автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Кинетика процессов перемешивания фаз при неустойчивом вытеснении пластового флюида смешивающимися агентами



ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЩИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ

И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 622.

КОВАЛЁВА НАША ВАДИМОВНА

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ_ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ФАЗ ПШ НЕУСТОЙЧИВОМ ВЫТЕСНЕНИИ ПЛАСТОВОГО ФЛЮИДА СМЕШИВАДРЖСЯ АГЕНТАМИ

Специальность 05.15.05 - Разработка и эксплуатация

нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991 -

Л </ / С:

Диссертационная работа выполнена на кафедре разработки и эксплуатации газовых и гаэоконденсатных месторождений Гос> дарственной ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного знамени Академии нефти и газа имени И.М.Губкина.

Научный руководитель,

доктор технических наук,профессор Ю.П.Коротаев Лауреат Государственной премии СССР

Научный консультант,

кандидат технических наук М.Б.Панфилов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,профессор Р.М.Тер-Саркис

доктор технических наук А.Б.Золотухин Ведущее предприятие - ВолгоградНИПИнефть

_ час. на заседании Специализированного Совета К.053.27.

по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Государственной Академии нефти и газа имени И.М.Губкина по' адресу: 117913, Москва,Ленинский проспе д. 65, аудитория 731.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАНГ име И.М.Губкина.

Защита диссертации состоится

Автореферат

специализированного

Ученый секретар

кандидат технических-наук, доцент

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тематики исследования.В теории методов повышения нефте- и конденсатоотдачи пластов практически неисследованными являются процессы самопроизвольного переформирования залежей после закачки в них смешивающихся агентов. При закачке маловязких агентов,например,газа в нефтяной пласт гидродинамическая устойчивость процесса нарушается,происходит быстрое разрушение фронта вытеснения и прорывы языков газа.

В этих уеловиях,когда эффективность вытеснения резко падает, не меньшее значение приобретает второй этап процесса, когда после закачки газа начинается его растворение в нефти. За счет такого разжижения нефти можно добиться заметного да-дения ее вязкости, что приведет к повышению нефтеотдачи при вторичной добыче.

Повышение объемов закачки при этом может привести к еще большему эффекту:•такому сильному изменении состава нефти, что она перейдет в газообразное состояние.

Оценки характерных показателей процесса и прежде всего времени перемешивания в настоящее время, отсутствуют прежде всего из-за неопределенности масштабов, на которых происходит перемешивание фаз в пласте, или, что то же самое - отсутствия даже грубых оценок площади контакта фаз в среде. Время перемешивания фаз в пласте пропорционально площади их контакта, а потому существенно зависит от структуры фронта вытеснения, степени его дисперсии и в конечном счете от соотношения вязкостей фаз. Поэтому определение характерных показателей процесса перемешивания представляет собой новую, актуальную проблему в теории методов повышения компонентоотдачи пластов.

Цель работы.Целью настоящей работы является построение математической модели цроцесса перемешивания пластовой нефти с закачиваемыми смешивающимися агентами, разработка методики расчета изменения фазового состояния пластового флюида в результате процесса перемешивания.

Основные задачи исследований.

1. Построение вероятностной модели газонефтяного поля, образующегося при закачке маловязких агентов в нефтяные пласты.

2. Определение характерных геометрических масштабов фрактальных структур, на которых происходит перемешивание фаз.

3. Решение задачи диффузионного растворения на фрактальных структурах.

4. Получение соотношения для времен перемешивания, степени изменения концентрации нефти, характеристик поля предельных концентраций.

5. Разработка метода расчета изменения физикохимических свойств пластового флюида в результате закачки газа в нефтяные пласты.

Методы решения поставленных задач.Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, теории вероятностей и теории фазовых превращений.

