Физические основы водогазового воздействия на нефтяной пласт

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области «Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Кафедра Общей и прикладной геофизики.

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему : «Физические основы водогазового воздействия на нефтяной пласт»

                                                                                                  Автор работы:                                                                                   

                                                                                                                  Соколов А.С.                                                                                                                                            (ФИО)                                                                                                               

                                                                                                  Научный руководитель:                                                                                                                                 проф.  Симкин Э.М.

                                                                                                                ( ФИО)                                                                                   

                                                                                                                Дата сдачи:

                                                                                                                «____»______________2011 г.

                                                                                                                Дата защиты:

                                                                                                                «____»_____________2011 г.

                                                                                                                Оценка: __________________

Дубна, 2011

Оглавление

Введение

Теория водогазового воздействия.

Показания к использованию ВГВ

Физика процесса

Моделирование процесса водогазового воздействия в среде ECLIPSE

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время переживаемые отечественной нефтяной отраслью проблемы вызваны причинами геолого-технического характера. В последние годы заметно изменилась сама структура запасов нефти. Наиболее крупные высокопродуктивные месторождения, обеспечивавшие высокие объемы добычи нефти в прошлые годы в настоящий момент значительно истощены. В общем объеме текущих запасов нефти возросла доля трудноизвлекаемых запасов, с освоением которых во многом связано дальнейшее развитие отечественной нефтяной промышленности. По мнению специалистов, доля трудноизвлекаемых запасов в общем балансе составит к 2020 до 75%. В настоящее время проектные значения нефтеотдачи вводимых в разработку месторождений устанавливаются всё ниже и ниже. Так, по некоторым данным, за период с 1965 г. по 2000 г. средняя проектная нефтеотдача по нашей стране снизилась с 48% до 35% (рис. В.1).

Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является водогазовое воздействие, основанное на чередующейся закачке газа и воды. Несмотря на новизну метода, на сегодняшний день около 25 % добываемой нефти из скважин опытных участков обеспечивается за счёт водогазового воздействия.

Таким образом, водогазовое воздействие — это воздействие на нефтяной пласт, при котором нефть вытесняет максимально возможно широкая фронтальная газовая оторочка, вслед за которой закачивают воду. Газ обеспечивает высокий коэффициент вытеснения, а вода высокий коэффициент охвата вытеснением.

Также водогазовое воздействии на пласт позволяет решить еще одну актуальную проблему- проблему утилизации попутного газа. Проблема утилизации попутного нефтяного газа встала перед нефтяниками не сегодня. Но все возрастающее внимание общества и государства к проблемам экологии заставляет нефтяные компании взглянуть на эту проблему с новой, экологической, а не технико-экономической  точки зрения. Это немаловажно, так как по данным на 2005 г. Россия по объему сжигаемого попутного нефтяного газа находится на втором “почетном” месте после Норвегии.

Добываемый на месторождении попутный нефтяной газ после сепарации можно использовать для нагнетания в пласт. В условиях, когда вблизи месторождения отсутствуют потребители природного газа (а это довольно распространенный случай для российских месторождений), применение попутного газа для ВГВ позволяет обезопасить окружающую среду от вредных воздействий, вызываемых сжиганием газа на факелах, а нефтяные компании –– избавить от штрафов за сжигание газа.

Теория водогазового воздействия.

Как было сказано выше, добываемый на месторождении попутный нефтяной газ после сепарации можно использовать для нагнетания в пласт.

При водогазовом воздействии (ВГВ) производится нагнетание в плаcт либо водогазовой смеси (SWAG), либо поочередное нагнетание оторочек воды и газа (WAG). Схема вытеснения при водогазовом воздействии (WAG).  представлена на рис.1. 

Эффективность водогазового воздействия по сравнению с заводнением особенно проявляется на месторождениях с геолого-физическими неоднородностями, месторождениях с плохими коллекторскими свойствами, словом на месторождениях, запасы  которых обычно относят к категории трудноизвлекаемых. Таким образом, можно сделать вывод о том, что необходимость бережного отношения к окружающей среде при разработке нефтяных месторождений, а также непррывное ухудшение структуры и качества запасов делают водогазовое воздействие все более и более привлекательным методом.

С точки зрения повышения нефтеотдачи основная особенность происходящих при водогазвоом воздействии процессов заключается в том, что происходит массообмен между нагнетаемым газом и нефтью.

При определенных условиях (давлении нагнетания, температуре, составах нефти и газа) массообмен между нефтью и газом может привести к тому, что в некоторой области пласта образуется смесь углеводородов переменного состава (Рис.2), которая на передней границе области полностью смешивается с нефтью, а на задней – с нагнетаемым газом. В этом случае  граница раздела между фазами исчезает и, следовательно, прекращается действие капиллярных сил, удерживающих остаточную нефть в пласте. Кроме того, растворяющийся в нефти газ способствует ее разбуханию и уменьшению вязкости. Все это способствует значительному увеличению нефтеотдачи. Газ, в отличие от воды, проникает даже в очень низкопроницаемые пропластки, что позволяет эффективно применять водогазовое воздействие даже на месторождениях с плохими коллекторскими свойствами.

