автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Технологические основы моделирования и исследование характеристик процессов при тепловых методах воздействия на нефтяные пласты

Со

- I?

) На правах рукописи

с\„

со

I

Коробков Евгений Иванович

УДК 622. 276.6

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ МЕТОДАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ

Специальность 05.15. 06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена во Всероссийском нефтегазовом научно-исследовательском институте им. академика А.П.Крылова (ВНИИнефть)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Гарушев А. Р.

-доктор технических наук, профессор Закиров С. Н. - доктор технических наук Казаков А. А.

Ведущая организация - ГАНГ им. И. М. Губкина

Защита состоится 24 апреля 1998 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д. 104.02.01 при Всероссийском нефтегазовом

научно-исследовательском институте им. академика А.П.Крылова,. (ВНИИнефть), Москва, 125422, Дмитровский проезд, дом 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИнефть.

Автореферат разослан 20 марта 1998 г.

"Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук,

с. н. с.

М. М. Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В настоящее время как в нашей стране, так. и за рубежом, накоплен большой опыт применения методов воздействия на нефтяные пласты с использованием тепла. Диапазон применяемых при этом технологий довольно широк, начиная от закачки горячей воды и заканчивая созданием в пласте движущегося очага горения. Опытно-промышленные работы показали ,что эти методы являются наиболее эффективными при извлечении нефти из пластов со сложным геологическим строением и нефтей, характеризующихся высокой вязкостью.

Россия обладает большим запасом высоковязких нефтей, растет доля трудноизвлекаемых запасов в общем нефтяном балансе страны, и перспектива использования тепловых методов для извлечения таких нефтей очевидна.

Среди методов теплового воздействия на пласт обращает на себя внимание своим многофакторным воздействием на процесс вытеснения нефти метод внутрипластового сверхвлажного горения. Являясь разновидностью процесса внутрипластового горения, процесс сверхвлажного горения имеет , тем не менее, отличительные особенности, заключающиеся в том, что при • этом процессе потребляется только часть образующегося нефтяного топлива, в результате чего скорости продвижения зоны реакции имеют •значительно более высокие значения, чем при других процессах горения. Более того, при сверхвлажном горении образуется существенно меньше топлива, чем , например, при сухом горении. Следовательно, при реализации процесса сверхвлажного горения значительно сокращаются суммарное количество воздуха и сроки разработки залежи по сравнению с сухим или влажным процессом горения. Мероприятия по осуществлению процесса, сверхвлажного

горения с целью вытеснения нефти считаются более безопасными ввиду образующейся широкой зоны реакции, которая эффективно препятствует прорыву кислорода к добывающим скважинам. Нефть при этом процессе в значительно меньшей степени , чем при других разновидностях процесса горения, подвергается воздействиям высоких температур.

Механизм процесса сверхвлажного горения, его зависимость от различных факторов, остается до настоящего времени малоизученной' областью. Этот факт в значительной степени не дает возможности правильно управлять этим процессом, рассчитывать показатели разработки и, тем самым, использовать этот процесс дм эффективного извлечения нефти из недр.

Одной из актуальных проблем в разработке нефтяных месторождений является проблема извлечения нефти из пластов со сложным геологическим строением, неоднородных по проницаемости и пористости. Есть основание считать, что привлечение тепловых методов, в частности процесса противоточного внутрипластового горения, для извлечения нефти из таких пластов имеет перспективу .

Разработка пластов, насыщенных нефтями с высоким содержанием парафина, путем закачки в пласт обычной воды ведет к охлаждению его до температуры ниже температуры насыщения нефти парафином, в результате чего часть твердого парафина выделяется на скелете породы. Возможность применения процесса

внутрипластового горения для извлечения нефти из таких пластов представляется заманчивой, но, так как при этом процессе есть вероятность закупорки пор пласта кристаллическим парафином, эта проблема требует подробного изучения.

Процесс извлечения нефти из пластов, обладающих трещинно-поровой структурой, не является исключением из ряда сложных задач. Наиболее эффективными методами добычи нефти из таких

коллекторов являются методы, основанные на процессах термокапиллярной пропитки. Из них наиболее испытанным методом добычи нефти в настоящее время является способ циклической иаротепловой обработки скважин (ПТОС), включающий в себя несколько стадий: нагнетание теплоносителя, выдержка скважины в закрытом состоянии и отбор продукции. Эффективность процесса извлечения нефти из пласта с помощью метода ПТОС зависит, от соотношения таких параметров, как темп и время нагнетания теплоносителя, время выдержки скважины в закрытом состоянии. Создание математической модели, учитывающей реальные физико-химические процессы в пласте, и разработка на основе этой модели методики расчета технологических показателей является актуальной задачей.

Основным инструментом, с помощью которого осуществляются в диссертации исследовательские работы, являются разработанные автором математические модели, реализующие формализацию задач при изучении конкретных объектов. Появление мощной электронно-вычислительной техники стимулировало развитие математического моделирования внутрипластовых процессов, без которого в настоящее время практически невозможно обойтись при проектировании разработки нефтяных месторождений. Одним из наиболее важных достоинств математического моделирования внутрипластовых процессов является то, что проблема соблюдения критериев подобия модели и реального пласта, которая остро стоит при лабораторном моделировании, здесь решается автоматически. Реализованные в виде программ на ЭВМ , математические (численные) модели представляют собой гибкий и удобный инструмент для решения разнообразных задач. Задавая различные начальные и граничные условия, можно имитировать различные режимы проведения процесса. Изменяя геометрию моделируемого члементя пласта и

варьируя ■ распределением по пласту проницаемости и пористости, можно решать задачи вытеснения нефти из пластов со сложной структурой.

Основная идея, которой посвящена предлагаемая работа, формулируется в виде следующих пунктов.

1) Разработка совершенных математических моделей процесса вытеснения нефти тепловыми методами, учитывающих широкий спектр физико-химических явлений, происходящих в пласте.

2) Проведение комплекса численных экспериментов с целью детального изучения механизмов воздействия на нефтяные пласты с •помощью тепловых методов.

3) Получение' аппроксимационных моделей для расчета параметров изучаемого процесса путем постановки спланированных численных экспериментов.

4) Поиск оптимальных режимов осуществления исследуемых процессов в сложных физико-геологических условиях посредством проведения экспериментов на численных моделях.

5) Создание методик расчета технологических показателей разработки месторождения на основе сконструированных численных моделей .процесса воздействия на пласт тепловыми методами.

Основная идея работы и актуальность изучаемых проблем диктуют следующие задачи исследования.

■1) Анализ теоретических и экспериментальных работ по изучению происходящих в пласте физико-химических явлений и создание обобщенной математической модели процесса внутрипластового горения нефти.

2) Исследование закономерностей протекания сверхвлажного внутрипластового горения и вывод регрессионных уравнений для расчета ключевых параметров процесса.

3) Исследование зависимости концентрации остаточного нефтяного топлива от различных факторов в процессе сверхвлажного горения при учете химической кинетики образования топлива.

4) Моделирование процесса вытеснения нефти из неоднородных по простиранию и толщине пластов с применением сверхвлажного внутрипластового горения и выбор оптимальных режимов проведения процесса.

5) Создание численной модели процесса вытеснения высокопарафинистой нефти из пластов с помощью внутрипластового горения и исследование термогидродинамической обстановки в пласте при имитировании процесса на модели.

6) Разработка численной модели паротепловой обработки скважин для условий трещинно-порового пласта и создание на ее основе методики расчета технологических показателей разработки месторождений с применением ПТОС.