Научная новизна работы.На основе предложений профессора Стрижова И.Н. и профессора Коротаева Ю.П. по переводу нефтяных месторождений в газоконденсатные и газоконденсатных в газовые разработан метод расчета изменения ф^зикохимических свойств пластового флюида в результате закачки газа. Построено приближенное аналитическое решение диффузии на фрак-

талькых структурах, образующихся в процессе неустойчивого вытеснения пластового флюида смешивающимися агентами.

Построена приближенная модель процесса диффузионного перемешивания .

Получены соотношения, позволяющие рассчитать вероятностные характеристики фрактального газонефтяного поля и кинетические характеристики процесса перемешивания.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

- 1У научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по развитию научных основ разработки месторождений нефти и газа /г.Баку,июнь 1987 г./.

- I Московской конференции "Молодежь - научно-техническому прогрессу в нефтяной и газовой промышленности"/г.Москва, декабрь 1987 г./.

- Заседании НТС Мингазпрома СССР по вопросам разработки месторождения Карачаганак /г.Аксай Казахской ССР,июль 1989г./.

- Научно-методическом семинаре кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений МИНГ им. И.М.Губкина/г.Москва,ноябрь 1989 г./.

- Международной конференции "Разработка газоконденсатных месторождений" /г.Краснодар,май-июнь 1990г./.

- Научно-методическом семинаре лаборатории проблем газо-нефте-конденсатоотдачи ИПНГ /г.Москва,ноябрь 1990 г./.

Публикации.По результатам выполненных научных исследований опубликовано 4. печатных рабош.

Объем работы. Диссертация состоит из введения,

- б -

глав, основных выводов;содержит страниц машинописного тек< та, таблиц, рисунков. Список литературы на листа? из наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Коротаеву Ю.П., а также благодарит зг ценные советы и помощь в работе к.т.н. Панфилова М.Б., сотру; ников кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконден-сатных месторождений ГАНГ им.И.М.Губкина.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований по теме диссертационной работы.

В первой главе дается краткий обзор теоретических, экспериментальных и промысловых исследований, посвященных изучению методов увеличения компонентоотдачи газоконденсатнонефтя-ных месторождений. Проанализированы основные результаты работ в этом направлении Маскета М., Николаевского Н.М., Мирзаджан-заде A.M., Розенберга М.Д., Коротаева Ю.П., Ширковского А.И., Закирова С.Н.,Брусиловского А.И., Зазовского А.Ф., Курбанова А.К., Амелина И.Д., Боксермана A.A., Тер-Саркисова P.M..Желто ва Ю.П. и др.

Специфические особенности разработки газоконденсатонеф-тяных месторождений требуют и специальных методов увеличения компонентоотдачи таких месторождений, особенно на поздних ста диях их разработки. В большинстве работ, посвященных разработ ке газоконденсатонефтяных месторождений на истощение изучаются термодинамические и гидродинамические эффекты, создающие сложную фильтрационную обстановку при разработке.

Однако из анализа литературы и результатов разработки

становится очевидным, что естественные пластовые режимы не обеспечивают удовлетворительной полноты извлечения нефти и конденсата. 3 связи с этим приобретает актуальность нскуствен-ное поддержание пластового давления.

Из методов поддержания пластового давления наиболее изучены методы заводнения и нагнетания газообразных агентов. Наряду с заводнением и закачкой газа проводятся опытно-промышленные испытания других методов повышения компонентоотдачи: физи-кохимические (заводнение с ПАВ, полимерными, мицеллярными и щелочными растворами), тепловые ( вытеснение нефти горячей водой, паром, внутрипластовое горение).

Анализ литературы показал, что за последние 30 лет развитие закачки газа как метода повышения компонентоотдачи связано с реализацией проектов смешивающегося вытеснения нефти или выпавшего конденсата. Одним из вариантов закачки газа с целью увеличения компонентоотдачи газоконденсатнонефтяных месторождений является метод перевода нефтяных месторождений в газоконденсатные, предложенный Стрижовым И.Н. Однако предварительные оценки экономической эффективности метода показали на его несостоятельность. В связи с этим теория метода не развивалась вовсе, а методы расчета процесса отсутствовали. Ситуация изменилась после предложенной Ю.П.Коротаевым модификации метода, заключающейся в переводе газоконденсатных месторождений в газовые путем закачки в пласт газа и обеспечения режима перемешивания флюидов. Метод требовал на порядок меньших затрат и представлялся весьма перспективным.

