Применение звукового воздействия в практике нефтедобычи

Тема: Применение звукового воздействия в практике нефтедобычи

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковыми волнами называют колебания с частотой выше 20 кГц. Ультразвуковые волны распространяются в газообразной, жидкой и твердой  средах. В твердых телах наряду с продольными возникают поперечные волны, характерной особенностью которых является то, что частицы среды приводятся в колебательное движение, перпендикулярное к направлению распространения волн. Ультразвуковые колебания, распространяясь в среде, создают дополнительное давление сверх среднего, существующего в данной среде.

Весьма важным свойством ультразвука  является возможность получения  таких мощных колебаний, которые  невозможно получить в акустике слышимого диапазона.

Применение ультразвуковых колебаний позволяет значительно ускорить процесс очистки призабойной зоны пласта (ПЗП). Наибольшего эффекта в процессах ультразвуковой очистки пласта можно достичь при сочетании кавитационного воздействия с химическим. Для этого необходимо подобрать такую рабочую жидкость, которая бы хорошо растворяла соответствующие загрязнения в ПЗП, а также обладала физико-химическими параметрами, обуславливающими достижение наибольшей интенсивности ударных волн. 
Ультразвук - продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частот 16-32 kГц. Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение  ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражением. Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, распространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты - радиационное давление (избыточное давление испытуемое препятствием вследствие воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавитация и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.

Пластическая деформация и упрочнение. Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: акустическое разупрочнение и акустическое упрочнение. Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упрочение металлов достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности. Акустическое разупрочнение является результатом активации дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время происходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход пластической деформации. При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки.

С середины 1970-х годов на месторождениях Пермской области проводились экспериментальные и теоретические работы по использованию гидродинамических излучателей. Так, в системе ППД использовались пластинчатые и вихревые излучатели, а при бурении, освоении скважин и изоляции водо- притоков – вихревые излучатели.

Волновые методы можно разделить  на импульсные разового действия, включая  единственный случай, когда с исследовательскими целями по нефтяному карбонатному пласту шарахнули атомной бомбой (Ишимбайское месторождение нефти). Волновые методы включают также низкочастотное и акустическое воздействие, в том числе ультразвуковое. Наибольшее применение находят методы воздействия на призабойную зону пороховыми газами, электрогидравлическим ударами, мгновенными депрессиями, а также вибрационные и акустические воздействия.

Чтобы не получить обратный результат при очистке ПЗП, нужно учитывать имеющиеся в этой технологии тонкости. Для реализации разрушения структуры грязи в объеме пористой системы ПЗП, т. е. создания оптимального динамического состояния, соответствующего максимальной текучести загрязняющих веществ, необходимо такое сочетание вибрационных воздействий и модифицирования поверхности частиц грязи с помощью ПАВ, при котором не только облегчается разрушение структуры, но и исключается вероятность возникновения новых контактов в результате пробоя адсорбционного слоя.

1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Общие сведения о месторождении

Туймазинское месторождение расположено  в юго-западной части Башкортостана на территории Туймазинского района в 180 км от г. Уфы.

Месторождение открыто в 1937 году. С  вводом его в промышленную разработку Туймазинский район из сельскохозяйственного превратился в один из крупнейших промышленных районов Башкортостана. На территории месторождения вырос г. Октябрьский с населением 110 тысяч жителей. Основными населенными пунктами, кроме г. Октябрьского, являются г. Туймазы, районный поселок Серафимовский, станция Уруссу и др. Ближайшей железной дорогой является линия Уфа-Ульяновск. Ближайший магистральный нефтепровод Усть-Балык-Уфа-Альметьевск. В географическом отношении изучаемая территория представляет холмистую равнину, расчлененную на отдельные гряды сетью речек, крупных и мелких оврагов. Абсолютная отметка 268 м.  Основной водной артерией является р. Ик – левый приток р. Камы. Основными полезными ископаемыми являются нефть и строительные материалы. Последние представлены глиной, песком, известняком, песчаником и гравием. Некоторые глины пригодны для приготовления глинистого раствора, необходимого для бурения скважин. Обзорная схема Туймазинского месторождения представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Обзорная схема Туймазинского месторождения.

2. Стратиграфия

На  Туймазинском месторождении скважинами вскрыты пермские, каменноугольные, девонские, бавлинские отложения и породы кристаллического фундамента. Отложения кристаллического фундамента рифейской системы докембрия представлены биошитовыми парагнейсами и гранитами. На биошитовых гнейсах кристаллического фундамента несогласно залегают зеленовато-серые гидрослюдистые аргиллиты, которые переслаиваются с кварцево-палеошпатовыми алевролитами, присутствуют редкие прослои песчаников.