Научная новизна диссертационной работы выражается в разработке новых подходов в постановке и численном решении математических моделей процесса теплового воздействия на пласт и проведении комплекса экспериментальных исследований на численных моделях с применением метода планирования эксперимента. Привлекая регрессионный анализ, впервые получены адекватные многофакторные аппроксимационные модели для расчета наиболее важных параметров процесса сверхвлажного внутрипластового горения.

Проведенные исследования процесса горения в сложных физико-геологических условиях позволили обнаружить закономерности, руководствуясь которыми были найдены оптимальные режимы осуществления процесса для эффективного вытеснения из пластов нефти.

При изучении процесса противоточного горения были продемонстрированы механизмы взаимодействия физико-химических явлений в пласте, которые можно успешно использовать при извлечении нефти из неоднородных по проницаемости и пористости пластов.

Проделанные на численной модели процесса вытеснения высокопарафинистой нефти из пластов эксперименты показали, что при реализации процесса горения в пласте, в котором в результате охлаждения выделился из нефти кристаллический парафин, в узкой зоне пласта образуется пик кристаллического парафина, продвигающийся по пласту вместе с передним фронтом тепловой волны.

На основе разработанных численных моделей созданы методики расчета технологических показателей разработки пластов с применением тепловых методов.

Общая методика исследований, . применяемая в диссертации, заключается в проведении спланированных экспериментов на численных моделях по выбранной научной тематике, обработке и анализе полученных результатов.

Самым важным звеном в этой цепи является математическая модель. От того, насколько точно (адекватно) модель описывает исследуемый объект, зависит результат всей работы. Именно по этой причине разработке математических моделей в работе отводится важное место.

Практическая ценность. Разработанные математические модели представляют собой совершенный инструмент как для исследования механизмов вытеснения нефти из пластов при различных методах воздействия, так и для расчетов технологических показателей разработки нефтяных месторождений.

Полученные регрессионные уравнения для расчетов ключевых параметров процесса сверхвлажного горения позволяют существенно повысить достоверность и точность расчетов и , тем самым, заложить в проекте реальные сроки разработки и значения технологических показателей.

. Проведенные исследования на численных моделях дают новые представления о механизме вытеснения нефти с использованием тепловых методов и могут служить основой для разработки новых технологий.

Созданная методика расчета технологических показателей ПТОС, использующая результаты лабораторных опытов, позволяет количественно описать реальную картину происходящих в пласте явлений.

Основные результаты работы докладывались на конференции по проблемам повышения нефтеотдачи месторождений Казахстана в г. Шевченко (1981 г.), на Всесоюзном совещании в г. Уфе (1987 г.), на 2-ом Всесоюзном школе-семинаре "Разработка месторождений нефти и газа " в г. Звенигороде (1991), на семинаре академика С.А.Христиановича в институте проблем механики АН СССР.

Результаты диссертации вошли в "Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений" (М., Недра,1989). По результатам диссертационной работы автором было получено (в соавторстве) 5 авторских свидетельств на изобретения.

Разработанные численные модели использовались в создании "Технологической схемы разработки опытного участка Гремихинского месторождения методом физико-химического воздействия при внутрипластовом получении оксидата", выполненной в 1988 г., "Технологической схемы разработки северного участка Ижевского месторождения методом "оксидат", выполненной в 1987г..

Созданная методика расчета технологических показателей разработки методом ПТОС использовалась для расчета показателей разработки опытного участка Усинского месторождения.

Объем работы.. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем занимает 190 страниц машинописного текста, в том числе 50 рисунков и 5 таблиц. Список литературы в объеме 9 страниц включает 141 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во . введении дается обоснование проблемы для исследования. Показано, что процесс внугрипластового горения является эффективным методом воздействия на нефтяные пласты. Спектр физико-химических явлений, сопровождающих процесс внутрипластового горения, охватывает явления, происходящие при осуществлении всех других известных в настоящее время методов воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи.

Отмечен крупный вклад в развитие теории процесса внутрипластового горения ряда ученых: А.Б.Шейнмана, И.А.Чарного, Э.Б.Чекалюка, К.А.Оганова, А.Н.Снарского, Ю.П.Желтова, которые впервые предложили продвигать высокотемпературную зону путем закачки в пласт . воды. Дальнейшие работы, выполненные отечественными учеными Боксерманом A.A., Ждановым С.А., Гарушевым А.Р., Байбаковым Н.К., Стрижовым И.Н., Степановым В.П., Тарасовым А.Г., Полковниковым В.В., Малофеевым Г.Е.,Кутляровым B.C., Важиевским А.Е., Бондаренко В.В. и другими, оказали решающее влияние на создание систем и технологий разработки нефтяных месторождений методом внутрипластового горения. Среди зарубежных ученых известны Alexander J.D., Bousaid LS., Burger J.G., Crookstone R.B., Culham W.E., Dietz D.N., Gottfried

B.S., Perkins D., Ramey HJ., Reynolds A.C., Rubin В., Smith F.W., Thomas G.E., Verma V.B., Waijdema J., Wilson L.A. , которые внесли большой вклад в изучение процесса внутрипластового горения путем математического и физического моделирования процесса.

Во введении сформулированы основная идея и задачи исследования, показана научная новизна диссертационной работы.

Первая глава посвящена физико-химическим аспектам моделирования неизотермических внутрипластовых процессов.

В диссертации проведен анализ физических и химических явлений, оказывающих доминирующее воздействие на протекание термических внутрипластовых процессов. При математическом описании внутрипластовых процессов мы имеем дело со сложными физико-химическими явлениями в пористой среде , где происходит неизотермический процесс фильтрации многофазной жидкости. При построении физических моделей внутрипластовых процессов в настоящее время сложился подход, основанный на теории механики сплошных сред. В данном случае при описании гетерогенных сред используются методы гомогенизации.

Физическая модель строится, как правило, по следующей cxèMe. В пористой среде фильтруется поток, в который могут быть включены в качестве подвижных фаз вода, сырая нефть и газ. Кроме того, там может присутствовать неподвижная фаза, представляющая собой твердый коксообразный осадок. В свою очередь нефть моделируется в виде смеси, состоящей из конечного числа углеводородных фракций. Газовая фаза также может быть представлена неким эффективным газом, в состав которого может входить в виде пара вода и углеводородные компоненты нефти, а также кислород, азот и газы горения.

Тепловой аспект моделирования обычно сводится к описанию конвективного и теплопроводного переноса тепла в пористой среде.

■Принимается, что в прилегающих к пласту породах тепло распространяется только за счет теплопроводности. Кроме того, при моделировании необходимо описать различные физико-химические превращения, такие как фазовые переходы для воды и нефти типа жидкость-пар реакции образования и окисления нефтяного топлива, сырой нефти и газообразных углеводородных компонентов кислородом нагнетаемого воздуха.

При расчете скорости реакции окисления нефтяного топлива кислородом нагнетаемого воздуха трудности заключаются в описании химической реакции в гетерогенной среде, представленной многофазной пористой структурой пласта, где реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях, и химическая реакция происходит только на поверхности раздела реагирующих фаз. Гетерогенный.процесс характерен тем, что при этом процессе скорость химических реакций определяется как истинной химической кинетикой на поверхности раздела веществ, так и скоростью доставки реагирующих веществ к этой поверхности, т.е. молекулярной или конвективной диффузией. При математическом описании внутрипластовых окислительных процессов используется метод гомогенизации среды. Процесс рассматривается так, как если бы реакция происходила во всем объеме, занятом реагирующими веществами, т.е. гомогенно. При этом скорость реакции определяется как количество вещества, расходуемого вследствие реакции за единицу времени в единице объема.

Используя закон действующих масс и зависимость скорости реакции от температуры по закону Аррениуса для гомогенного процесса, можно записать выражение для скорости реакции нефтяного топлива с кислородом в виде:

Б = Ъ Р»*о2 С„ • ехр [ - Е / (Я (Т + 273)) - К • Ч .