Во второй главе изучается процесс перемешивания фаз.Для

построения модели процесса перемешивания предлагается следук Чал 3-х стадийная схематизация.

Принимается основное допущение о том, что процесс перемешивания закачиваемого газа с пластовой нефтью происходит е три стадии:

1. Стадия конвективного перемешивания - процесс лроникковен:: языков газа в пласт с поршневым оттеснением нефти. На этой с дии происходит образование разветвленного дерева языков газа в нефти, которое в дальнейшем будем называть ФГНП ( фракталь ным газонефтяным полем). Считается, что на этой стадии диффу зионных и фазовых переходов не происходит;

2. Стадия диффузионного перемешивания - процесс чистого растворения газа в нефти на фрактальной структуре. На этой стадии конвективного переноса фаз уже не происходит.

3. Стадия фазовых превращений во вновь образовавшейся одноро ной по составу перемешанной смеси. Эта стадия протекает мгно венно, так как фазовые переходы в условиях хорошего перемеши вания происходят равновесно.

На самом деле все три процесса происходят одновременно, однако их характерные времена различаются на порядок: так, хорошо известно, что молекулярная диффузия протекает намного медленней, чем процесс конвективного распространения языков. Это позволяет расщепить процесс на отдельные составляющие и считать их независимыми. Из сказанного также следует, что ос новное время уходит на вторую стадию, поэтому для определен:! времен перемешивания достаточно исследовать только вторую ст дию. Исследование первой стадии необходимо только для того, чтобы определить структуру поля, на котором начинается втора

стадия. Исследование третьей стадии необходимо для определения конечной картины процесса.

Исследования последних лет Р^е.ъ50П Ь.7 Болтал. Я &. и др. показали, что неустойчивое смешивающееся вытеснение в пористых средах приводит к сильно разветвленным структурам, проникающим в нефтяную массу с большим охватом по объему пласта, обладающим к тому же самоподобными геометрическими характеристиками. Такие структуры являются фрактальными.

На основе экспериментальных данных по смешивающемуся вытеснению в пористой среде был сделан вывод о том, что закачка газа в нефтяной пласт приводит к образованию фрактального газонефтяного поля, т.е. серии разветвленных структур, геометрически эквивалентных фрактальным структурам, возникающим в моделях диффузионно-ограниченной агрегации ). Особен-

ностью такого газонефтяного поля является то, что нефтяная подобласть, так же как и газовая, всегда связана, однако настолько сильно рассечена ветками газового фрактала, что в ней можно вьщелить отдельные нефтяные блоки, почти по всему периметру окруженные газом и лишь через небольшой коридор сообщающиеся с остальным нефтяным полем.

Для построения эффективной вероятностной модели стохастической структуры фрактального газонефтяного поля считаем, что нефтяная подобласть состоит из изолированных нефтяных блоков разных размеров, каждое га которых полностью окружено газонасыщенным слоем постоянной толщины по всему периметру блока.

Посколькуструктура ФГНП случайна, то и эквивалентный радиус такого нефтяного нефтяного пятна является случайной ве-

личиной. Установлено, что полученное распределение такта ра^ усов подчиняется закону Пуассона.

Для проверки теоретически полученного распределения бы.т использованы результаты экспериментальных работ, в которых к делировался процесс диффузионно-ограниченной агрегации. Как оказалось, математическая модель процесса ЯМ^Д совпадает с моделью процесса вытеснения вязкой жидкости флюидом, у которого вязкость исчезающе мала, поэтому результаты моделирования процесса эквивалентны результатам процесса закачки за в нефтяной пласт.

