автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Разработка метода расчета и повышения эффективности процесса извлечения нефти из трещиновато-пористых пластов с использованием термохимического заводнения

РГ6 од

, о шл да

и МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИЕФГИ И ГАЗА имени И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 622.27С". 2.00^,!Ъ

чзян чи

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ .№011ЕССА ИЗаЧЕЧЕНШ НЕФТИ ИЗ ТРЩ1К05АТО--ПОРИСТЫХ ПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ЗАВОДНЕНИЯ

Специальность 05.15.06 - "Скважинкая разработка нефтегазовых месторождений"

Ав.торефера ? диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Москва - 1994 г.

Работа выполнена б Институте проблем нефти и газа РАН.

Научный руководитель: - Доктор технических наук,

профессор Желтов Ю.П.

Официальные оппоненты: - Доктор физико-математических наук,

профессор Ибрагимов А.И.

- Кандидат тёхнических наук, с.н.с. Еремин H.A.

Ведущая организация - Всероссийский нефтегазовый научно-

исследовательский институт им. А.П.Крылова. (ВНИИ)

Защита диссертации состоится " C^i " МАЯ_ 1394 г.

в /У часов 00 ищут на заседании специализированного совета-К.053.27.05 по защите диссертаций ка соискание ученой степени кандидата технических наук при Государственной академик нефти и газа им. K.M.Губкина по адресу: II79I7, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 65.

С диссертацией мэено ознакомиться в библиотеке ГАНГ им. И.К.Губкина.

Автореферат разослан "__"_ 19Э4 г.

Ученый секретарь спещ:ализиоованного совета к.т.к., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Во всех нефтедобывающих странах мира уделяется большое внимание повышении конечной нефтегазоотдачи пластов на разрабатываемых и вновь вводимых в разработку месторождениях.

В последние несколько десятилетий теория и практика разработки нефтяных месторождений показала, что применение различных термохимических методов является эффективным и экономичным. Применение этих методов позволяет главным образом снизить вязкость пластовой нефти и повысить псдвигность пластовых жидкостей. Это способствует повышения дебитоз скважин и увеличении нефтеотдачи пластов.

Основным объектом термических методов являются высоковязкие нефтяные залежи с поровым коллектором. Исследования последних лет позволяют распространить тепловые методы на разработку глубокозалегающих пластов, пластов с повышенным внутрипластовым давлением, а также на месторождения с неоднородными коллекторами.

В последние десятилетия во многих нефтяных районах мира открыты залежи нефти высокой вязкости в трепинных коллекторах; Из-за высокой вязкости нефти и сильной трещиноватости коллекторов, извлечение нефти из таких залежей обычными методами зачастую неэффективно, а иногда и невозможно. Проведенные многими исследователями работы и опыты показали, что наиболее эффективным методом извлечения нефти из таких коллекторов являются тепловые методы воздействия на пласт и, в частности, закачка горячей воды.

Коллекторские свойства трещинно-поровой залежи значительно отличаются от свойств поровой залежи. В залежи с поровым

а

коллектором поры являются как емкостями так и проводящими каналами для нефти. В трещинно-поровой запеки емкостью , для нефти являются блоки порода, а трещины - проводящими каналами. Понятно, что механизмы вытеснения нефти в этих типах коллекторов отличаются друг от друга. Поэтому, при применении теплоносителей при разработке таких месторождений возникает необходимость в исследовании механизма извлечения нефти из норовых блоков при высоких температурах. Повышение температуры при нагнетании теплоносителя в пласт существенно влияет на характер процесса фильтрации и массопереноса в трещинно-поровых коллекторах по сравнению с изотермическим случаем. Учет указанных особенностей процесса весьма важен для повышения качества проектирования, контроля и управления разработкой месторождения. В связи с этим, изучение распределения температуры в трещинно-поровых пластах при извлечении из них нефти с применением теплоносителей, является важной и актуальной научно-технической задачей.