Здесь п* - приведенный показатель реакции по кислороду; Р02 -парциальное давление кислорода в газе; Сн - концентрация в пласте топлива; Г - степень окисленности нефтяного топлива; К - константа; Коэффициенты Е, Ъ, п*, К называют кинетическими константами. Их значения определяются лабораторным путем по известным отработанным методикам.

Термические внутрипластовые процессы сопровождаются сложными фазовыми превращениями. При внутрипластовом горении в пласте вместе с высокотемпературным фронтом движутся горячие продукты горения в смеси с водяным паром. Одновременно с этими процессами в пласте происходит процесс испарение нефти. При этом как для пара воды, так и для паров нефти имеются зоны перегретого пара и_2<эны конденсации, в которых сосуществуют фаза насыщенного пара и его жидкая фаза.

Фазовые превращение веществ, как и всякие происходящие в природе явления, протекают с конечными скоростями. Ряд исследователей при расчете скорости фазовых переходов воды описывали эту. функцию в виде зависимости, пропорциональной разности давлений: парциального давления для данного компонента в газовой фазе и давления упругости пара, принимая при этом условие, что скорость испарения преобладает над скоростью диффузии, т. е.

Р = Ьа (Р* - РУ),

где Ру - парциальное давление водяного пара в газовой фазе; Р* -давление насыщенного пара при данной температуре; а - площадь поверхности^газоводяного контакта в единице объема пористой среды; И - коэффициент парообразования. Несмотря ' на исключительную простоту формулы для "расчетов скорости фазовых

переходов, представленная формула имеет существенно слабую сторону, выражающуюся в том, что значения коэффициентов а и Ъ очень трудно оценить, и методик по определению этих величин в настоящее время нет. Таким образом, этот факт практически сводит на нет все достоинства формулы .

Другой более распространенный подход при математическом моделировании процесса фазовых переходов заключается в принятии •допущения о том, что фазовые превращения происходят с бесконечно большой скоростью. Принимая во внимание, что скелет породы, слагающей пласт, имеет большую удельную и испаряющую поверхность, эти допущения можно считать правомерными. Скорость фазовых превращений здесь может зависеть только от скорости межфазного теплообмена между породой и флюидами. Таким образом, на основании законов Дальтона и Рауля можно определить содержание пара в газовой фазе в данной точке пласта , исходя из температуры и пластового давления.

В процессе осуществления термических процессов в пласте идут сложные физико-химические превращения нефти. В частности, при высоких температурах происходит интенсивное испарение углеводородных компонентов нефти, перенос их вперед и конденсация в холодной части пласта. Нефть имеет очень сложный компонентный состав, и моделирование процесса испарения- конденсации нефти представляет собой сложную задачу.

В настоящее время при описании фазовых превращений нефти применяется известный прием "идеальной хромотографии", где вводятся так называемые "условные компоненты", за которые принимаются отдельные нефтяные фракции, имеющие свои температуры кипения, плотности и другие физические свойства. Компонентный состав исследуемой нефти моделируется, исходя из разгонки (ИТК) этой нефти. Для этого на графике находят такой

нормальный насыщенный углеводород, который при температуре кипения "условного компонента" имеет давление пара, равное одной атмосфере. Понимается при этом, что давление пара "условного компонента" изменяется с температурой так же, как и давление выбранного нормального углеводорода. Зависимость давления пара "условного компонента" от температуры можно определить по графику Кокса. Используя выше приведенную процедуру, принимают, что фазовое равновесие в пределах элементарной пространственной ячейки устанавливается мгновенно.

Процесс образования остаточного топлива контролируется следующими ' важными процессами : испарением нефтяных компонентов, жидкофазным окислением нефти кислородом и кинетикой реакции крекинга. Эти процессы определяют сколько всего топлива будет образовываться в виде кокса.

Количество образующегося топлива зависит от подвижности нефти, наличия в ее составе тяжелых компонентов с высокой температурой кипения, от способности к адсорбции этих компонентов на скелете породы. Кроме того, в пласте также происходят превращения легких фракций нефти в тяжелые по схеме: масла—> смолы-» асфальтены-» остаточное топливо. Коксообразующими компонентами являются смолы и асфальтены.

Механизм образования остаточного топлива достаточно сложен для его полной формализации. Ввиду сложности механизма процесса образования топлива большинство авторов ранних работ по математическому моделированию игнорировали описание механизма этого процесса или делали допущение о том, что этот процесс идет с бесконечно большой скоростью. Это допущение в значительной мере упрощает задачу, сводя ее к тому, что в начальный момент времени в модели формально можно задавать постоянное значение концентрации топлива по всему пласту.

Впервые к проблеме описания механизма процесса образования топлива подошел с позиции химической кинетики , предположив существование конечных скоростей этого процесса, Thomas. При этом зависимость скорости образования топлива от температуры описывалась по закону Аррениуса. Более строго этот процесс описал Crookston. Процесс, образования топлива, с точки зрения автора, является результатом крекинга тяжелых углеводородных фракций. Скорость реакции образования кокса считается пропорциональной концентрации тяжелого нефтяного компонента . Зависимость скорости реакции от температуры описывается по закону Аррениуса:

г, = Ат • (m р„ s„ Çn ) exp [ Ет./ ( R ( Т + 273 ))],

где Ат , Ет - кинетические константы: коэффициент ■пропорциональности и энергия активации; sH, рн - насыщенность и плотность нефти соответственно; Çn - концентрация тяжелой фракции в нефти.

Кинетические константы определяются путем физического моделирования. Значения констант несут в себе обобщенную информацию о многообразии сложных химических реакций превращения нефти в остаточное топливо.

Во второй главе представлен обзор работ по математическому моделированию процесса внутрипластового горения нефти. Обзор •работ позволяет сделать анализ, который может быть выражен в следующем.

Уровень математического моделирования в настоящее время позволяет решать многомерные модели процесса извлечения нефти из пласта. Разработаны методы численного решения сложных систем дифференциальных уравнений, позволяющие эффективно решать ■задачу с минимальными затратами машинного времени.

Тем не менее, нельзя не отметить существенные типичные недоработки, имеющие место при постановке и решении задач.

В преобладающем большинстве опубликованных ' по математическому моделированию работ расчет теплопотерь в кровлю и подошву производится согласно формуле Ньютона, что не отражает реальной ситуации в пласте, которая может быть учтена путем решения уравнения теплопроводности. Описание процесса теплообмена между пластом и прилегающей породой на основе закона Ньютона показывает качественно неверный механизм теплопотерь и может приводить к ошибочным результатам при расчетах температурного поля и выводам относительно условий затухания процесса горения. Расчет теплопотерь по формуле Ньютона можно производить только при математическом моделировании лабораторного эксперимента по внутрипластовому горению нефти.

При совместном нагнетании воздуха и воды в пласт, где инициирован процесс горения, могут образовываться зоны, в которых жидкая фаза испаряется полностью. Расчет содержания водного или углеводородного компонента в газовой фазе на основе информации о температуре и парциальном давлении в данном случае становится неприемлемым, поскольку в пласте отсутствует локальное фазовое равновесие. Большинство авторов работ искусственно искажают физическую картину процесса с целью упрощения процедур расчета. В этих работах принимается, что полное исчезновение жидкой фазы не имеет места и, таким образом, условия локально фазового равновесия будут соблюдаться во всех случаях.

