автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Предупреждение образования водонефтяных эмульсий в скважине с учетом гидродинамических процессов в призабойной зоне пласта

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ у* , г л _ /

V/ Ч-У / ' ? "

На правах рукописи

ГУМЕРОВ ОЛЕГ АРТУРОВИЧ

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В СКВАЖИНЕ С УЧЕТОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ ПЛАСТА

Специальность05.15.06.-Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научные руководители: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Токарев М.А.,

кандидат технических наук,

доцент Зейгман Ю.В.

Уфа-1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В СКВАЖИНАХ Ь

1.1. Влияние образования водонефтяных эмульсий на процессы скважинной добычи нефти \ б

1.2. Методы предупреждения образования устойчивых водонефтяных эмульсий в скважинах ^

1.3. Механизм действия деэмульгаторов и их влияние на процессы, происходящие в скважине

1.4. Постановка задач исследования 3 \

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ, ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН ЪЬ

2.1. Геолого-физическая характеристика условий эксплуатации скважин 34

2.2.« Анализ технологических режимов работы скважин в сложных геолого-физических условиях 4

2.3. Анализ результатов исследований скважин на неустановившихся режимах работы 5 7

2.4. Выводы 65

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

3.1. Цели и задачи исследований 6 7

3.2. Аппаратура и методики исследования свойств водонефтяных эмульсий

3.3. Аппаратура и методика исследований процессов, происходящих в призабойной зоне скважины ?5

3.4. Результаты исследований физико-химических свойств водонефтяных эмульсий 7,9

3.5. Результаты исследований взаимодействия и движения жидкостей в модели вертикального подъемника. Снижение интенсивности процессов эмульсеобразования в процессе подъема обводненной продукции ^ОА

3.6. Определение характеристик вытеснения жидкостей в пористой среде при моделировании работы призабойной зоны добывающих скважин МО

3.7. Определение эффективной вязкости водонефтяных эмульсий в призабойной зоне, образующихся при взаимовытеснении жидкостей ^'

4. РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ТЕХНОЛОГИЙ, ПРЕДУПРЕЖДАЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В СКВАЖИНЕ 445

4.1. Основные требования к специальным жидкостям и технологиям, предупреждающим образование водонефтяных эмульсий

в скважине 4 45"

4.2. Свойства жидкостей, предупреждающих образование водонефтяных эмульсий в скважине -146

4.3. Результаты промысловых испытаний технологии, предупреждающей образование водонефтяных эмульсий в скважине 4 54

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ \6 Ъ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 165

ПРИЛОЖЕНИЕ Л 75

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается значительное снижение объемов добычи нефти по многим нефтедобывающим регионам. Особенно заметно это происходит в пластах со сложным геолого-физическим строением, насыщенных неньютоновскими нефтями. Причинами ухудшения технологических параметров работы скважин являются: увеличение обводненности продукции, ухудшение фильтрационных характеристик прискважинных зон дренирования жидкостей, несовершенство технологий добычи нефти.

Современное состояние технологий добычи нефти требует изучения процессов, происходящих при подъеме жидкостей на поверхность, и условий протекания этих процессов. Это позволит интенсифицировать процессы добычи нефти, особенно в осложненных условиях эксплуатации скважин.

В настоящее время работа многих скважин характеризуется низкими значениями межремонтных периодов. Межремонтный период работы скважин, является комплексным показателем, характеризующим условия эксплуатации скважин, а также состояние и качество работ, проводимых на промыслах по обслуживанию оборудования, его подбору, ремонту и т.д.

Анализ условий эксплуатации осложненного фонда скважин показал, что одной из причин, снижающих межремонтный период их работы, является образование водонефтяных эмульсий. В результате имеет место значительное снижение коэффициента продуктивности скважин по нефти, преждевременный выход из строя нефтепромыслового оборудования и, как следствие, частые ремонты скважин. В результате одновременного действия перечисленных факторов увеличивается расход электроэнергии, материальных и трудовых затрат, возникает необходимость в проведении дополнительных ремонтов.

Опыт разработки различных нефтяных месторождений показал, что процессы эмульсеобразования приводят к ухудшению показателей работы скважин. Каждое месторождение уникально по своим коллекторским и фильтрационным характеристикам. Поэтому изучение процессов эмульсеобразования в скважинах для условий конкретных залежей является необходимым с целью повышения эффективности процессов добычи нефти. Совместный подъем в скважинах нефти и воды происходит с одновременным их смешением и диспергированием. Анализ условий образования эмульсий при различных термодинамических условиях позволит разработать способы воздействия на свойства водонефтяных эмульсий и смягчить их вредное влияние на процессы добычи нефти.

Определение основных закономерностей образования водонефтяных эмульсий при эксплуатации скважин, а также их влияние на процессы эксплуатации скважин является важной и актуальной проблемой, решение которой имеет большое значение для нефтедобывающей отрасли.