В работе дана методика расчета температурных полей в трещиновато-пористых пластах. Разработана математическая модель-вытеснения нефти термохимическими методами из трещинно-пористого пласта в двумерной постановке при неизотермических условиях.

Цель работы. Настоящая работа посвящена изучению механизма распределения температуры в трещиновато-пористом пласте при вытеснении нефти теплоносителем, созданию методик расчета распределения температур! в пласте и определения технологических показателей процессов извлечения нефти из трещиновато-пористых пластов с применением теплоносителей.

Основные задачи исследования. В настоящей работе были поставлены следующие основные задачи:

1.Создание математической модели и методики расчета распределения температуры в трещиновато-пористом пласте при закачке в него теплоносителей.

2.Исследование влияния теплофизических свойств пласта и свойств теплоносителя на распределение температуры в трещиновато-пористом пласте при закачке теплоносителей.

3.Исследование распределения температуры в трещиновато-пористом пласте при использования метода тепловой оторочки.

4.Создание математической модели процесса вытеснения нефти термохимическими методами из трещиновато-пористых пластов.

Научная новизна работы.

1.Впервые создана комплексная математическая модель и методика расчета, позволяющая определять распределение температуры в трещиновато-пористой среде при закачке теплоносителей с учетом нестационарных теплопотерь в о кружащие породы и нестационарного теплообмена меаду трещинами и блоками.

2.Дана методика расчета процесса нестационарного теплообмена между жидкостью в трещинах и блоками.

3.Показана особенность распределения пластовых температур в трещиновато-пористом пласте при использования метода тепловой оторочки.

4.Создана математическая модель процесса извлечения нефти из трещиновато-пористых пластов с использованием термохимического заводнения. Разработана расчетная программа для анализа или прогноза процесса разработки.

Практическая ценность работы.

I.Данной работой .заложены научные основы расчета теплового воздействия на трещиновато-пористый пласт. Дана методика расчета

распределения температуры в данном пласте при воздействии на него теплоносителем.

2.Разработанная модель позволяет выбирать оптимальную температуру закачки теплоносителей для того, чтобы обеспечить эффективное протекание процесса капиллярной пропитки блоков пород.

3.Модель позволяет выбирать оптимальный вариант разработки нефтяных месторождений с трещинно-поровым коллектором при закачке в пласт теплоносителей.

Апробация работы. Части работы отражены в отчете лаборатории научных основ методов повышения нефтеотдачи пластов ИПНГ РАН за 1993 г. Основные результаты исследований докладывались на научным семинаре лаборатории научных основ методов повышения нефтеотдачи пластов ИПНГ РАН ( 1994 г.)

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и технологических предложений, приложения расчетных программ; общий объем работы составляет 120 страниц, включая 89 страниц текста, 17 рисунков, а также список использованных литературных источников из 117. наименований на 10 страницах и приложения расчетных программ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность исследований по теме диссертационной работы, формулируется цель исследования и излагается краткое содержание предлагаемой работы.

В первой главе дается краткий обзор и анализ исследований механизма извлечения нефти из трещиновато-пористых пластов.

Основные представления теории фильтрации в трещинно-горовой среде даны в работах Г.И.Баренблатта, Ю.П.Желтова, И.Н.Кочиной, А.Бана, К.С.Басниева, Б.Н.Николаевского и П.П.Золотарева и

других. Согласно этим работам трещинно-поровую среду можно рассматривать как систему двух вложенных друг в друга разномасштабных пористых сред. При этом, осреднение необходимо проводить по объемам, содержащим достаточно большое число блоков. Отличие схемы фильтрации в пористой среде состоит в том, что в каждой точке пространства вводятся две пористости и две проницаемости: в блоках и в трещинах.