3 третьей главе рассматриваются вопросы моделирования п цессов перемешивания на фрактальных структурах.

Была построена схема процесса диффузионного перемешивая фаз на фрактальных структурах. В нефтяной пласт закачивается газ с целью изменения состава нефти. Глобальная цель, цресле дуемая при этом, - либо разжижение нефти, либо перевод ее в газоконденсатную систему. Рассмотрен процесс вокруг отдельно! скважины. Система, образовавшаяся в пласте в цроцессе закачк! через определенный момент времени , имеет следующие сво: ства.

1. Поскольку процесс вытеснения нефти газом является неустойчивым гидродинамически, то в пласте образуется сильно разветвленная фрактальная структура, соответствующая кластеру газовой фазы.

2. Дальнейшая закачка газа не изменяет уже образовавшийся кластер в пределах описывающего его круга радиуса Я*. , т.к. рост фрактала происходит только с окончаний.

3. Нефтяное поле, рассечо1Шое ветками фрактала, характеризуется случайным линейным масштабом t ( £ - среднее расстояние мевду двумя ближайшими точками газового кластера, лежащими на разных ветках).

4. Характерная толщина газозых ветвей очень мала и равна ^ .

После образования такой системы начинается процесс взаимодействия нефти и газа, который заключается в диффузии легких компонентов в нефтяную фазу, а тяжелых в газовую, и сопутст-вующнми диффузионному перемешиванию фазовыми переходами.

Для упрощения моделирования считаем, что коэффициент молекулярной диффузии любого компонента в жидкой и газовой фазах малоотличимы(при больших давлениях, когда газ сильно сжат это допущение вполне приемлемо)! взаимовлияние компонентов в диффузионном процессе пренебрежимо мало. Кроме того, поскольку толщина газовой ветви мала, то диффузия в нее тяжелого компонента происходит намного быстрее, чем легкого в нефть. Поэтому достаточно исследовать процесс молекулярной диффузии легкого компонента из газовой ветви в нефтяную массу, причем без учета сопровождающего процесса фазовых превращений в смеси.

Согласно принятой ранее вероятностной модели фрактальное газонефтяное поле представимо в виде совокупности шаровых ячеек случайного размера, внутри которых находится нефтяной блок радиуса % , окруженный газовым кольцевым слоем толщины К . Ранее были получены законы распределения величин 1 и ^ .

Задача диффузионного перемешивания была сведена к решению задачи диффузии легкого компонента для шара Б радиуса ? ■■

" ¿С _ 9 ( ¿1С \ 3* ~ I2 ТГ1 '

, ч Г с* 1 < о

[С| <

р

^^ С(р,1)5 ЛГ'^сопй

где С _ концентрация легкого компонента,

- коэффициент

диффузии компонента в нефти, X - радиальная координата, о4- Р ^ ^ ~ внешний радиус ячейки, р - радиус нефтяного блока в ячейке,

и , с;

- начальная концентрация закачиваемого агента в нефти и газе. Последнее условие означает, что общее количеству компонента в ячейке постоянно во времени, при-чемМ°= -^ССн/Ь + У-/Ь)С; ] , где/Ь=Ср/р/)3 - объе> ная доля нефти в ячейке.

Решение данном задачи позволило получить две важные характеристики: предельную концентрацию компонента в нефти на ячейке, и время полного перемешивания.

В четвертой главе изучается предложенный метод закачки га за с целью изменения физических свойств пластового флюида при переводе нефтяного месторождения в газоконденсатное и газоконд енсатного в газовое.