Показания к использованию ВГВ

                            Форма и распределение остаточных запасов нефти, которые остаются в пласте за фронтом вытеснения определяются комплексом естественных (природных) и искусственных (технологиче­ских) факторов. Можно выделить следующие 6  наиболее характерных форм залегания остаточной нефти после заводнения.

              -Рассеянная нефть, которая находится в виде отдель­ных капель в порах и пленок на зернах скелета породы.

              -Скопления капиллярно-удержанной нефти на поверхности контактная границаов. В этих случаях остаточная нефтенасыщенность может достигать величины 0,7, несмотря на то, что  относительная проницае­мость  для нефти может быть близкой к нулю.

              -Целики в малопроницаемых линзах и блоках трещиновато-пористых коллекторов. Такие целики образуются в результате недостаточ­но эффективного вытеснения.

              -Целики, образованные из-за неустойчивости фронта вытесне­ния, вызванного неполнотой охвата заводнением сравнительно однород­ного коллектора за счет вязкостной или гравитационной неустойчивости.

              -Невыработанные малопроницаемые прослои и линзы. Скопле­ние остаточной нефти здесь обу­словлено проявлением начального градиента давления при фильтрации нефти или недостаточным временем вытеснения.

              -Целики, образовавшиеся в результате стягивания фронтов вы­теснения. В плане это участки пласта, оставшиеся невыработанными в результате проявления вязкопластичных свойств нефти. Размеры таких участков могут быть сопоставимы с расстоянием между скважинами.

              Физика процесса

Общим термодинамическим состоянием остаточных запасов нефти в обводненных пластах является ее недонасыщенность газом и приуроченность к наименее проницаемым зонам  пласта.

              Для того, чтобы понять механизм, лежащий в основе дополнительного извлечения нефти рассмотрим сначала как меняются свойства воды при совместном нагнетании с углеводородным газом.

              Известно, что растворимость углеводородных газов в воде зависит от давления, температуры и минерализации воды. Например, на рис.4 показана растворимость метана  в дистиллированной и минерализованной водах при  различ­ных давлениях и темпера­турах 

              Как видно, растворимость метана в воде относительно невелика (до 3 м3/м3), увеличивается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры. Причем, растворимость различных природных газов зависит от двух основных параметров: летучести и парци­ального объема газа. Так как летучесть и величина парциального объема при прочих равных условиях у различных газов различны, то и зависимость их растворимости в воде от давления различна.

              Увеличение минерализации приводит к снижению растворимости газа. При минерализации воды, не превышающей 10 г/л. эмпирическая  зависимость для растворимости газа имеет следующий вид:

где М - минерализация в мол/л

- коэффициент, зависящий от состава газа

Sдист. -               растворимость газа в дистиллированной воде

S - растворимость газа в минерализованной воде

              Влияние газа, растворенного в воде на вязкость системы, по-видимому, незначительное. В то же время, наличие в воде нерастворенного газа в виде мелких пузырьков существенно увеличивает ее вязкость.             

              Теоретически, водогазовую смесь, содержащую мелкодиспергированный нерастворенный газ можно рассматривать как однородную среду с присущими ей эффективными макроскопическими параметрами. Такое рассмотрение считается обоснованным, если размеры пузырьков газа много меньше расстояния между ними. В этом случае без учета коллективного взаимодействий пузырьков эффективная вязкость мелкодиспергированной смеси определяется следующим выражением

где - вязкость водогазовой смеси,

- динамическая вязкость воды,

- объем­ная газонасыщенность, 

k — коэффициент, зависящий от свойств воды  и диспергированного газа,

- объем диспергированного газа,

- объем воды.

              Для сферических пузырьков малого диаметра можно принять k = 2,5 и тогда имеем линейную зависимость вязкости водогазовой смеси от объемной газонасыщенности, которая показана на рис. 5

              Как видно из рис 2 в зависимости от объемной газонасыщенности  вязкость смеси может меняться в широком диапазоне. Например, при объеме диспергированного в воде газа равном 100 м3/м3 вязкость смеси может составить 250 сПз, т.е увеличивая газонасыщенность вязкость водогазовой системы можно повысить в несколько сотен раз.

              В нефтяной фазе растворимость углеводородного газа несоизмеримо выше чем в воде. Например, рис 5 показаны растворимости метана в Ромашкинской нефти и в дистиллированной воде при 600С.

              Как видно, растворимость метана в нефти по сравнению с водой почти не ограничена, причем, в рассмотренном интервале давления она  увеличивается линейно. В большинстве случаев предельная растворимость природных газов в нефти может составлять 300-400 м3/м3 и более.

Таким образом, при подходе водогазовой смеси к зонам, содержащим остаточную нефть, на контактных  границах происходят процессы перехода газовых пузырьков из более проницаемых обводненных зон в менее проницаемые нефтенасыщенные зоны и их растворение в недонасыщенной нефтяной фазе.