Анализ этих работ также показывает, что вытеснение нефти из поровых блоков происходит водой, находящейся в трещинах, за счет противоточной капиллярной пропитки. Механизм противоточной капиллярной пропитки экспериментально изучали А.А.Кочешков, М.М.Кусаков, Н.М.Лубман, Э.В.Скворцов, Э.А.Авакян, А.А.Балепин и др., которые установили, что скорость капиллярного вытеснения одной жидкости другой обратно пропорцинальна длине образца, а температура и химреагинт могут усиливать процесс противоточной капиллярной пропитки.

Процесс теплового воздействия на пласт при закачке теплоносителя в нефтенасыщенные трещиновато-пористые пласты протекает иначе, чем в чисто пористые. Особенность теплообмена в трещиновато-пористом пласте заключается в запаздывании проникновения тепла в блоки по сравнению с распространением его по трещинам. При. воздействии горячего вытеснителя на такой пласт на нефтеотдачу главным образом влияют капиллярные эффекты, проявление которых сильно зависит от температуры.

Вопрос о распределении пластовой температуры при тепловом воздействии на пласт в обычной пористой среде исследован во многих работах, таких как работы Чарного И.А., Чекалпка Э.Б., Малофеева Г.Е., Рубинштейна Л.И., Ловерье и т.д. Для

трещиновато-пористых пластов до сих пор многие исследователи используют решение Ловерье. Анализ показал, что для трещиновато-пористого пласта нельзя использовать решение Ловерье. Дело в том, что из-за сильной трещиноватости и высокой вязкости нефти теплоноситель быстро течет по трещинам. Очевидно в одной точке пласта температура в трещинах и в блоках не может оставаться одинаковой в течение процесса вытеснения нефти из пластов, т.е. возникает разность температуры между трещинами и блоками. Поэтому, нужно отдельно рассчитать температуру в трещинах и температуру в блоках.

Во второй главе исследуется распределение температур! в трещиновато-пористом пласте при тепловом воздействии.

При рассмотрении процессов переноса тепла в трещинно-поровых коллекторах будем пользоваться моделью трещиновато-пористого пласта и соответствующими методами механики сплошных сред. Модель трещиновато-пористого пласта в целом представляет собой вложенные одна в другую взаимодействующие пористые и проницаемые системы. Характерной особенностью такой среда является тепло- и массообмен между блоками и трещинами при наличии перепада температур и давлений между ними.

Распределение пластовой температуры при закачке в него теплоносителя рассчитывается на основе уравнения теплопереноса. Теплоперенос осуществляется в пласте, во-первых, конвективным путем, во-вторых, за счет теплопроводности среды.

При математическом описании термодинамических процессов в обычных пористых средах теплообменом между жидкой и . твердой фазами (скелетом пористой среды) обычно пренебрегают вследствие быстрого протекания этого процесса. В случае же трещинных сред.

необходимо учитывать сам процесс перераспределения тепла между жидкостью в трещинах и блоками породы из-за большего размера блока. Здесь будем считать, что в системе трещин перенос тепла происходит за счет конвекции, а в блоках — только за счет теплопроводности породы и жидкости. При этом, конечно, будем учитывать потери тепла с единицы площади кровли и подошвы за счет теплопроводности породы.

Можно показать, что при изложенных выше условиях процесс распространения тепла в трещинах и в блоках в случае нагнетания горячей несжимаемой жидкости описывается следующими дифференциальными уравнениями:

- С с^Л^ОМ^ ) + овРо<И7-(Увт1)] - <1,=

= I 0ОРОт13О1]-77- ( 1 }

«.".»•»> тг+ «А"1-»,1^- = ОТ- — < 2 >

где: о,-теплообмен между трещинами и блоками за счет

теплопроводности; ^-тешгопотери в кровлю к подошву пласта за

счет теплопроводности; с^,со,ст- удельные теплоемкости воды,

нефти, порода; - плотности воды, нефти, породы:

-насыщенности воды и нефти, индекс I и 2 соответственно

трещин и блоков; ^«7»- скорости воды и нефти "в трещинах;

Т1( Т2 - температуры трещин и блоков; 1п, тг- пористость

трещин и блоков; ь.-толщина пласта.

