автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование диффузионных механизмов миграции и аккумуляции углеводородов

Актуальность темы. В связи с огромным значением углеводородных ресурсов в жизнедеятельности человека, а также падение рентабельности многих разработанных углеводородных месторождений, важное значение имеет поиск новых залежей. В связи с этим развитие теорий образования залежей углеводородов, посредством которыхится последовательная картина эволюции осадочных отложений, от генерации углеводородов из органического вещества до их аккумуляции в залежи является актуальным направлением. Составной частью этой проблемы является изучение процессов миграции углеводородов в пористых пластах, которые обусловливают расположение залежей в земной коре.

Сложность изучаемого объекта, невозможность проведения экспериментов в геологическом времени и получения прямой информации о процессах, протекающих в этих масштабах времени, предопределяют развитие теоретических и вычислительных методов исследования.

В начальный период преимущественное развитие получили теории, использующие основные модели фильтрации, используемые при анализе разработки залежей. Однако проблема поиска месторождений углеводородов заставила обратить особое внимание на этапы, предшествующие образованию больших скоплений углеводородов в ограниченных коллекторах, а именно, генерацию, миграцию и аккумуляцию углеводородов в кол лекторские толщи. Получение общей картины способствует не только оценке потенциальных запасов углеводородов, но и их локализации. Неясность механизмов и условий миграции приводит к существованию ряда теорий, с помощью которых пытаются объяснить, в каком виде, каким образом и за какое время происходит образование месторождений углеводородов.

Современные представления о механизмах миграции и аккумуляции сводятся к следующим: углеводороды могут перемещаться по пластам и аккумулироваться в залежи только в самостоятельной фазе. Роль диффузии отводится преимущественно деструктивная, не способствующей аккумуляции углеводородов в залежь.

Анализ процесса образования месторождений углеводородов неизбежно приводит к необходимости рассмотрения его как процесса с характерным циклом развития. Практическая актуальность данной работы вытекает из необходимости решения проблемы локализации углеводородов, а именно исследования процесса аккумуляции углеводородов.

Цель работы состоит в изучении процесса направленной диффузионной переконденсации малоконцентрированных углеводородных растворов в пористой среде и процесса изотермической перегонки как механизма аккумуляции углеводородов в замкнутую область коллектора или залежь.

Научная новизна результатов, полученных в работе, сводится к перечисленным ниже положениям.

1. Построены модели процессов направленной диффузионной переконденсации и процесса изотермической перегонки монодисперсных включений углеводородов с учетом броуновской диффузии микрокапель углеводородов.

2. Проанализирована устойчивость однородных решений сформулированных моделей, и определены критерии перехода из устойчивого в неустойчивое состояние.

3. Проведен численный анализ влияния безразмерных критериев подобия на процесс изотермической перегонки.

4. Исследовано влияние броуновской диффузии с учетом извилистости пористой среды на процесс изотермической перегонки водо-углеводородной дисперсной смеси в пористой среде. Практическая ценность работы заключается:

- в развитии научных методов прогноза и поиска месторождений углеводородов путем использования дополнительной информации о процессе формирования залежей;

- в дальнейшем совершенствовании моделей, связанных с диффузионными процессами в пористой среде, приводящими к аккумуляции углеводородов.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных законов механики многофазных сред, геологии нефти и газа и методов математического моделирования; сопоставлением расчетных результатов с аналитическими решениями некоторых задач. На защиту выносятся;

1. Математические модели диффузионной переконденсации и изотермической перегонки малоконцентрированных растворов углеводородов в водонасыщенной пористой среде с учетом броуновской диффузии дисперсной фазы. Анализ устойчивости однородных решений системы уравнений, описывающей процессы миграции и аккумуляции углеводородов.

2. Результаты численного исследования задач диффузионной переконденсации углеводородов в пористой среде с учетом неподвижной и подвижной дисперсной углеводородной фазы.

3. Результаты численного решения задач изотермической перегонки углеводородов с учетом подвижной дисперсной фазы и влияния безразмерных параметров на особенности решения.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Тюменская нефть -вчера и сегодня» (Тюмень, 1997 г.), научно-технической конференции «Научные проблемы Западно-Сибирского нефтегазового региона» (Тюмень, 1999), третьей научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала Ханты-Мансийского АО» (Ханты-Мансийск, 1999), научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса», первой конференции молодых специалистов нефтяной и геологоразведочной отраслей Ханты-Мансийского АО (Нижневартовск, 2000) и семинаре кафедры механики многофазных систем Тюменского государственного университета под рук. проф. Шабарова А. Б., семинаре отделения моделирования геологических объектов и процессов НАЦРН под рук. к. г.-м. н. Сидорова А.Н.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и список литературы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5