В теории методов повышения нефте- и конденсатоотдачи пластов наименее исследованной стороной является проблема вторичного переформирования отработанной залежи. Сущность ее в следующем. Законсервированное месторождение ( нефтяное или газоконденсатное ), разработка которого считается завершенной

и в котором осталось по среднестатистическим данным от 40 % до 70 % жидких углеводородов, является нестационарной динамической системой, в которой происходит процессы перераспределения масс насыщающих флюидов. Причиной этих процессов являются гравитационные, капиллярные и диффузионные силы, а также фазовые превращения. Совокупность этих факторов способствует либо расслоению различных фаз, либо наоборот - гомогенизации смеси ( образованию однофазной системы), что приводит к образованию нового нефтяного или газоконденсатного месторождения, которое можно разрабатывать традиционными способами.

Основные вопросы, которые подлежат исследованию, это I) характерные времена переформирования, 2) способы искуственого ускорения процесса переформирования.

Наряду с возможностью естественного расслоения фаз в отработанных залежах с целью их доразработки большой интерес представляет перевод этих систем в однофазное состояние ( гомогенизация) с большой подвижностью.

При добавлении в систему легких компонентов фазовая диаграмма Р - Т сдвигается влево и вверх. Объем и состав закачиваемого газа определяется так, чтобы удовлетворялось условие Тс<Т - для нефтяной залежи, Т^ < Т - для газоконденсатной, где Тг , Тт - критическая температура и крикондетерма новой смеси в пласте, Т - температура в пласте. Для этого необходимо компенсировать дефицит температуры дТ , равный Тс ~~Т для

Т-,0 гт-1 грО ™0

т~~ > ~ Для газоконденсатных залежей, где и, Iт -критическая температура и крикондетерма смеси в начальном состоянии .

В результате применения предложенной методики расчета из-

менений фазового состояния и физических свойств пластового флюида, основанной на использовании уравнения состояния Пен-га- Робинсона, выполнены расчеты для пластовых смесей месторождений Тенгиз, Вуктыл, Карачаганак. Минимальное количество метана, а именно он является оптимальным агентом для закачки, необходимое для компенсации температурного дефицита, составило для нефтяного месторождения Тенгиз - 85 % по массе от начальных запасов нефти в пласте, для газоконденсатного Вуктьтла - 38 % от текущих запасов газа и конденсата.

Можно предложить следующие способы воздействия на процесс переформирования с целью их ускорения, которые в одинаковой степени могут способствовать как расслоению фаз, так и наоборот, - их смешиванию.

1. Взрывное воздействие, в результате чего происходит частичное перераспределение целиков в поровой системе, вытряхивание капиллярно-защемленных капель из пор, что в целом может способствовать их движению.

2. Закачка газа в нижнюю часть истощенной нефтяной или газо-конденсатной залежи для создания медленно восходящих потоков газа, которые способствовали бы перераспределен!«) фаз в порах и интенсифицировали их расслоение, а сдругой стороны - интенсифицировали процесс гомогенизации за счет фазовых переходов. Медленное всплытие газа через толщу жидкости происходит доста точно равномерно по площади и обеспечивает полноту смешения.

Необходимость закачки больших объемов газа для перевода нефтяной залежи в газоконденсатную приводит к идее создания подземных хранилищ газа под нефтяными залежами. Наряду со сво

ей основной функцией такое ПХГ будет выполнять и вторую функцию - трансформатора нефтяного месторождения.

Представляется, что наиболее эффективным способ гомогенизации будет на месторождениях с легким? нефтями, а также на месторождениях с нефтяными оторочками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. На основе экспериментальных данных по смешивающемуся вытеснению в пористой среде был сделан вывод о том, что закачка газа в нефтяной пласт приводит к образованию сильно разветвленных структур, проникающих в нефтяной пласт с большим охватом по объему пласта. Были расчитаны геометрические характеристики таких структур и построена эффективная вероятностная модель стохастической структуры фрактального газонефтяного поля.

2. Для создания модели процесса перемешивания была построена и расчитана схема процесса диффузионного перемешивания фаз на фрактальных структурах и получены две важные характеристики : предельная концентрация закачиваемого компонента в нефти и время полного перемешивания.