При моделировании процесса внутрипластового горения с учетом коксообразования ни в одной из рассмотренных работ не был введен параметр, учитывающий степень окисленности нефтяного топлива. Этот параметр играет важную роль в стабилизации процесса внутрипластового горения и его отсутствие в модели в значительной

степени снижает возможности последней при исследовании механизма внутриплатного горения

Итоги анализа методов решения показывают, что большинство авторов работ отдают предпочтение неявным разностным схемам по причине их максимальной эффективности и экономичности расчетного времени.

При использовании неявной разностной схемы для расчета процесса внутрипластового горения возникают проблемы при аппроксимации функции скорости реакции окисления нефтяного топлива. Высокий порядок аппроксимации дифференциальных уравнений (второй и выше) предполагает запись разностного аналога функции на промежуточном временном слое п+1/2 . Однако такая запись приводит к серьезным осложнениям при получении решения с применением итерационных процедур. При проведении счета, начиная с некоторого момента времени, итерационный процесс сходится все медленнее, а при дальнейшем продолжении счета сходимости добиться не удается вообще. Это объясняется тем, что экспоненциальная зависимость скорости реакции нефтяного топлива с кислородом от температуры Т делает функцию скорости реакции очень чувствительной к изменению Т, что равным образом оказывает воздействие на сходимость решения. Это явление было замечено многими авторами. В частности, Gottfried предлагал в этом случае обрывать итерационный процесс, если количество итераций превышает наперед заданное число. Очевидно, что применение таких процедур при численных методах решения не снимает проблемы и может привести к непредсказуемым результатам.

Следующей проблемой, возникающей при решении задач •является возникновение неустойчивости вычислительной схемы, связанной также с расчетами скорости реакции по приведенной формуле. Вычислительный процесс после некоторого времени

становится неустойчивым. Этот вид неустойчивости связан не с экспоненциальной зависимостью скорости реакции от температуры. Нестабильность счета появляется тогда, когда температура в некоторой точке пласта высока, а концентрация кислорода низка. Причина этой нестабильности выражается в том, что под влиянием экстремальных условий источник тепла формально генерирует больше тепла и продуктов горения, чем это позволяет количество кислорода, доставляемое в данную точку за время Д1. Стабилизировать ситуацию за счет уменьшения шага по времени не удается.

В большинстве работ для стабилизации процесса расчета в выражении для скорости реакции окисления приведенный порядок реакции по кислороду и топливу принимается равным единице. Правомерность этих допущений подтверждается результатами ряда экспериментальных работ. Первый порядок по кислороду и топливу в реакциях окисления и первый порядок по нефти в реакциях образования топлива позволяет в значительной степени стабилизировать расчетную схему.

Необходимо также отметить тот существенный факт, что уровень современного моделирования заставляет решать сложные системы уравнений только численным путем. Итоговый этап решения заключается в создании программы численного расчета на ЭВМ. Публикуемые в литературе по этой тематике работы носят в основном демонстративный или рекламный характер. В лучшем случае имеет место схематическое описание численного решения. Исследователь, желающий для изучения процесса иметь аналогичную модель, получает от таких публикаций минимум информации и вынужден самостоятельно ставить задачу, искать эффективные методы решения, выбирать алгоритмы расчета, составлять программу и реализовывать ее на ЭВМ.

В третей главе приводится описание постановки и решения математической модели. Разработана нестационарная математическая модель процесса внутрипластового горения нефти на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта работ по математическому моделированию. Модель позволяет рассчитывать все разновидности процессов внутрипластового горения (сухое, влажное и сверхвлажное), закачку пара или горячей воды, методы физико-химического воздействия, простое заводнение и пр.. В модели реализуется учет процесса фильтрации трехфазного потока в присутствии четвертой твердой фазы. Нефть представлена многокомпонентным составом. При этом используется метод "идеальной хромотографии".

При моделировании механизма образования остаточного топлива учитывается кинетика образования топлива, принимая допущение о конечной скорости отложения топлива на скелете породы. Скорость образования топлива рассчитывается по формуле, включающей кинетические константы. Учитывается кинетика окисления нефтяного топлива и нефтяных фракций как в жидком, так и газообразном состояниях. Кинетика окисления нефтяного топлива учитывает такой важный параметр как степень окисленности топлива. Фазовые переходы воды и компонентов нефти описываются на основе постулата о локальном термодинамическом равновесии, принимая, что характерное время фазовых превращений меньше характерного время продвижения тепловой волны. Теплообмен продуктивного пласта с прилегающими к нему породами рассчитывается посредством •решения уравнения теплопроводности, полагая, что тепло в прилегающих породах распространяется только за счет явления теплопроводности.

Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных с начальными и граничными условиями

Система уравнений решается методом конечных разностей с применением неявной полностью консервативной схемы. В процессе решения используется итерационный процесс, причем применяются специальные приемы, позволяющие существенно улучшить сходимость итераций к решению задачи. В течение всего времени счета контролируется материальный баланс.

При решении задачи были применены новые подходы, заключающиеся в следующем.

1) В целях радикального улучшения сходимости итерационного процесса при решении конечно-разностного уравнения для температуры, записанного в неявном виде, функции скоростей реакции окисления нефтяного топлива и углеводородных фракций разлагаются в ряд Тейлора в окрестности точки Тп. Выделение линейного члена разложения позволяет сконструировать устойчивую схему расчета при широком диапазоне изменения шагов по времени Д1 и практически при любых изменениях температуры АТ в точке пласта за промежуток времени .

2) Расчет содержания парообразных компонентов нефти и воды в газе в момент, когда жидкая фаза исчезает, а также в случае ее полного испарения, осуществляется путем решения уравнений материального баланса для газообразных компонентов и введения "фиктивных" относительных содержаний этих компонентов в газе. В результате применения такой процедуры проблема "исчезновения жидкой фазы" полностью исчерпывается как при численном решении, так и с позиции наиболее строгого отображения физического явления.

3) Проведенные исследования в данной работе показали, и это также было подтверждено в ряде опубликованных работ, что при

наличии итерационного процесса неявные конечно-разностные уравнения для насыщенностей не могут быть абсолютно устойчивыми. В процессе счета с некоторого момента времени на кривой распределения по пласту нефте- или водонасыщенности появляется •возмущение (в виде всплеска), которое, увеличиваясь по амплитуде, распространяется по всему пласту, что является признаком недостаточной устойчивости разностной схемы. В этом случае необходимо использовать схемы с большим запасом устойчивости.

В настоящей работе для обеспечения устойчивости схем относительные фазовые проницаемости (функции насыщенностей) кап+| (а =в,н) разлагаются в ряд Тейлора по "своим" насыщенностям (8а) в окрестности точки 5ап до членов второго порядка и выше. Подставляя полученные разложения в уравнения для определения насыщенностей, будем иметь квадратные уравнения относительно яа|,+|

4) Расчет потока тепла, возникающего в результате теплообмена пласта с прилегающими к нему породами, производится путем решения конечно-разностного уравнения теплопроводности, записанного по неявной схеме. На границе пласта с породами задаются условия сопряжения.

Математическая модель запрограммирована для расчетов на ПЭВМ и отлажена в процессе проведения на ней большого объема .вычислительных работ. В качестве выходных параметров в модели выводятся на печать распределения по пласту давления, температуры, нефте-водо-газонасыщенности, содержаний нефтяных фракций в жидкой и газообразной фазах, содержаний в газе водяного пара и кислорода, а также текущие и накопленные добычи нефти и жидкости, коэффициент вытеснения нефти, объемы закачиваемых воды и газа. Модель может быть использована как для проведения научно-

исследовательской работы, так и для расчетов .технологических показателей разработки месторождения.