В нижней части горизонтов (кальцеоловый D₂^cv и такатинский D₁^tk) верхнего подъяруса эмского яруса среднего девона девонской системы залегает песчано-гравийный пласт DV кварцевого состава, мощность от 0 до 9 метров. Песчаники перекрываются аргиллитами и глинистыми алевролитами, мощность горизонта от 1 до 12 метров.

Бийский горизонт (D₂^bs) нижнего подъяруса (D₂ef1) эйфельского яруса (D₂ef) представлен известняками серыми с редкими прослоями мергелей, аргиллитов и алевролитов глинистых и известковистых. В промысловой практике они получили название “нижний известняк”, мощность горизонта от 6 до 12 метров.

Афонинская свита (D₂^af) верхнего подъяруса (D₂ef2) выделяется несколько условно, так как руководящей фауны в разрезах толщ не найдено. Эти отложения можно выделять в некоторых скважинах над репером “нижний известняк” в виде маломощной пачки глинисто-карбонатных темно-окрашенных пород мощностью от 0 до 4 метров.

Воробьевский горизонт (D₂^vr) старооскольского надгоризонта (D₂^st) живетского яруса (D₂g) имеет не повсеместное развитие, представлен алевролитами и аргиллитами. Мощность горизонта от 0 до 3 метров.

Ардатовский горизонт (D₂^ar) сложен преимущественно терригенными породами. В его составе выделяются нижний песчанистый пласт DIV, песчаный пласт DIII и карбонатная пачка “средний известняк”. В большинстве разрезов известняки перекрываются мергельно-аргиллитовой пачкой, в породах которых встречаются включения сидерита. Мощность горизонта 20 - 40 метров.

К муллинскому (D₂^ml) горизонту относят песчаный пласт DII кварцевый, мелкозернистый, переходящий местами в крупнозернистые алевролиты. Верхняя аргиллитовая карбонатная пачка является метологическим разделом между песчанистыми пластами DII и DI и называется “глинистым разделом”.

Он частично размыт, а местами  произошел полный размыв. В местах полного размыва отмечается слияние  песчанистых пластов DII и DI. Мощность горизонта составляет 19 - 33 метра.

Пашийский горизонт (D₃^ps) надгоризонта Коми (D₃^kоm) нижнего подъяруса (D₃f1) франского яруса (D₃f) верхнего девона (DIII) представлен песчанистыми и песчано-алевролитовыми породами с прослоями аргиллитов. Его граница совпадает с границами промыслового объекта – пласта DI. Песчаники пласта DI кварцевые, мелкозернистые с незначительным количеством кварцевого, глинистого и карбонатного цемента. Алевролиты по составу кварцевые с различной степенью примеси глинистого материала. Мощность меняется от 15 до 50 метров.

Кыновский горизонт (D₃^kn) сложен аргиллитами зеленовато-серыми и коричневыми, сланцеватыми и оскольчатыми. В основании горизонта прослеживается прослой известняка репер “верхний известняк”. Мощность отложений кыновского горизонта составляет от 25 до 35 метров.

Саргаевский горизонт (D₃^sr) российского надгоризонта (D₃^ros) среднего подъяруса (D₃f2) представлен известняками серыми, зеленовато-серыми, кристаллическими, пелитоморфными, иногда тонкозернистыми, глинистыми, трещиноватыми, прослоями битуминозными с прослойками аргиллитов темно и зеленовато-серых, известковистых.

Доманиковый горизонт (D₃^dm) представлен переслаиванием темно-серых глинистых битуминозных известняков с зеленовато-серыми и черными мергелями, встречаются глинистые сланцы. Мощность – 28 - 32 метра.

Горизонты (мендымский D₃^md, орловский D₃^or и аскынский D₃^ask) донского надгоризонта (D₃^don) верхнего подъяруса (D₃f3) слагаются известняками светло-серыми, реже коричневато-серыми, кристаллическими, сульфатизированными, участками глинистыми. Также имеются известняки органогенные, сгустковые, перекристаллизованные, пористо-кавернозные, с редкими прослоями доломитов мелкокристаллических, сульфатизированных, глинистых. В мендымском горизонте встречаются известняки с прослоями мергеля черного, битуминозного. Мощность – 60 метров.