Процесс ухода тепла в окружающие • породы за зчет теплопроводности (вверх и вниз от основного пласта) описывается следующим уравнением:

« т. «ГГ.

т вгг <п , т с»рп,

Здесь Т5— температура окружающих пластов.

Решение этой задачи известно. В результате получим шток тепла :

I АТЧт> йт ^

^ хтХ , , — ( 4 )

о г п*т< г-г!

Процесс теплообмена между жидкостью в трещинах и блоками может быть принят стационарным или нестационарным. Если размер блоков велик, то скорость выравнивания температуры в блоке не может быть очень большая, и поэтому нельзя считать, что температура одинакова в любой точке блока. В этом случае теплообмен между трещинами и блоками происходит по нестационарному закону.

Теллоперенос в блоках кубической -формы описывается очень сложным математическим выражением для практических расчетов. Поэтому было принято приближение, согласно которому блок представлены шарада с равновеликим объемом.

Необходимо отметить, что такое представление блоков было применено впервые И.Д.Умрихиным в его докторской диссертации, правда, при рассмотрении распределения давления в блоках.

Уравнение теплопереноса в шаре имеет следующий вид:

~оЪ " *т( + — ) ( 5 )

В соответствии с условиями задачи

Гг= То при О £ Р < Л . 1 = О ( 6 )

тг= Т01 при Г = И , . t > О.

Профессором Ю.П.Жвлтовш совместно с автором настоящей диссертации получено приближенное решение поставленной вше задачи о распределении температуры в шаре, используя метод интегральных соотношений Г.И.Баленблатта. После ряда математических преобразований получаем выражение нестационарного теплообмена между трещинами и блоками в виде:

15« и-т)

6Х 1 «г

К-тг 8 ? * (7)

Данная модель позволяет получить оценки распределения температуры в трещиновато-пористом пласте, выяснить механизм теплопереноса в данном типе коллекторов, определять специфику распределения температуры в данном пласте.

Расчетная программа реализована на языке РОКГЯШ на персональном компьютере ЭВМ. Данная программа опробована на примере со следупцими характеристиками пласта: толщина н = 15 (М). ширина В = 100 (М), длина Ь = 100 (М), пористость трещины ш1= 0.02 , пористость блоков т2= 0.29, удельная теплоемкость горных пород сш= 1.3 (кДж/кг.К), плотность пород рт= 2500 (кг/м3). удельная теплоемкость воды 4.19 (кДх/кг.К),

плотность воды ри= 1000 (кг/м3), удельная теплоемкость нефти со= 2.1 (кДж/кг.К), плотность нефти ро= 890 (кг/м*), насыщенность нефти в пласте Бо= 0.40, теплопроводность о кружащих пласт пород хт= 250 (кДж/м.сут.К), их температуропроводность *т= 0.078 (м2/сут). В пласт закачивается горячая вода при дт = 200 (К).

Расход закачиваемой воды Qu= 150 (м5/сут).

Результаты показаны на рис.1-2.

На рис.1 показывается распределения пластовой температуры в пористом и трещиновато-пористом пластах при одинаковых условиях. Кривые I. 2 и 3 означают распределения температуры через 100, 200 и 300 суток после закачки теплоносителей. Видно, что скорость распространения тепла в пористом пласте ниже, чем в трещиновато-пористом пласте. Вследствие трещиноватости теплоперенос быстро происходит по системе трещин. ■ Но специ$ка состоит в том, что существует разница температур! между трещинами и блоками. Распределение температуры в пористом пласте оказыется более гладким.

С увеличением размера блоков скорость теплопереноса в блоках уменьшается. Поэтому температура в блоках мало повышается, и следовательно снижается эффективность теплового воздействия на блоки. Рис.2 показывает распределение температуры в блоках после прокачки 1.0 порового объема при размерах блока L„=I.O М, 2.0 Ы и 4.0 М. Из рис.2 видно, что по мере увеличения размера блоков-скорость их прогрева уменьшается. Разница температуры между трещинами и блоками увеличивается.