Четвертая глава посвящена исследованию . процесса сверхвлажного внутрипластового горения. В диссертационной работе проведено детальное численное изучение влияния кинетики окисления нефтяного топлива и других параметров процесса на скорость продвижения зоны реакции Уг при процессе сверхвлажного горения. При этом использовались результаты экспериментальных исследований по кинетике окисления нефтей с различными физико-химическими свойствами, проделанными в МИНГ им. И.М. Губкина БондаренкоВ.В. и Стрижовым И.Н. в 1983г. ("Нефтяное хозяйство",1983, N2).

Исследовашш показали, что сверхвлажный процесс демонстрирует относительно высокие скорости продвижения зоны окислительных реакций при частичном потреблении топлива. При понижении кинетической активности нефти скорость перемещения зоны реакции растет. Влияние кинетики окисления топлива на скорость продвижения зоны реакции была зафиксирована также и в .экспериментальных работах, проделанных во ВНИИнефть Хисметовым Т.В..

Зависимость Уг от изменения плотности потока нагнетаемого окислителя (при фиксированных значениях других независимых переменных) представляет собой прямую линию. В процессе проведения численных экспериментов было зафиксировано, что для нефтей, окислительная активность которых находится в границах, обозначенных в экспериментальной работе БондаренкоВ.В. и Стрижовым И.Н., коэффициент использования кислорода близок к единице.

Путем проведения спланированного численного эксперимента и обработки результатов расчетов с привлечением регрессионного

анализа было получено уравнение для расчета скорости продвижения зоны реакции при процессе сверхвлажного внутрипластового горения. Уравнение представляет собой полиномиальную зависимость Уг от шести независимых переменных. В качестве влияющих факторов на скорость продвижения зоны реакции были взяты плотность потока закачиваемого окислителя, водовоздушное отношение, начальная концентрация нефтяного топлива, кинетическая активность топлива к окислению, константа окисленности топлива, теплофизические .свойства пласта и окружающих пород, начальное пластовое давление. Независимые • переменные, выбранные на основе анализа предварительных расчетов на модели и анализа структуры дифференциальных уравнений, представляют собой комплексы, состоящие из перечисленных выше факторов.

Проверка гипотезы об адекватности по критерию Фишера свидетельствует, что в области реальных пределов изменения независимых переменных модель адекватна. Постановка серии дополнительных экспериментов показала, что модель позволяет делать экстраполяцию за пределы области изменения переменных. Результаты расчетов с использованием полученного уравнения показали значительные расхождения с расчетами по известной формуле Дитца, которая ранее использовалась для определения скорости перемешения зоны реакции при процессе сверхвлажного горения. Расчетные величины скоростей могут различаются в несколько раз. Величина, рассчитанная по формуле Дитца, представляет собой скорость конвективного переноса тепла Ук за счет нагнетаемой водовоздушной смеси. Естественно, что величины Уг и Ук различаются. На основании полученного уравнения для определения Уг выводится формула для расчета коэффициента использования топлива. При этом было подсчитано, что наименьшее значение коэффициента использования топлива равно 0,195. Таким образом,

при проведении процесса сверхвлажного внугрипластового горения для выжигания единицы объема пласта требуется почти в пять раз меньше воздуха, чем это необходимо при реализации сухого.

Следующей важной проблемой, которую необходимо решать при проектировании разработки нефтяных месторождений с применением процесса сверхвлажного горения, является ответ- на вопрос, при каких сочетаниях значений параметров процесс может быть незатухающим. Без определения границ устойчивого сверхвлажного горения задача расчета технологических показателей разработки будет решена не полностью.

Более того, при затухании процесса влажного внугрипластового горения последний проходит стадию сверхвлажного. Таким образом, решая задачу о незатухающем сверхвлажном процессе в пласте , тем самым решается общая задача об устойчивости процесса горения при закачке в пласт водовоздушной смеси.

Для определения границ устойчивого сверхвлажного горения проводился спланированный эксперимент на математической модели. Данный этап работы представляет собой как бы продолжение исследований по определению скоростей перемещения зоны реакции процесса сверхвлажного горения и включает в себя идентичные операции по конструированию регрессионной модели. Для решения регрессионной задачи используются те же самые факторы, что и в предыдущей задаче.

На основе обработки результатов проведенного спланированного численного эксперимента получено аппроксимационное уравнение для расчета границ области устойчивого процесса сверхвлажного горения. Было доказано, что в качестве доминирующего фактора, влияющего на устойчивость процесса, нельзя выбирать величину водовоздушного отношения, как это утверждалось в более ранних работах. Задача при таком выборе

выходной величины не будет корректной. Здесь значение концентрации остаточного топлива играет наиболее влиятельную роль и выбор этого параметра в качестве контролирующего обеспечивает корректность задачи.

Полученное уравнение выглядит как явная зависимость минимального количества топлива б™, необходимого для поддержания незатухающего горения, от пяти независимых параметров. Проверка модели на адекватность проводилась посредством постановки дополнительных экспериментов и сравнения полученных результатов с расчетными. Сравнения показали, что относительная ошибка не превышает пяти процентов.

Методика проверки на возможность осуществления незатухающего процесса заключается в том, что сначала с помощью полученного уравнения рассчитывают критическое значение нефтяного топлива в™ , а затем сравнивают его со значением топлива вто, которое получается в результате постановки лабораторного опыта по вытеснению нефти паром. Процесс горения может быть устойчивым, если б™ < в™.

Проведенное исследование по определению границы перехода процесса сверхвлажного горения в процесс влажного показало, что доминирующим фактором здесь является водовоздушное отношение. Влияние других факторов выражено слабее. Было показано, что значения водовоздушного отношения р* меняются в пределах от 0,52 до 1,33 кг/кг в зависимости от изменения значений других параметров. Из них наиболее влиятельными являются темп нагнетания окислителя, начальная концентрация нефтяного топлива, теплофизические свойства породы, окислительная способность нефти. Зависимость р* -от темпа нагнетания окислителя позволяет сделать вывод о том, что при фиксированном водовоздушном отношении в зависимости, от величины плотности потока нагнетаемой водовоздушной смеси в

пласте могут реализовываться как • влажный, так и сверхвлажный процессы внутрипластового горения.

Проведено изучение влияния различных параметров на скорость продвижения зоны реакции процесса противоточного внутрипластового горения при закачке в пласт водовоздушной смеси. Особенность процесса противоточного горения состоит в том, что при нагнетании в пласт воды вместе с воздухом, в пласте осуществляется процесс сверхвлажного горения. Вернее, это есть разновидность сверхвлажного процесса при противоточном горении. Процесс характеризуется присутствием воды в зоне реакции и значениями температуры, не превышающими значения температуры насыщенных паров воды при данном пластовом давлении. Показано, что при противоточном горении процесс горения происходит в кинетической области по причине относительно низких значений температуры, причем в процессе горения участвует в основном сырая нефть. Скорость продвижения зоны горения совпадает со скоростью перемещения фронта тепловой волны.

Характер зависимости скорости продвижения зоны реакции имеет противоположную тенденцию по сравнению с прямоточным сверхвлажным процессом. При закачке совместно с воздухом воды скорость продвижения зоны сильно зависит от темпа нагнетания смеси и водовоздушного отношения. Ввиду значительной протяженности высокотемпературной зоны, кислород нагнетаемого воздуха при этом процессе расходуется полностью. Таким образом, существует принципиальная возможность практически полной нейтрализации кислорода (или снижения концентрации кислорода в газе до уровня допустимых норм) в случае прорыва его к добывающей скважине путем осуществления управляемого процесса окислительных реакций в призабойной зоне скважины. С этой целью формируется расширяющаяся зона процесса противоточного горения. Скорость

расширения этой зоны зависит от входных параметров, при которых проводится процесс. При некоторых благоприятных для горения условиях существует возможность поддерживать устойчивый процесс горения при малых скоростях продвижения зоны реакции. В этом случае количество топлива может быть достаточным для поддержания горения, даже если скорость продвижения близка к нулю, т. е. теоретически можно вокруг добывающей скважины создать стабильную зону поглощения кислорода, температура которой будет поддерживаться за счет окислительных реакций нефти с поступающим кислородом. В сильно обводненном пласте с низкой нефтенасыщенностью очаг горения должен активно продвигаться вперед, чтобы не затухнуть от недостатка топлива.