Нижнефаменский подъярус (D₃fm1) фаменского яруса (D₃fm) представлен плотными кристаллическими доломитами с подчиненными прослоями известняков, ангидритов и глин. Мощность – 105 - 155 метров.

Данковский (D₃^dn) и лебединский (D₃^lb) горизонты среднего подъяруса (D₃fm2) сложены темно-серыми, пелитоморфными и органогенно-обломочными водорослевыми известняками. Последние играют подчинительную роль. Мощность подъяруса – 60-70 метров.

Заволжский надгоризонт (D₃^zv) верхнего подъяруса (D₃fm3) представлен известняками светло-серыми со слабым коричневатым оттенком, тонкокристаллическими, сульфатизированными, неравномерно глинистыми, прослоями брекчевидными и пористо-кавернозными. Мощность – 55 - 60 метров.

Малево-упинский горизонт (упинский С₁^uр и малевский С₁^me) нижнего подъяруса (С₁t1) турнейского яруса (С₁t) нижнекаменноугольного отдела каменноугольной системы сложен серыми и светло-серыми известняками органогенными обломочными, пелитоморфными, в нижней части серые и коричневато-серые известняки доломитизированные. Мощность – 30 - 35 метров.

Кизеловский (C₁^ksl) и черепетский (С₁^crp) горизонты верхнего подъяруса (С₁t2) cложены известняками серыми, светло-серыми, органогенными, редко окременелыми тонкокавернозно-пористыми, участками нефтенасыщенными известняками с мелкокристаллической структурой, с прослойками доломита. Мощность – 45 - 50 метров.

Бобриковский горизонт (C₁^bb) кожимского надгоризонта (C₁^kzh) нижнего подъяруса (С₁v1) визейского яруса (C₁v) представлен терригенными отложениями-песчаниками, алевролитами с прослоями углистого материала. По литологическому составу толща расчленяется на две пачки: нижнюю пачку – аргиллито-глинистую и верхнюю песчано-алевролито-глинистую. Мощность – 10 - 16 метров.

В подошве тульского горизонта (С₁^t1) окского надгоризонта (С₁^оk) верхнего подъяруса (С₁v2) наблюдаются прослои мергелей, аргиллитов. Выше залегают темно-серые известняки, прослоями сильно глинистые, алевролитовые. Мощность горизонта – 20 - 40 м.

Алексинский (C₁^al), михайловский (С₁^m) и веневский (С₁^vn) горизонты представлены темно-серыми доломитами. В кровле залегают известняки. Прослоями они органногенные и доломитизированные. Мощность – 110 - 125 м.

Серпуховский ярус (C₁s). Доломиты светло-серые и белые, серые, пористо-кавернозные, прослоями плотные, редко участками глинистые, с включениями ангидрита голубовато-серого, кристаллические, участками органогенные, частично доломитизированные, глинистые. Мощность – 130 - 135 м.

Башкирский ярус (С₂b) представлен известняками органогенными со стиллалитовыми швами. Мощность – 15 - 25 метров.

В подошве верейского горизонта (C₂^vr) нижнего подъяруса (C₂m1) московский ярус (C₂m) залегают темно-серые мергели. Выше идет чередование алевролитов и аргиллитов с маломощными прослоями мелкозернистых песчаников. Известняки органогенные, прослоями оолитовые. Мощность – 45 - 55 метров.

Каширский горизонт (C₂^ks). Серые доломиты, слабо глинистые. Известняки доломитизированные, редко органогенные. Мощность – 55 - 68 метров.

Подольский горизонт (C₂^pd) верхнего подъяруса (C₂m2) представлен доломитами с включением гипса и ангидрита. В кровле залегают известняки       светло-серые и органогенные. Мощность – 50 - 64 метров.

Мячковский горизонт (C₂^mc) сложен известняками и доломитами, слегка глинистыми. Существует прослой зеленовато-серой глины. Мощность –                     100 - 125 метров.

Касимовский ярус (C₃k) и гжельский ярус (C₃g) верхнекаменноугольного отдела представлен доломитами и сильно доломитизированными известняками с включением гипса и ангидрита. Мощность – 150 - 170 метров.

Сакмарский ярус (P₁s) и ассельский ярус (P₁a) нижнепермского отдела представлены светлыми и светло-серыми известняками, кристаллическими и органогенно-обломочными серыми доломитами, а также доломитами реликтово-органогенно-обломочными. Мощность – 150 - 170 метров.

Артинский ярус (P₁ar) представлен известняками и серыми доломитами.       В верхней части этот ярус представлен ангидритом. Мощность – 8 - 25 метров.