Из опыта известно, что использование тепловых оторочек является более эффективным по сравнению с непрерывной закачкой теплоносителя в пористый пласт, т.к. намного снижаются энергические затраты на подготовку теплоносителя.

Рассмотрим распределение температуры в трещинно-поровом коллекторе при создании в нем тепловой оторочки за счет закачки горячей воды. Поле температуры в трещиновато-пористом пласте при применении метода тепловой оторочки также определяется на основе

X (м)

Рис.1. Сравнение распределения температуры в различных коллекторах при вытеснении из них нефти горячей водой

- распределение температуры в пористом среде

- - - распределение температуры в трещинно-поровой среде

(в том числе ---температура в трещинах;

- - - температура в блоках.)

X (М)

Рис.2. Распределение температуры в блоках при различных размерах блоков

1 - 1=1.0 М; 2 - 1=2.0 М; 3 - 1=4.0 М.

уравнений теплопереноса (I) и (2). Результаты расчетов показаны на рис.3 и 4, где показано распределение температуры при вытеснении нефти горячей водой методом тепловой оторочки при 100, 200 и 300 сут с начала закачки холодной воды. Из указанных рисунков видно, что температура в трещинах при тепловой оторочке существенно снижается с течением времени. Тепловая оторочка перемещается в пласте за . счет закачки холодной воды. По мере продвижения оторочки го пласту, максимальная температура в тепловой оторочке снижается.

Необходимо отметить, что для нефтяных залежей с трещинно-поровым коллектором важное значение имеет картина распределения температуры в блоках. Дело в том, что во-первых большая часть запасов нефти находится в блоках трепшнно-порового коллектора, во-вторых, по данным многих исследований, температура в блоках гораздо больше влияет на процесс капиллярной пропитки чем температуры в трещинах. Именно от температуры в блоках зависит процесс их капиллярной пропитки.

На рис.4 показано распределение температуры в блоках по пласту при вытеснении нефти методом тепловой оторочки. Кривые I, 2 и 3 представляют распределение температуры в блоках через 100, 200 и 300 суток после начала закачки холодной воды. Кривые 4 и 5 показывают распределение температуры в блоках при непрерывной закачке горячей воды в течение 100 и 400 суток. Полученные данные показавают, что после закачки холодной воды, распределение температуры в блоках сохраняет форму распределения температуры при непрерывной закачки горячей водой, хотя в некоторых местах температура снижается, но го сравнению с температурой в трещинах степень снижения температуры мала. В областях: пласта, удаленных

X (м)

Рис. 3. Распределение температуры в трещинах по пласту при вытеснении нефти методом тепловой оторочки, (продолжительность закачки оторочки 100 сут.)

1 - через 100 сут. после начала закачки холодной воды;

2 - через 200 сут.; 3 - через 300 сут.

X (м)

Рис. 4. Распределение температуры в блоках по пласту при вытеснении нефти методом тепловой оторочки.

1 - через 100 сут. после начала закачки холодной воды;

2 - через 200 сут.; 3 - через 300 сут.;

4 - после окончания закачки тепловой оторочки;

5 - при непрерывной закачке горячей воды в течение 400 сут.

от нагнетательной галереи тешература блоков повышается, что очень важно для процесса капиллярной пропитки блоков. Конечно по сравнении с непрерывной закачкой горячей вода в течение 400 суток температура в блоках действительно много ниже. Но непрерывная закачка горячей воды 400 суток требует значительных затрат энергии.

В третьей главе разработана математическая модель вытеснения нефти горячей водой из трещиновато-пористых пластов.

