устья до забоя скважины. Одним из важнейших параметров является энтальпия (теплосодержание на единицу массы) теплоносителя, непосредственно поступающего в продуктивный нефтяной пласт. Для определения энтальпии необходимо знать тепловые потери в наземных коммуникациях (от парогенераторов до устья паропагне-тательной скважины), в стволе скважины, а также тепловые потери в продуктивном пласте. Учитывая, что точность определения теплопотерь низкая, пользуются упрощенными (приближенными) расчетами. Пар или нагретая вода подается в скважины по поверхностным теплоизолированным трубопроводам или по трубопроводам, заглубленным в землю. При стационарном режиме течения теплоносителя в трубопроводе процессы конвективного теплообмена (перенос тепла) на поверхности трубы сравнительно быстро стабилизируются и устанавливаются стационарный тепловой и гидродинамический режимы течения внутри трубопровода.
В.И. Кудимов. Основы иефтегазопромыслового дела
Глапа XVI. Г1оздействие на нефтяной пласт теплом
л | ||||||
—- | — | ш ш | ||||
.------------------------------ ■ | — | • | _^— | |||
/ |
Т,°С 140 100 G0 20 |
170 160 150 140 |
о |
В случае заглубления трубопровода в землю (без термоизоляции) окружающая среда может практически неограниченно поглотать отдаваемую трубопроводом теплоту. Снижение температуры (охлаждение) горячей воды при закачке в пласт можно рассчитать по упрощенной расчетной схеме А.Ю. Памиота:
(121),
где T(Zj) - соответствующая температура на заданной глубине Z через / часов после начала закачки горячей воды, °С; То -
приведенная к устью скважины температура нейтрального слоя земли, °С; Ту - температура закачиваемой горячей воды на устье
скважины, °С; Г - геотермический градиент, °С/м; Z - глубина от устья в м; р - показатель, характеризующий теплообмен с окружающей средой с размерностью м"1.
Р=
X d
где g - расход нагнетаемой воды, м3/ч; Cmpm - объемная теплоемкость воды, кДж/м °С; X — средний коэффициент теплопроводности среды, окружающей трубу, по которой закачивается горячая вода, кДж (м-г-°С); d - наружный диаметр трубы, по которой осуществляется закачка горячей воды, м; Z(t) - радиус теплового влияния, зависящий от времени закачки теплоносителя, м.
Z(O«2VJcf, " (123)
где t - продолжительность закачки, ч; х ~ средний коэффициент температуропроводности среды, окружающей трубу, по которой производится закачка горячей воды, м3/ч.
Результаты расчетов по формуле (121) показаны на рис. 130.
Из рисунка 130 следует, что температура на забое при прогреве вначале повышается и через некоторое время стабилизируется. Потери температуры на глубине 500 м составляют примерно 10° С, на глубине 1000 м - 17°С, а на 1500 м - 25° С.
Динамика прогрева продуктивного пласта показана на рис. 131.
V | [К | ч | ||
\ | \ | ч |
(,сут. |
0 80 100 240 320
Рис. 130. Изменение темпера- Рис. 131. Динамика прогрева: туры на забое от длительности 1 - через 1 год; 2 - через 2 года; закачки (Q = 600 м3/сут) горя- 3 - через 3 года; 4 - через 8 лет чей воды с температурой на устье 180° С па разных глубинах (диаметр 168 мм): 1 - 500 м; 2-1000 м;3-1500 м
Принимается, что начальная пластовая температура 20° С, температура на забое 170° С (постоянная), фильтрация горячей воды по пласту происходит с постоянной скоростью 0,006 м/ч при суточной закачке 720 м3/сут через нагнетательные скважины, расположенные на 1000 м друг от друга. Толщина пласта 10 м. Как видно из рис. 131, тепловой фронт при таких параметрах через год продвинется на 80 м. Впереди этого фронта температура пласта остается первоначальной, и вытеснение нефти будет происходить при обычных условиях.
Технологически при НТВ формируется так называемая тепловая оторочка вокруг каждой нагнетательной скважины, которая затем перемещается посредством закачки холодной воды в эти же нагнетательные скважины. Объем оторочки теплоносителя для каждого месторождения определяется расчетным путем с учетом геологическою строения залежи, типа коллектора, физико-химических свойств нефти и так далее. Обычно ее принимают равной 0,6-0,8 объема пор пласта и затем закачивают два-три объема норового пространства холодной водой. Коэффициент нефтеизвле-
В.И. Кудимов. Основы нефтегазопромыслового дела
Глава XVI. Воздействие на нефтяной пласт теплом
чения с использованием термических методов на месторождениях с высоковязкими исфтями составляет 0,25-0,27.