Кунгурский ярус (Р₁k) в нижней части представлен доломитами глинистыми. Выше ангидрит голубовато-серый с включениями и прослоями серых доломитов и темно - серых глин. В кровле яруса залегают гипсы, известняки и доломиты с прослоями глин, песчаников, а участками брекчий. Мощность – 80 - 140 метров.

Уфимский ярус (Р₂uf) представлен чередованием песков и буровато-красных глин. Мощность – 90 - 100 метров.

Спириферовый подъярус (P₂kz1) и конхиферовый подъярус (P₂kz2) казанского яруса (Р₂kz) представлены светло-серыми и зеленовато-серыми песчаниками, крепкими и известковыми. Глины – зеленовато-серые. Мощность –  25 - 30 метров.

Четвертичная система. Эти отложения  развиты по долинам рек и у  подножья склонов. Литологически эти отложения представлены песками, суглинками и глинами, редко галечником. Мощность – 8 - 10 метров.

1.3. Нефтегазоносность

Самым нижним нефтеносным горизонтом является песчаный пласт DIV, в котором обнаружена небольшая залежь нефти на Александровской площади, размеры залежи 8,5×3,5 км при высоте пласта 8 метров на Туймазинской площади и 1×2,5 км при высоте пласта 4 метра. Залежь пластовая - сводовая. Начальное пластовое давление 17,75 МПа, водонефтяной контакт – 1530 м, нефтенасыщенная толщина 4,6 м. Начальный и текущий режим залежи упруго-водонапорный.

Следующим нефтеносным горизонтом является песчаный пласт DIII. Начальное пластовое давление 17,36 МПа. В пласте выявлено пять небольших залежей, из них два на Александровской площади. Песчаники пласта характеризуются резкой литологической изменчивостью. Режим залежей упруговодонапорный с ограниченным притоком воды.

Одним из основных нефтеносных горизонтов является пласт DII. Песчаники пласта кварцевые, мелкозернистые. Залежь - пластовая, сводовая, размеры 18×7 км, высота пласта 33 м, ВНК (водонефтяной контакт) – 1483,3-1493,9 м, средняя проницаемость 0,404 мкм², средняя пористость – 22,1%, эффективная средняя толщина составляет 15,6 метра, глубина залегания 1798-1826 м, начальное пластовое давление 16,92 МПа.

Основной объект разработки Туймазинского  месторождения приурочен к песчаникам пласта DI. Глубина залегания 1764-1784 м. Песчаники пласта кварцевые, мелкозернистые. Пласт делится на три продуктивные пачки: верхнюю, среднюю и нижнюю. В верхней пачке (эффективная толщина 1,5 м) выделено 82 залежи структурно-литологического и литологического типов. Размеры залежей: небольшие 0,5×2 км и крупные 11×7 км. Начальное пластовое давление 16,92 МПа. Начальный режим работы пласта упруго-водонапорный. С 1948 года пласт работает с поддержанием пластового давления, сейчас пласт находится в заключительной стадии разработки. Пористость – 20,4%, проницаемость 0,268 мкм². В средней и нижней пачке (средняя эффективная толщина 6,4 м) выявлены четыре залежи, из которых  наиболее  крупная  (42×22 км), остальные залежи небольшие, ВНК – 1486,6-1489,2 м. Пористость – 21,1%, проницаемость – 0,520 мкм². Пласт разрабатывается с 1945 года на естественном упруго-водонапорном режиме, а с 1949 года с поддержанием пластового давления, сейчас пласт находится в заключительной стадии разработки.

Нефтепроявления промышленного значения выявлены в карбонатных осадках фаменского яруса. Продуктивные отложения представлены известняками. Залежи относятся к структурно-литологическим. Режим работы залежей можно рассматривать как режим истощения. Средняя мощность пласта 18 м. Средняя пористость – 3%. Средняя проницаемость – 0,25 мкм². В отложениях верхнефаменского подъяруса выявлено двадцать три залежи, которые относятся к структурно-литологическим. Начальное пластовое давление 13,76 МПа. Залежи разрабатываются с поддержанием пластового давления.