Анализ модельных случаев задачи изотермической перегонки углеводородов в пористой среде позволяет определить характер динамики системы в зависимости от значения различных параметров. Влияние эффективного объема пор сводится к следующему: чем больше разрежена эмульсия, тем меньше эффективность перегонки за счет большего времени, необходимого для массообмена. В зависимости от градиента числа капель, направления броуновской диффузии и направления переконденсации углеводородов происходит неоднозначное изменение насыщенности в пласте. По мере роста растворимости увеличение насыщенности наблюдается в области больших капель. Равномерное увеличение растворимости ведет к неравномерному росту насыщенности. Изменение извилистости, влияющей на коэффициент диффузии в совокупности с совместным влиянием диффузий, обусловленных неравновесностью концентрации приводит к нетривиальному распределению насыщенности. Изменение насыщенности из-за распределения извилистости с течением времени носит не монотонный характер и при симметричных начальных условиях результат не является симметричным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сформулировать следующие выводы о роли механизмов направленной диффузионной переконденсации и изотермической перегонки в аккумуляции углеводородов:

1. Диффузия растворенных углеводородов в воде за счет зависимости их растворимости от температуры (направленная диффузионная переконденсация) приводит к выделению углеводородов в виде отдельной фазы на неоднородностях пористой среды и в областях с меньшей температурой.

2. Диффузия растворенных углеводородов в воде за счет зависимости их растворимости от размеров дисперсной фазы (изотермическая перегонка) в двухфазной разреженной дисперсной системе в изотермических условиях также приводит к перераспределению углеводородов в пласте и установлению неравномерного стационарного распределения углеводородов в пористой среде.

3. Процессы направленной диффузионной переконденсации и изотермической перегонки углеводородов с учетом подвижной дисперсной фазы могут являться механизмами миграции и аккумуляции углеводородов у непроницаемой покрышки пласта и на неоднородностях пористой среды.

4. Состояние разреженной дисперсной системы является условно устойчивым. Переход из устойчивого состояния в неустойчивое определяется значениями безразмерных величин, выделенных в работе и начальными значениями параметров смеси (концентрации и размеров капель углеводородов).

5. Характер процесса изотермической перегонки углеводородов в пористой среде определяется соотношением направлений молекулярной диффузии, броуновской диффузии капель и градиентом распределения фильтрационных свойств в пласте. В случае различной направленности этих процессов в пласте формируется немонотонное распределение насыщенности углеводородов.

1. Азис X., Сеттари Э. Математическое моделирование пластовых систем. -М.: Недра, 1982.-408 с.

2. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Т. 1. М.: Мир, 1990. - 384 с.

3. Базаров И.П. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. -М.: Изд-во МГУ, 1989. 240 с.

4. Байбаков В.В. Роль растворимости нефти в водах в процессах ее первичной аккумуляции и миграции. В сб.: Первичная и вторичная миграция нефти и газа. М.: ВНИГНИ, 1975. - С. 172-181.

5. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. М.: Недра, 1984. - 211 с.

6. Басниев К.С. и др. Подземная гидравлика. М.: Недра, 1986. - 303 с.

7. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. - 520 с.

8. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. Т.2. М.: Физматгиз, 1962.-640 с.

9. Блох A.M., Симоненко В.Ф. Изменение растворяющих свойств воды в поле поверхностных силминеральных систем. В кн.: Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость каллоидов. 1974. - С.?-?.

10. Ю.Бурже Ж., Сурио П., Комбарну М. Термические методы повышения нефтеотдачи пластов. М.: Недра, 1989. - 422 с.

11. П.Гутников А.И., Жолдасов А., Закиров С.Н. Взаимодействие залежей газа и нефти с пластовыми водами. М.: Недра, 1991. - 189 с.

12. Егоров А.В. Диффузионные механизмы первичной миграции и аккумуляции углеводородов в осадочных бассейнах акваторий. Копия отчета о НИР., 1990. 218 с.

13. Ентов В.М., Зазовский А.Ф. Гидродинамика процессов повышения нефтеотдачи. М.: Недра, 1989. - 232 с.

14. Н.Еременко Н.А.; Развитие принципов теории формирования залежей углеводородов // Геология нефти и газа. 1984. - №12. - С. 18-24.

15. Еременко Н.А. Чилингар Г.В.; Геология нефти и газа на рубеже веков. -М.: Наука, 1996. 176 с.

16. Жидкова JI.B. Модель эволюции элементарного состава керогена протезойских отложений бассейна Мак-Артур (Австралия) под влиянием трапповых интрузий // Геология и геофизика. 2000. - №8. -С.1178-1186.

17. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.- 210 с.

18. Калинко М.К. Основные закономерности распределения нефти и газа в земной коре. М.: Недра, 1964. - 208 с.

19. Капченко JI.H., Кругликов Н.М. Некоторые аспекты первичной аккумуляции нефти и газа. В сб.: Первичная и вторичная миграция нефти и газа. М.: ВНИГНИ, 1975. - С.135-148.

20. Кобранова В.Н. Петрофизика. М.: Недра, 1986. - 392 с.

21. Крылов В.И. и др. Вычислительные методы высшей математики. Т. 1. -Мн.: Вышейшая школа, 1972. 584 е.

22. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика. Т.4. Гидродинамика. -М.: Наука, 1988.-736 с.

23. Линецкий В.Ф., Миграция нефти и формирование ее залежей. Киев: Наукова думка, 1965. - 200 с.

24. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. - 528 с.

25. Лопатин Н.В. Образование горючих ископаемых. М.: Наука, 1983. -192 с.

26. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990.-272 с.

27. Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения М.: Наука, 1971.-312 с.

28. Мирзаджанзаде А.Х., Хасанов Р.Н., Бахтизин Р.Н. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи. Нелинейность, неравновесность, неоднородность. Уфа: Гилем, 1999. - 464 с.

29. Неручев С.Г., Ковачева И.С. О роли геологического времени в процессах метаморфизма углей и рассеянного органического вещества пород. // Геология и геофизика. 1972. - №10 - С.3-9.

30. Нестеров И.И., Шпильман В.И. Теория нефтегазонакопления. М.: Недра, 1987.-232 с.31 .Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I. М.: Наука, 1987. -360 с.

31. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч. II. М.: Наука, 1987. - 464 с.

32. Зб.Палатник Б.М., Писарев В.И. Применение численной схемы повышенной точности для моделирования двухфазной фильтрации // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1996. -Т. 36. - № 11. -С.115- 125.

33. Первичная и вторичная миграция нефти и газа. Сборник статей. М.: ВНИГНИ, 1975.-332 с.

34. Пергамент А.Х., Попов С.Б. Двумерные задачи двухфазной фильтрации. //Математическое моделирование. 1998. - Т. 10. - № 2. - С.48-70.

35. Подсчет запасов нефти, газа, конденсата и содержащихся в них компонентов: Справочник / И. Д. Амелин, В. А. Бадьянов, Б.Ю. Венделыптейн и др. М.: Недра, 1989. - 270 с.

36. Подурец М.А. Термодинамическая модель пористого тела. // Математическое моделирование. 1996. - Т.8. - №2. - С.29-36.

37. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. Пер. с англ. / Под ред. Климонтовича Ю.Л. ?, 1985.-327 с.

38. Прогноз месторождений нефти и газа. Сб. статей. М.: ВНИГНИ, 1989.- 185 с.

39. Реология суспензий. Сб. статей. -М.: Мир, 1975 г. 333 с.

40. Розанов Ю.А. Случайные процессы. М.: Наука., 1971. - 288 с.

41. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. - 656 с.

42. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука., 1989. -432 с.

43. Сафронова Т.П., Влияние процессов миграции на формирование состава нефтей в залежах, (обзор). В кн.: Геохимические закономерности миграции углеводородных систем и их фазовое поведение. М.: Наука, 1982, с. 3-17.

44. Седов ЛИ. Механика сплошной среды. Т.1. М.: Наука, 1976. - 536 с.

45. Седов JI. И. Механика сплошной среды. Т. 2. М.: Наука, 1973. 584 с.

46. Степанов А.В., Федоров К.М. Моделирование задачи изотермической перегонки углеводородов в природных коллекторах // Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. Тюмень: ТюмГНГУ, 2000, с 134.

47. Теоретические и региональные проблемы геологии нефти и газа: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 240 с.

48. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распростронение нефти. М.: Мир, 1981.-504 с.

49. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1972.-736 с.

50. З.Трапезникова М.А., Чурбанова Н.Г. Моделирование процесса нефтедобычи явными и неявными численными методами. // Математическое моделирование. 1997. - Т. 9. - № 6. - С.53-66.

51. Трофимук А. А., Молчанов В.И., Параев В.В. Особенности геодинамических обстановок формирования гигантских месторождений нефти и газа. // Геология и геофизика. 1998. - Т.39. - №5. - С.673-682.

52. Тульбович Б.И. Петрофизическое обеспечение эффективного извлечения углеводородов. М.: Недра, 1990. - 186 с.

53. Федоров К М., Сидоров. А.Н., Степанов А.В. К вопросу формирования газонефтянных залежей в природных коллекторах // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. 1997. -№6.-С.11.

54. Федоров К.М., Степанов А.В. Математическая модель миграции и первичной аккумуляции углеводородов // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1999.-№1.-С.42.

55. Физико-химическая гидродинамика: Сб. науч. тр. Свердловск: УрГУ, 1986.- 120 с.

56. Филатов В.В., Полетаева Н.Г., Нигматулин P.P. Об эффектах вызванной поляризации во фрактальных средах // Геология и геофизика. 2000. -№8. -С.1203-1217.

57. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. Пер. с нем. М.: Наука, 1986.-208 с.

58. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1982. - 400 с.

59. Ханин А.А. Петрофизика нефтяных и газовых пластов. М.: Недра, 1976. - 295 с.

60. Чахмачев В.А. Геохимия процесса миграции углеводородных систем. -М.: Недра, 1983.-230 с.

61. Чекалюк Э.Б., Филяс Ю.И. Водо-нефтяные растворы. Киев: Наукова Думка, 1977.- 178 с.

62. Шабаров А.Б., Федоров К.М., Степанов А.В., Степанов С.В. Математическое моделирование некоторых задач природной миграции углеводородов. // Сб. докл. науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск, 1999.- С.352-356.