Полученные результаты исследования позволяют также сделать обоснование технологического решения по вытеснению нефти из ■неоднородных по проницаемости пластов с применением прогивоточного горения.

В пятой главе приводятся результаты исследования влияния параметров процесса сверхвлажного горения на количество образующегося топлива.

При проведении исследования зависимости количества образующегося топлива от различных параметров процесса сверхвлажного горения описание процесса отложения топлива в математической модели основывается на гипотезе о существовании конечных скоростей образования топлива и включении химической кинетики для количественного описания процесса. Нефть моделируется в виде смеси, состоящей из конечного числа испаряющихся и неиспаряющихся нефтяных фракций. При этом используется метод "идеальной хромотографии". Принимается допущение, что в процессе образования топлива участвуют тяжелые неиспаряющиеся фракции, температура кипения которых выше

температуры в пласте при горении. Функция скорости реакции образования топлива описывается зависимостью от температуры по закону Аррениуса и включает в себя константы, называемые кинетическими. Границы диапазона изменения скоростей образования топлива и конкретные числовые значения кинетических констант были взяты из анализа экспериментального материала, опубликованного в печати. Значения кинетических констант, полученные в результате лабораторных экспериментов, несут в себе обобщенную информацию о многообразии реакций образования топлива и адсорбционной способности скелета породы.

. Эксперименты с варьированием значений кинетических констант показали, что процесс образования топлива определяется, с ■ одной стороны, активностью нефти к топливообразованию, с другой -условиями, обеспечивающими доставку нефти в зону реакции образования топлива. Взаимодействие этих факторов обусловливает существование двух предельных областей процесса образования топлива. Если скорость образования топлива соизмерима с темпом поступления нефти в зону реакции, процесс накопления топлива будет зависеть от факторов, которые влияют на подвижность нефти в пласте. Если скорость образования топлива будет меньше скорости поступления нефти в зону реакции, то в этом случае процесс зависит от факторов, влияющих на кинетику топливообразования, в частности от температуры в пласте. Эти две области высокой и низкой активности нефти к образованию топлива выделены путем задания численный значений кинетических констант.

Эксперименты с нефтями, обладающими высокой активностью к образованию топлива, продемонстрировали, во-первых, высокие абсолютные значения концентрации образующегося топлива, во-вторых, отсутствие чувствительности процесса накопления топлива к изменению значений таких параметров, как плотность потока

нагнетаемого воздуха, водовоздушное отношение, окислительная активность нефти. Эксперименты показали зависимость количества образующегося топлива от содержания в нефти тяжелых фракций.

В области низкой кинетической активности нефти к образованию топлива наблюдается более сложная картина зависимости количества образующегося топлива от различных факторов. Кривые зависимости количества топлива от водовоздушного отношения, окислительной способности нефтяного топлива, относительного содержания тяжелых фракций в нефти имеют сложную конфигурацию и могут быть условно разбиты на участки, отражающие последовательность протекания стадий процесса.

Наиболее сложная взаимосвязь между процессами, происходящими в пласте, демонстрируется на кривых зависимости количества образующегося топлива от темпа нагнетания в пласт воздуха (при фиксированном значении водовоздушного отношения). Кривые имеют экстремум. Количество образующегося топлива уменьшается при увеличении темпа нагнетания воздуха, и процесс горения имеет тенденцию к затуханию вследствие недостаточности топлива. Горение также может затухать в области низких значений плотности потока воздуха из-за недостатка кислорода. Таким образом, при проведении процесса сверхвлажного горения необходимо задавать оптимальные режимы закачки воздуха. В противном случае можно получить затухающий процесс как при малых значениях плотности потока воздуха, так и при больших.

Общий анализ проделанных экспериментов позволяет сделать заключение, что количество образующегося топлива при процессе сверхвлажного горения имеет сложный механизм зависимости от параметров процесса, что необходимо учитывать при проектировании разработки месторождений. Оптимальные режимы процесса могут

быть получены путем проведения расчетов на математических моделях с использованием результатов лабораторных исследований.

Результаты экспериментов показали, что процесс сверхвлажного горения имеет одно из преимуществ перед другими разновидностями горения, состоящее в том, что при этом процессе образуется значительно меньше количество топлива, чем при других процессах горения. При отдельных сочетаниях факторов количество топлива, образующееся при процессе сверхвлажного горения может быть в несколько раз меньше, чем, например, при процессе сухого горения;

В шестой главе рассматриваются задачи вытеснения нефти из пластов с зональной и слоистой неоднородностью. Рассматриваемые разновидности неоднородности нефтяных пластов являются наиболее распространенными. Проблема извлечения нефти из таких пластов представляет известные сложности,

и поэтому любой подход к ее решению , по крайней мере, достоин внимания. Решение представленной задачи осуществляется путем постановки экспериментов на двумерных численных моделях процесса вытеснения нефти из пластов путем термического воздействия. Разработка двумерной модели представляет собой более сложную задачу, чем разработка одномерной, но эксперименты на такой модели позволяют исследовать принципиально новые механизмы изучаемого процесса.

Представленная двумерная (горизонтальная) математическая модель процесса внутрипластового горения нефти включает в себя описание процессов многофазной многокомпонентной фильтрации, фазовых превращений воды и нефти, химических реакций образования и окисления топлива. Задача в прямоугольной области решается методом конечных разностей с использованием неявной консервативной схемы на равномерной пространственной сетке. Метод решения основан на раздельном определении неизвестных

функций с применением итерационного процесса. Уравнения для определения давления и температуры решаются методом линейной верхней релаксации. Разработан алгоритм численного решения задачи и составлена программа расчета на ПЭВМ. Численная модель может быть использована как для проведения экспериментальных исследований процесса вытеснения нефти из пластов путем термического воздействия, так и для расчетов технологических показателей разработки элемента пласта.

Проведенные численные эксперименты по вытеснению нефти из неоднородного пласта, имеющего низкопроницаемое включение в виде "линзы", путем осуществления в пласте процесса прямоточного сверхвлажного горения показали, что при определенном сочетании параметров процесс горения в неоднородных по проницаемости пластах может происходить в низкопроницаемой "линзе", а высокопроницаемую часть пласта не задействовать. Создавшаяся ситуация объясняется тем, что малые значения плотности потока нагнетаемого воздуха в "линзе" (согласно исследованиям, описанным в главе 5) ведут к образованию значительного количества топлива и стабилизации процесса. Процесс сверхвлажного горения может затухать в высокопроницаемых областях пласта ввиду высоких значений плотности потока воздуха и малой концентрации топлива.

Проведенные численные эксперименты по моделированию процесса вытеснения нефти из неоднородного горизонтального пласта с применением противоточного горения показали, что процесс горения наиболее эффективно развивается в низкопроницаемой зоне пласта ( в "линзе"), где фронт горения продвигается с высокой скоростью. В высокопроницаемой области пласта скорость фронта горения низка, и значения температуры невелики.