Промышленная нефть имеется  в верхней части известняков  турнейского яруса. Верхняя часть кизиловского горизонта представлена пористыми известняками, толщиной около шести метров. В продуктивной пачке установлено шестнадцать залежей нефти. Основная залежь имеет размер 30×8 километров при высоте пласта сорок пять метров.  Нефтенасыщенная толщина девять метров, ВНК – 971-982 м. Рядом расположена вторая залежь 8×3,5 км, высота – 15,5 м. Средняя проницаемость – 0,217 мкм². Начальное пластовое давление 11,2 МПа. Первоначальный режим залежи упруго-водонапорный, на сегодняшний момент пласт разрабатывается с поддержанием пластового давления.

В настоящее время в пределах Туймазинского месторождения выявлено девять основных продуктивных объектов, при опробовании которых получены промышленные притоки нефти: пласты DIII и DIV в отложениях старооскольского горизонта, пласт DII в муллинских отложениях, пласт DI в пашийских отложениях, продуктивный пласт в кровле турнейского яруса, продуктивная толща в терригенных отложениях нижнего карбона, в карбонатах заволжского и алексинского горизонтов. Таким образом, Туймазинское месторождение является многопластовым. В настоящее время эксплуатируются пласты DI, DII, DIII, DIV, песчаники бобриковского горизонта, известняки верхнефаменского подъяруса и турнейского яруса.

Рис. 2.  Геологический профиль Туймазинского месторождения

Таблица 1

Характеристика  продуктивных пластов и объектов

1.4 Физико-химические свойства нефти и газа

Основные параметры пластовых нефтей могут варьировать в значительных пределах. На Туймазинской площади по направлению от центра к периферии залежи пласта DI происходит изменение давления насыщения от 9,4 до 8,2 МПа. На Александровской площади нефть в пластовых условиях имеет меньшую плотность (792 г/см³) и вязкость (2,02 мПа×с). В компонентных составах нефтяного газа, выделившегося при однократном разгазировании в стандартных условиях преобладает метан (29,21%), присутствует азот до 6,06%.

Нефти терригенной толщи нижнего карбона также имеют различные параметры. Так, давление насыщения нефти газом изменяется от 2,5 до 6,85 МПа.   В компонентных составах нефтяного газа, разгазированной и пластовой нефтей выделены углеродистые соединения от метана до гексана. Сероводород присутствует в количестве 0,8 - 1,4%. Начальное газосодержание изменяется от 13,3 до 27,3 м /т и в среднем 22 м /т. В целом нефти терригенной толщи нижнего карбона высоковязкие (12,4 мПа×с), тяжелые (884 - 980 г/см³), смолистые               (13,2% масс) и парафинистые (3,2 - 3,5%).

Пластовые воды девонских пластов  представляют собой хлоркальциевые рассолы. Общая минерализация их составляет 275 г/л, а плотность достигает            1190 кг/м. Газосодержание в водах составляет 2,73 м³/т. В составе воды терригенной толщи нижнего карбона преобладают ионы хлора и натрия. Содержание ионов хлора и натрия соответственно равно 4,49 и 3,3 млн. молей/м³, общая минерализация достигает 8,08 млн. молей/м³. Средняя температура пласта равна 18,30 С°. Вязкость воды в пластовых условиях равна 1,6 мПа×с.

Свойства и характеристика поверхностных  нефтей приведены в таблице 2. Свойства нефтяного газа приведены в таблице 3.

Таблица 2

Характеристика пластовых  нефтей

Таблица 3

Характеристика нефтяного  газа

2. РАСЧЕТНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Механизм  работы вихревого гидродинамического  излучателя

Вибратор гидродинамический представляет собой многопластинчатый гидродинамический  излучатель, состоящий из погружённых  в жидкость прямоугольных щелевых сопел и заострённых в сторону струи пластин. Схематический вид вибратора изображён на рис. 3.

Рис. 3. Схема гидродинамического вибратора:

1 — сопло, 2 - пластина

При натекании на пластинку жидкости в ней возбуждаются изгибные колебания, основная собственная частота которых f n=(β h)/(L²/p) , где b = 0,162 – коэффициент пропорциональности, зависящий от способа крепления пластинки, L и h – длина и толщина пластинки, E – модуль упругости материала пластинки, r – плотность материала пластинки. В натекающей струе возникают автоколебания с частотой f c=kV /l , где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы струи, V – скорость струи, l – расстояние между соплом и пластиной. Для возбуждения интенсивных колебаний (т.е. возникновения резонанса) необходимо, чтобы f n= f c , что легко осуществляется регулировкой скорости струи и изменением расстояния между соплом и пластиной. Пластинчатые излучатели в зависимости от геометрических размеров пластины и упругих её свойств генерируют колебания с частотами 0,05 . 35 кГц.