3. В результате анализа теоретических, экспериментальных и промысловых исследований предложен метод расчета изменения физикохимических свойств пластового флюида в результате закачки газов различного состава. Проведенные расчеты на основе данного метода с использованием пластовых смесей месторождений Вуктыл, Тенгиз и Карачаганак показали, что закачка 85 % метана по массе от начальных запасов нефти в пласте для нефтяного месторождения Тенгиз, 38 % метана от теку-

щих запасов газа и конденсата для гаэоконденсатного месторождения Вуктыд и 33 % метана от текущих запасов газоконденсат-нонефтяного месторождения Карачаганак позволяет так изменить физикохимические свойства пластового флюида, что можно считать что нефтяное месторождение переходит в газокоцденсатное а газоконденсатное - в газовое.

4. Таким образом, на основе изучения процесса перемешивания закачиваемого газа с пластовой нефтью : стадии конвективного перемешивания, стадии диффузионного перемешивания и стадии фазовых превращений была построена модель процесса перемешивания фаз, позволяющая проводить расчеты по закачке в пласт газообразных агентов с целью увеличения компонентоот-дачи месторождений.

ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РАБОТЫ

Основные результаты теоретических и расчетных работ, изложенных в диссертации, были использованы в научно-технических отчетах кафедры разработки и эксплуатации газовых и га-зоконденсатных месторождений МИНГ им.И.М.Губкина по хоз.договору № 38-86 "Повышение эффективности процессов разработки и эксплуатации месторождения Карачаганак", ^ 38-89 "Разработка научно-технической документации по системам организации сайклинг-процесса, технологическим схемам и средствам подготовки и переработки углеводородного сырья месторождения Карачаганак".

Работа представляет собой реальное обоснование модели процесса перемешивания фаз в пласте и возможности применения закачки газа с целью изменения физикохимических свойств плас-

тового флюида, а полученные результаты могут быть использованы при проектировании разработки нефтяных и нефтегазокон-денсатных месторождений при воздействии на пласт газами различного состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации защищаются следующие основные положения:

1. Процесс перемешивания фаз состоит из трех основных этапов:

- стадии конвективного перемешивания при котором в пласте образуется фрактальное газонефтяное поле; на этой стадии диффузионных и фазовых переходов не происходит;

- стадия диффузионного перемешивания, происходит чистое растворение газа в нефти на фрактальной структуре;

- стадия фазовых превращений во вновь образовавшейся однородной по составу перемешанной смеси.

2. В результате закачки определенных объемов сухого газа происходит такое сильное изменение физикохимических свойств пластового флюида, что такой способ воздействия на пласт можно считать переводов нефтяного месторождения в газоконденсатное, а газоконденсатного в газовое.

Основное содержание диссертационной работы освещено в следующих опубликованных работах :

1. Прогнозирование разработки газококденсатных месторождений. - Обзорн.ииф.ВНИИЭгазпром, серия Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. - 1988.-№ 7. С.47. / В соавторстве с М.Б.Панфиловым, О.И.Борозняком/

2. Методика расчетов процессов перевода газоконденсат-

нонефтяных месторождений в газоконденсатные путем закачки га за в пласт. - В кн.: 1У научно-теоретическая конференция молодых ученых и специалистов. Тез.докл. конф.,Баку, 1987.С.67-69. / В соавторстве с Ю.П.КоротаевымУ.

3. О проблеме перевода нефтяных месторождений в газоконденсатные. - В кн.: I Московская конференция молодых ученых и специалистов. Тез.докл.конф.,Москва,1987,С.81-83.

4. Кинетика диффузионного перемешивания фаз при неустойчивом вытеснении нефти смешивающимися агентами. - В кн.: Международная конференция Разработка газоконденсатных месторождений .Краснодар, 1990,0.262-266. / В соавторстве с М.Б. Панфиловым/.

Соискатель

М.В.Ковалева