Объяснение этому явлению заключается в том, что нагнетаемая вместе с воздухом вода прорывается по высокопроницаемой части

пласта к золе горения, резко снижая как скорость продвижения фронта горения, так и значения температуры на фронте. В "линзе" преимущественно фильтруется только воздух, что и обеспечивает высокую скорость продвижения зоны горения. С проникновением воды в линзу скорость фронта горения там уменьшается, но она все равно будет выше, чем в высокопроницаемой области ""пласта, поскольку скорость продвижения зоны реакции при противоточном горении находится в обратной зависимости от плотности потока водовоздушной смеси. Процесс противоточного горения позволяет охватить воздействием зоны продуктивного пласта, недосягаемые для извлечения нефти другими известными методами. Применяя его, например, для предварительного прогревания низкопроницеамых зон пласта с последующей закачкой воды, можно получить хорошие результаты вытеснения.

Созданная двумерная (вертикальная) численная модель процесса внутрипластового горения позволяет проводить исследования процесса вытеснения нефти из пластов со слоистой неоднородностью. Математическая трактовка модели в основном повторяет математическую постановку рассмотренной горизонтальной модели. Различие между ними состоит только в формулировках закона фильтрации и способах расчета теплопотерь в окружающие пласт породы. Методы решения модели аналогичны методам, используемым при решении горизонтальной двумерной модели.

Физическая модель представлена в виде элемента пласта, состоящего из набора пропластков, имеющих различные толщины, проницаемости и пористости.

Эксперименты в пласте с двумя гидродинамически связанными пропластками показали, что процесс горения в большей мере задействует высокопроницаемый пропласток, но за счет

конвективного и теплопроводного переноса тепла интенсивно нагревается и низкопроницаемый пропласток.

В пласте с гидродинамически изолированными пропластками проводились целенаправленные эксперименты, при которых в пропластках путем подбора входных параметров реализовывались различные процессы горения. Идеология экспериментов основывалась на результатах моделирования, продемонстрированных в главе 4. Эксперименты преследовали цель осуществить в высокопроницаемом пропластке, где плотность потока водовоздушной смеси высока, процесс влажного горения, в то время как в низкопроницаемом реализуется процесс сверхвлажного. Переход процесса сверхвлажного горения к процессу влажного сопровождается понижением скорости продвижения зоны реакции, поскольку при влажном горении топливо сгорает почти полностью. Следовательно, предложенный способ воздействия на пласт позволяет стабилизировать фронт вытеснения нефти и продлить время разработки до момента прорыва кислорода к добывающим скважинам. Эксперименты показали принципиальную возможность осуществлять такие процессы и, тем самым, увеличивать коэффициент извлечения нефти.

В пласте, представленном набором гидродинамически связанных между собой пропластков, значения абсолютной проницаемости которых подчиняются нормальному закону распределения, проводились численные эксперименты по вытеснению нефти с помощью сверхвлажного внутрипластового горения. Результаты эксперимента показали, что хотя процесс горения наиболее интенсивно продвигается по отдельным высокопроницаемым пропласткам, пласт прогревается равномерно. Теплопроводность и интенсивный конвективный теплоперенос горячими газами и жидкостями выравнивают температурный фронт и обеспечивают хороший охват пласта воздействием.

Седьмая глава посвящена изучению механизма вытеснения из пластов пысокопарафинистых нефтей с применением тепловых методов.

Исследовательские работы ориентированы на изучение термогидродинамической обстановки в пласте, из которого осуществляется отбор нефти с высоким содержанием парафина. Обращают на себя особенное внимание те месторождения, которые разрабатывались ранее с использованием заводнения, в результате чего произошло охлаждение пласта до температуры ниже температуры насыщения нефти парафином и часть парафина в виде твердой фазы выделилась в пласте.

Перспектива применения тепловых методов, в частности процесса внутрипластового горения, в целях извлечения нефти из пластов на таких месторождениях представляет большой интерес, но этот вопрос требует подробного изучения. Механизм вытеснения высокопарафинистых нефтей с использованием внутрипластового горения до сих пор остается не выясненным.

В данной работе проводятся исследования отдельных сторон этого сложного механизма с помощью нестационарной математической модели процесса внутрипластового горения нефти с высоким содержанием парафина. В модели учтены гидродинамика трехфазного потока в пласте, перенос тепла в пласте и теплообмен с окружающими пласт породами, химическая кинетика окисления нефтяного топлива, фазовые переходы вода-пар и фазовые переходы парафина из жидкого состояния в твердое и обратно. Парафин рассматривается в модели в виде двух фаз: парафин растворенный в нефти и парафин кристаллический. При моделировании нефти с высоким содержанием парафина принимаются следующие допущения

1) парафин при растворении образует истинные, т.е. молекулярные растворы;

■ 2) при температурах плавления и выше парафин смешивается с нефтью в любых соотношениях;

3) кристаллизация парафина из нефти происходит путем последовательного выделения из раствора твердых углеводородов с постепенно понижающимися температурами плавления.

Состав конкретной нефти в "условных компонентах" находится, используя разгонку (ИТК) этой нефти. Известные из эксперимента значения температуры насыщения нефти парафином и температуры застывания нефти определяют нам общий интервал выкипания парафиновых фракций на кривой разгонки. Суммарный процентный состав выбранных фракций должен быть при этом равным известному для конкретной нефти содержанию в ней парафина. Исходя из среднего значения температуры выкипания фракции, выбирается индивидуальный углеводород, физические свойства которого (плотность, температура и теплота плавления) приписываются "условному компоненту". Определяя температуру плавления "условного компонента" как температуру плавления выбранного индивидуального углеводорода, будем иметь модель состава парафинистой нефти. Учтены реологические свойства нефти, скорость фильтрации нефти в пласте описывается законом Дарси в обобщенном виде. Считается, что при осаждении кристаллического парафина на стенки пор породы, изменяется пористость и коэффициент проницаемости породы.

Модель решается численным методом конечных разностей.

Для выявления возможности осуществления процесса внутрипластового горения на месторождениях нефтей с высоким содержанием парафина в качестве образца была взята нефть (смесь) месторождения Узень. Содержание парафина в этой нефти составляет

21%. Температура насыщения нефти парафином равна 62°С. Температура застывания составляет 32 °С.

В рассматриваемом примере считается, что в результате продолжительной закачки в пласт холодной воды температура в нем упала от начальной пластовой до 40°С, и часть парафиновых фракций выделилась из нефти в виде кристаллов.

Проделанные на модели эксперименты показали, что при осуществлении процесса горения в пласте, где в качестве четвертой фазы присутствует выделившийся из нефти твердый парафин, распределение по пласту парафина напоминает "бегущую" волну ,т. е. имеет пик, движущийся вместе с передним температурным фронтом. Выявлен механизм описанного явления и показано, что пик образуется на начальной стадии осуществления процесса внутрипластового горения.

Исследованы характер изменения величины пика со временем и зависимость этой величины от различных факторов. Выявлено, что амплитуда пика максимальна на начальной стадии процесса, а в дальнейшем имеет тенденцию к монотонному убыванию. Наиболее влиятельными факторами на изменение величины пика являются темп нагнетания в пласт воздуха и значение начальной концентрации парафина в нефти. Пик растет с увеличением плотности потока нагнетаемого воздуха. Увеличение начального содержания в нефти парафина также приводит к росту пика в распределении твердого парафина.

Выявлено, что амплитуда пика имеет сильную зависимость от ширины диапазона значений температур плавления (кристаллизации) парафиновых фракций в нефти. Так, понижение пластовой температуры с 40 градусов С до 25 в рассмотренном выше примере приводит к увеличению ширины диапазона температур плавления в пределах от 25 до 64 градусов С и, как следствие, к существенному

росту величины пика. Амплитуда пика держится высокой в течение ■всего времени проведения эксперимента.