              Растворение газовых пузырьков в нефти сопровождается существенными изменениями ее объемного коэффициента, коэффициента усадки, плотности, давления насыщения и вязкости.

              В табл.1 показаны изменения термодинамических свойств остаточной нефти, обусловленные водогазовым воздействием для показанных начальных условий

Табл.1

              Из табл.1  видно, что вязкость пластовой нефти снижается в 2,2 раза. В то же время вязкость воды может быть увеличена до 150 раз путем изменения ее газонасыщенности.  Плотность нефти при этом снизилась в 1,07 раза.

              Очевидно, что изменения этих термодинамических свойств должно приводить к увеличению коэффициентов доизвлечения нефти из нефтенасыщенных зон. 

Для приведенного в табл. 1 примера изменения плотностей в результате водогазового воздействия получим , что прирост величины КИНа составит

              Этот результат в целом коррелируется с промысловыми и экспериментальными данными различных авторов, изучавшими эффективность водогазового воздействия.

              Закачиваемый в воду природный газ частично в растворенном виде, а в большей степени в виде нерастворенных пузырьков транспортируется  водогазовой смесью по высокопроницаемым водонасыщенным зонам пласта. Показано, что при этом, в зависимости от объемной газонасыщенности нерастворенного газа вязкость водогазовой смеси может увеличиваться в несколько сотен раз. 

              При встрече потока водогазовой смеси с малопроницаемыми зонами, содержащими остаточные запасы нефти, растворенный в воде газ и нерастворенные крупные газовые пузырьки, размеры которых превышают критические, свободно переходят сквозь границы водонефтяных контактов и, в силу более высокой растворимости нефтяной фазы, растворяются  в ней.

              Показано, что растворение газа в нефтяной фазе сопровождается снижениями вязкости и плотности нефти и увеличениями ее объемного коэффициента, коэффициента усадки и давления насыщения. В результате изменения этих факторов происходит увеличение коэффициент извлечения нефти             

              Оценка прироста коэффициента извлечения нефти только в результате снижения плотности нефти с увеличением газонасыщенности. На примере показано, что увеличение газонасыщенности может привести к приросту коэффициента извлечения на 7 %. Этот результат коррелируется с известными экспериментальными результатами.

Моделирование процесса водогазового воздействия в среде ECLIPSE

Далее рассмотрим простую модель нефтенасыщенного пласта в среде моделирования ECLLIPSE, представляющая из себя нефтеносный пласт, неоднородный по вертикали, и две скважины ─ нагнетательную (INJR-W,INJR-G), в которую попеременно закачивают воду и газ, и эксплуатационную (PRODUCER) (рис. 6). Мы рассматриваем временной промежуток длительностью в 19 лет, с шагом по времени 91 день. Свойства флюида зависят от поверхностного натяжения.

На рисунке мы видим изменение нефтенасыщенности пласта с течением времени, красным обозначены наиболее нефтенасыщенные области пласта, синим─ области в которых нефти нет.(рис. 7а,б). Из полученных данных, за расчетное время мы извлекаем большую часть нефти из моделируемого нами пласта, наиболее полное извлечение нефти наблюдается в области нагнетательной скважины и в верхней части пласта.

Также ECLIPSE позволят строить трехфазные модели─ вода-нефть-газ, что позволяет полнее изучить процесс водогазового воздействия на нефтеносный пласт. На данном рисунке можно проследить значительную обводненность пласта.

Благодаря водогазовому воздействию, как и сказано выше, мы получаем заметный рост КИН(а) (рис. 8) , но также стоит отметить, что значительно  повышается и  обводнённость пласта.

Заключение

Несмотря на сравнительную молодость, на сегодняшний день данный метод ВГВ имеет мощную теоретическую основу и активно применяется на практике. Благодаря этому методу мы имеем возможность решить сразу две серьезные проблемы современной нефтегазовой  отрасли─ добыча остаточной нефти и утилизации попутного газа. Такми образом, благодаря этому методу мы получаем:

1.                   улучшение экологической обстановки в районе разработки;

2.                   увеличение нефтеотдачи за счет повышения коэффициентов вытеснения и охвата;

3.                   снижение вязкости пластовой нефти и увеличение подвижности нефти в пласте;

4.                   поддержание пластового давления и, соответственно, более высоких темпов отборов нефти.

5.                   Решение проблемы использования попутного газа

Список литературы

1.       Чубанов О.В., Харланов С.А., Нургалиев Р.Г. Разработка и внедрение водогазовых методов повышения нефтеотдачи в ОАО «РИТЭК». –– Территория Нефтегаз, 2008

2.       Комков А.Е. ОАО «ВНИИнефть им. академика А.П.Крылова»  Теоретические основы и промысловый опыт применения водогазового воздействия

3.       Schlumberger ECLIPSE Справочноеруководство Версия 2005A_1

4.       . Симкин Э.М.,Кузнецов О.Л. «Лекции по разработке и эксплуатации нефтяных месторождений» Учебн. Пособие для ВУЗов РФ. М. «ИКИ» 2008

2