Данная работа выполнялась по плану научно-исследовательских работ Уфимского нефтяного института (УГНТУ) в рамках ряда программ:

комплексная научно-техническая программа Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири", утвержденная приказом Минвуза РСФСР от 21.12.77г. за №558 (1980-1985г.г. Приказ №559 от 15.10.81г., 1986-1990г.г. Приказ № 641 от 10.10.86г.);

- межвузовская научно-техническая программа "Комплексное решение проблемы разработки, транспорта и глубины переработки нефти и газа" (Приказ Госкомвуза РФ №468 от 20.03.96г., Указание Госкомвуза РФ №59-14 от 20.03.96г.).

Данной проблеме посвящено множество работ таких ученых как Ребиндер П.А., Позднышев Г.Н., Муравьев И.М., Амиян В.А., Овнатанов Г.Т., Каплан Л.С., Бабалян Г.А., Тронов В.П., Валеев М.Д., Трапезников A.A., Федорищев Т.И. и др.

Однако в основном они посвящены процессам, происходящим в стволе скважины, либо рассматривают вопросы односторонне, не учитывая естественных условий процессов добычи обводненной нефти на залежи. Анализ материалов публикаций показал, что вопросы, посвященные образованию стойких водонефтяных эмульсий в призабойной зоне пласта, являются слабо изученными. Гипотеза о существовании эмульсий в поровом пространстве горных пород является на данный момент недоказанной. Это связано с невозможностью прямых определений свойств эмульсий в поровом пространстве.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований по моделированию процессов взаимовытеснения жидкостей и образованию при этом в поровом пространстве водонефтяных эмульсий, с созданием естественных условий эксплуатации скважин.

Автор диссертации более 10 лет занимался исследованиями, связанными с проблемой эмульсеобразования. За это время им и при его непосредственном участии были созданы установки по исследованию свойств водонефтяных эмульсий, как в свободном объеме, так и в пористой среде. Отработаны технологии и методики исследования. При непосредственном участии автора были выполнены хоздоговорные: работы по исследованию процессов, происходящих в скважинах на производственных предприятиях "Когалымнефтегаз", "Башнефть" и "Татнефть".

Автор диссертации выражает большую признательность научным руководителям: доктору геол.-минер. наук профессору Токареву М.А. и канд. техн. наук доценту Зейгману Ю.В. в выборе направления и помощи в решении задач диссертационной работы, а также всем сотрудникам кафедры разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений Уфимского государственного нефтяного технического университета.

В первой главе диссертации дается обзор работ, посвященных проблеме эмульсеобразования. Дана классификация эмульсий по своей

структуре, где эмульсии были разделены на 3 типа (обратные, прямые и смешанные). Данная классификация не учитывает место образования водонефтяных эмульсий. Поэтому нами была разработана классификация эмульсий по месту их образования: призабойная зона пласта, ствол скважины до приема насоса, насосное оборудование и насосно-компрессорные трубы. Показано, что наименее изученной зоной образования водонефтяных эмульсий является поровое пространство призабойной зоны пласта.

Рассмотрены методы борьбы и предупреждения эмульсеобразования в скважинах, которые разделены на три группы. В этой главе рассматриваются методы и технологии борьбы с эмульсеобразованием в скважине, которые разделены на три группы. К наиболее перспективным относятся методы внутрискважинной деэмульсации с применением химических реагентов. В качестве деэмульгаторов по эффективности влияния предпочтительны поверхностно-активные вещества, снижающие межфазное натяжение на границе раздела фаз и препятствующие образованию структурированных жидкостей. Однако их использование возможно только после изучения особенностей взаимодействия с продукцией скважин в условиях пласта и подъемника, особенностей работы подъемного оборудования. На базе этого должна быть разработана технология применения поверхностно-активных веществ (ПАВ) в качестве деэмульгаторов в скважине.

На основании проведенного обзора определено основное направление исследования. Предложена гипотеза о механизме влияния водонефтяных эмульсий на снижение добывных возможностей скважин за счет образования в призабойной зоне пласта устойчивых эмульсий. Обоснованию выдвинутой гипотезы, доказательству ее справедливости и разработке способов устранения влияния высоковязких водонефтяных эмульсий на процессы добычи нефти посвящены следующие разделы диссертационной работы.

В задачи работы включены такие вопросы как: определение границ зон и условий образования водонефтяных эмульсий; определение свойств эмульсий при различных термодинамических условиях, в поровом пространстве и в свободном объеме; разработка способов регулирования свойств и предупреждения образования водонефтяных эмульсий при эксплуатации скважины.

Во второй главе проводится анализ процессов, происходящих в призабойной зоне пласта. Приводится геолого-физическая характеристика объектов исследования. В качестве объектов исследования были выбраны объекты Западно-Сибирского региона и нефтяных месторождений Татарстана и Башкортостана.

Разработка нефтяных пластов Западно-Сибирского региона характеризуется сложными процессами при эксплуатации скважин, низкими коллекторскими и фильтрационными характеристиками, сложными условиями эксплуатации, наличием зоны вечномерзлых пород, сложными термодинамическими условиями подъема жидкости. К факторам, осложняющим эксплуатацию скважин, можно отнести также опреснение добываемой попутной воды и попадание водной фазы в поровое пространство при проведении вскрытия продуктивных пластов и ремонтных работ в скважинах.