Как уже отмечалось, характерная особенность трещинно-поровых коллекторов заключается в том. что основная масса нефти в них содержится в порах блоков, на которые пласт делится системой трещин. При этом емкость трещин не превышает 1-21 от объема пор пласта. В то ке время подвижность пласта определяется системой трещин, так как их проницаемость в большинстве случаев во много раз превышает проницаемость блоков. Подобный характер строения трещиновато-пористых пластов определяет специфический подход к их разработке.

Поэтому можно считать, что перемещение жидкостей в направлении их вытеснения происходит только в системе трещин.

Движение нефти и воды в системе трещин при такой постановке описывается системой дифференциальных уравнений фильтрации несмешивавдихся жидкостей, которые с учетом капиллярного впитывания в блоки имеют вид:

( 8 ) ( 9 )

.

<Илг У + т.-— + ч(-Ь) + а = О

* ОХ

Цт У + т,-— - ч^) + а = О

4 ох °

J

где ч(1;) означает массообмен между трещинами и блоками за счет процесса капиллярной пропитки.

Уравнение теплопереноса в трещиновато-пористом пласте:

[ + сдйт^г,) ] + еи<^+ еоЧо- -5—

= < <\ЛАВ„1+ °орот1Бо1 ^ТЕ- +

<*Т,

+ К <\ЛЛ,«+ СоРо3о2) в2+ «ЛК!-»,)-^

( Ю )

' Капиллярная пропитка во многих случаях является главным способом вытеснения нефти из блоков в трещин. По результатам большинства исследований скорости капиллярной пропитки можно использовать формулу, предложенную Э.В.Сквоцовым и Э.А.Авакян:

-РЪ *

где а, р — экспериментальные коэфЗ^циенты.

Из соображений размерности и физики процесса впитывания коэффициент а, Р можно выразить следующим образом:

„ _ 36 очт> совЭ<т> V Кг/шг

= ¿Г^ (12>

• о

а Ь* Б(Т1 щт> р

а = 2 • мо-:--( 13 )

В четвертой главе рассмотривается методика интегрирования уравнений двухфазной фильтрации в трещиновато-пористом пласте.

Данная математическая модель допускает аналитическое решение только в редких случаях, которые, как правило далеки от реальных условий. Поэтому предложено решать систему уравнений (8)-(13) с применением численных методов по МРЕЗ-методу: поле давлений определяется по неявной'схеме, а поля насыщенностей и температуры по явной.

По приведенному алгоритму разработана программа на языке Г0НТЯ4Н, реализованная на персональном компьютере ЭВМ. Программа состоит из главной программы, 5 подпрограмм и 5 функциональных подпрограмм.

Применение данной модели и современных методов расчетов технологических показателей позволяет значительно увеличить число рассчитываемых вариантов разработки нефтяных месторождений. Например, расчеты можно проводить при различных элементах системы разработки и технологиях (сетка скважин, темп закачки рабочих агентов, размер тепловых оторочек, система расстановки скважин и воздействия.-на пласт и т.д.). На этой основе рассчитываются основные варианты при проектировании разработки месторождений.

-21-

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1.Созданы математическая модель и расчетная программа на ЭВМ для расчета поля температура при вытеснении высоковязкой нефти горячей водой из трепщновато-пористш пластов с учетом нестационарного теплообмена как между трещинами и блоками так и между пластами и окружающими породами, позволяпцие исследовать влияние различных факторов на поле температуры с учетом специфики трещинно-поровых коллекторов.

2.Предложена формула для расчета нестационарного теплообмена между жидкостью в трещинах и блоками, позволяющая с достаточной для практики точностью эффективно решать комплексную задачу расчета температурного поля в^трещинно-поровом коллекторе.

3.Показана эффективность использования тепловой оторочки при вытеснении высоковязкой нефти горячей водой из трещиновато-пористых пластов.

4.Создана математическая модель и расчетная программа на ЭВМ процесса вытеснения высоковязкой нефти горячей водой из трещиновато-пористых пластов с учетом теплообмена и массообмена между трещинами и блоками.

Соискатель