На основании анализа фактических параметров работы скважинного оборудования показано, что процессы происходящие в призабойной зоне пласта значительно влияют на показатель, характеризующий эффективность работы скважины - межремонтный период (МРП) ее работы.

Анализ результатов гидродинамических исследований скважин показал, что при их применении практически не учитывается увеличение вязкости жидкости за счет смешения в призабойной зоне пласта нефти и воды. В работе были получены статистические зависимости для проницаемости и гидропроводности призабойной зоны пласта от значений

этих параметров для удаленной зоны, которые показывают тенденцию уменьшения исследуемых параметров для призабойной зоны пласта. Причем наблюдается опережающее снижение гидропроводности по сравнению с проницаемостью на 20 % и более. Это подтверждает гипотезу о значительном снижении коэффициента продуктивности скважины за счет образования в поровом пространстве тонкодисперсных водонефтяных эмульсий.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свойств, образующихся водонефтяных эмульсий, при различных термодинамических условиях в свободном объеме. Приведены методики исследований и описаны оригинальные установки по их определению. Приведены результаты исследований по моделированию процессов эмульсеобразования в пористой среде, для различных термодинамических условий. Показано, что уменьшение температуры ниже 30°С приводит к увеличению значения эффективной вязкости в десятки раз, по сравнению с вязкостью исходных компонентов образующих эмульсии. При содержании водной фазы 60 ... 70% значение эффективной вязкости эмульсии имеет максимум.

Высоковязкие водонефтяные эмульсии обладают высокой устойчивостью к разрушению. Добавление в водную часть ПАВ приводит к значительному снижению вязкости, но при этом уменьшаются диаметры частиц дисперсной фазы эмульсий, и увеличивается их устойчивость.

Для уменьшения устойчивости и вязкости, образующихся эмульсий в скважине, в работе предлагается использовать для малодебитных скважин свойство компонентов водорастворимых ПАВ насыщать углеводородную жидкость при их контакте. При этом в качестве "поставщика" использовать водный раствор неионогенного ПАВ. Насыщая нефть при ее контакте с раствором, можно добиться значительного снижения межфазного натяжения на границе нефть - вода и предотвратить образование водонефтяных эмульсий.

Водные растворы ПАВ обладают большой способностью нефтерастворимых компонентов диффундировать в нефть. В скважинных условиях, в течение непрерывной эксплуатации ШСНУ, через насос проходит количество жидкости приблизительно в 100 раз большее (дебит 12 т/сут.; обводненность 50 %), чем объем скважины ниже насоса. Соотношение между количеством нефти, прошедшей через слой воды и объемом этого слоя будет около 80... 100. Поэтому использование процесса диффузии ПАВ возможно в реальных низко дебитных скважинах.

В работе проведены исследования фильтрации водонефтяных смесей в поровом пространстве естественных горных пород. При эксплуатации скважин наблюдается совместное движение нефти и воды. При смене направления фильтрации и высоких скоростях движения жидкости в призабойной зоне (это возможно при проведении ОПЗ и глушения скважин перед ремонтными работами) образуются тонкодисперсные высоковязкие водонефтяные смеси, обладающие свойствами эмульсий. Движение в пористой среде углеводородной жидкости после образования водонефтяных эмульсий происходит при наличии статического градиента давления (СГД). Увеличение количества смен направлений фильтрации жидкостей приводит к увеличению сил вязкости (наблюдается рост СГД и перепадов давления), что вызывает снижение подвижности жидкости в призабойной зоне пласта и, как следствие, уменьшение коэффициента продуктивности скважин.

Расчеты относительных фазовых проницаемостей по кривым вытеснения при различных циклах взаимовытеснения показало снижение значений фазовой проницаемости по нефти по мере увеличения количества циклов.

После пятого цикла процесса взаимовытеснения нулевая относительная фазовая проницаемость по нефти наблюдается при водонасыщенности 63%, по сравнению с первым циклом, когда нулевая фазовая проницаемость по нефти была при водонасыщенности 75%. Значение относительной фазовой

проницаемости по нефти снижается примерно в 2,5 раза к 7 циклу взаимовытеснения.

Подобное ухудшение связано с образованием в поровом пространстве водонефтяных эмульсий и их высокой вязкостью. Оценка эффективной вязкости водонефтяных эмульсий по перепадам давления позволила количественно оценить степень снижения коллекторских характеристик за счет образования водонефтяных эмульсий в поровом пространстве. Эффективная вязкость водонефтяных эмульсий, образующихся в поровом пространстве естественных горных пород, увеличивается в десятки раз по сравнению с вязкостью эмульсеобразующих фаз. Данный факт хорошо согласуется с исследованиями свойств водонефтяных эмульсий в свободном объеме.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке специальной технологии, применяемой при проведении технических мероприятий с использованием жидкостей глушения, предупреждающих образование эмульсий в призабойной зоне пласта. В данной технологии применяются жидкости, содержащие в своем составе высокомолекулярные спирты. Исследованные свойства, как в лабораторных услови