Образования скопления в узкой зоне пласта значительного количества твердого парафина, движущегося вместе с тепловой волной, ведет к увеличению фильтрационного сопротивления закачиваемым, в пласт флюидам и, как следствие, к росту давления на линии нагнетания и в самом пласте. Фильтрационное сопротивление повышается с возрастанием величины пика. Высокое значение пика может сделать реализацию тепловых процессов проблемотичной. Тем не менее, когда вследствие охлаждения пласта из нефти выделяется небольшая часть парафина, возможность применения тепловых методов реальна. К каждому конкретному случаю нужно подходить индивидуально, предварительно проводя как лабораторные, так и численные эксперименты.

Зависимость фильтрационного сопротивления в пласте от величины образующегося пика и, как следствие, от плотности потока нагнетаемого воздуха оказывает положительное влияние на стабилизацию фронта вытеснения нефти в неоднородных по проницаемости пластах. В пластах со слоистой неоднородностью это явление может вызывать эффект частичного тампонирования высокопроницаемых пропластков, в которых фильтрационное сопротивление повышается в большей степени, чем в низкопроницаемых.

Восьмая глава посвящена моделированию процесса извлечения нефти из трещинно-поровых коллекторов с применением паротепловых обработок скважин. Наиболее эффективными методами добычи нефти из коллекторов, обладающих трещинно-поровой структурой, являются методы, основанные на процессах противоточной термокапиллярной пропитки. Капиллярная пропитка вносит значительный вклад в механизм нефтеотдачи. С увеличением

температуры интенсивность пропитки возрастает. Паротепловое воздействие применяется с целью более глубокого прогревания призабойной зоны скважины, понижения вязкости нефти и ускорения капиллярной пропитки. Способ паротепловой обработки включает в себя несколько стадий: нагнетание в скважину теплоносителя, выдержка скважины в закрытом состоянии и отбор продукции. Расчет технологических показателей процесса на каждой стадии является в данном случае непростой задачей. Эта задача решается путем математического моделирования, происходящих в пласте явлений и постановки лабораторных экспериментов по противоточной капиллярной пропитки.

В диссертации разработана математическая модель процесса паротепловых обработок скважин в условиях трещинно-порового коллектора, в которой система трещин и система блоков рассматриваются как две сплошные среды, вложенные одна в другую. Исходя из такого подхода, математическая формулировка задачи сводится к написанию уравнений законов сохранения массы и энергии для системы трещин и системы блоков. При этом переток жидкости из одной среды в другую и теплообмен между средами учитываются путем введения функций источника в уравнениях баланса.

Моделировалось плоскорадиальное течение фильтрующихся фаз. Задача решалась методом конечных разностей на пространственной сетке, узлы которой размещаются по логарифмическому закону.

Функция скорости капиллярной пропитки и*, фигурирующая в уравнениях баланса, отражает физический процесс, являющийся доминирующим при вытеснении нефти из блоков. Точность аппроксимации функции и* в значительной степени влияет на точность при расчете технологических показателей процесса. В опубликованной литературе встречаются выражения для функции

капиллярной пропитки, выведенные на основании чисто теоретических подходов к задаче.

В диссертации при определении функции пропитки используются результаты экспериментов по противоточной капиллярной пропитке.

Типовые методики проведения лабораторных экспериментов по капиллярной пропитке сводятся , в основном, к определению количества нефти, вытесненной к определенному моменту времени из образца керна, помещенного в автоклав с жидкостью, имеющую фиксированную температуру. Проделав аналогичные процедуры для последующих моментов времени, получают кривую, отражающую зависимость количества вытесненной из образца нефти от времени. Изменяя температуру жидкости, получают набор кривых, отражающих изменения суммарного количества извлеченной из образца нефти от времени при различных фиксированных значениях температуры.

Использование в таком виде полученных зависимостей для расчетов показателей процесса паротепловой обработки скважин является проблематичным. Для решения задачи расчета процесса капиллярной пропитки необходимо иметь функцию и* , записанную в виде явной зависимости от параметров, влияющих на процесс. Предварительные исследования показали, что одним из таких параметров является температура, а в качестве другого параметра берется текущее среднее значение нефтенасыщенности в образце. Зафиксировав все другие параметры (давление, начальную нефтенасыщенность образца, его размеры, пористость, проницаемость и др.), строится функция и* в виде зависимости от Т и бН2. Однозначность зависимости скорости капиллярной пропитки от температуры и нефтенасыщенности образца доказана сравнением результатов лабораторных экспериментов по пропитке, в которых

температура в течение эксперимента различными способами изменялась.

Числено дифференцируя график зависимости количества вытесненной из образца нефти как функции времени, можно получить скорость пропитки при фиксированном значении температуры в любой момент времени. Используя зависимость текущей нефтенасыщенности образца от времени, можно построить график скорости пропитки в образце как функцию средней нефтенасыщенности образца породы. Применяя эту методику обработки кривых капиллярной пропитки, можно получить набор таких функций для различных значений температуры.

Для нахождения явной зависимости скорости капиллярной пропитки от температуры и нефтенасыщенности на базе результатов лабораторных экспериментов решается регрессионная задача. Аппроксимационное уравнение строится в виде полинома второй степени. При решении задачи используются методы планирования эксперимента.

На базе созданной численной модели составлена методика расчета технологических показателей разработки месторождений с применением ПТОС, включающая в себя расчеты технологических показателей на стадиях нагнетания теплоносителя, выдержки в закрытом состоянии и отбора продукции. Расчет технологических показателей производится путем постановки спланированных экспериментов на численной модели и решения оптимизационных задач.

Важным показателем метода паротепловых обработок скважин является отношение количества нагнетаемого теплоносителя к количеству добытой нефти, так называемое паронефтяное отношение. Для определения минимального значения паронефтяного отношения решается оптимизационная задача, в которой влияющими факторами

являются количество закачиваемого теплоносителя С и темп его закачки ц. С этой целью строится спланированный эксперимент на математической модели. Коэффициенты регрессионного уравнения рассчитываются путем обработки результатов экспериментов методом наименьших квадратов. Полученное уравнение исследуется на экстремум, в результате чего определяются значения темпа нагнетания и объема закачиваемого теплоносителя соответствующие минимальному значению паронефтяного отношения.

На этапе выдержки происходят процессы тепло-и- массообмена между трещинами и блоками, в результате чего нефть из блоков поступает в трещины. Процесс пропитки в точке пласта прекращается, когда нефтенасыщенность в трещине достигает критического •значения.

В представленной методике с помощью математической модели рассчитывается распределение нефтенасыщенности в трещинах в каждый момент времени. По этим данным строится кривая изменения накопленной в трещинах нефти в зависимости от времени. Кривые имеют характерный выполаживающий участок. Анализируя кривую пропитки блоков, разработчик может выбрать оптимальный момент перевода скважины на режим добычи, исходя из реальной ситуации.

При расчете параметров ПТОС моделируются стадия отбора продукции с целью учета процесса остывания пласта при расчете технологических показателей на следующем цикле.

Основные результаты и выводы.

1. Разработана нестационарная математическая модель процесса внутрипластового горения нефти, включающая в себя описание явлений многофазной, многокомпонентной фильтрации, фазовых превращений воды и нефти, кинетики образования и окисления

нефтяного топлива, а также кинетики окисления нефтяных фракций в жидкой и газообразной фазах. Модель обобщает отечественный и зарубежный опыты работ по математическому моделированию процесса внутрипластового горения и отличается строгими формулировкой и подходом к решению задачи.

Программа расчета отлажена в процессе проведения большого объема вычислительных работ и может быть использована как для проведения научно-исследовательских работ, так и для расчетов технологических показателей разработки месторождений.

2. Осуществлено, путем проведения серии спланированных численных экспериментов, детальное изучение влияния кинетики окисления нефти и других факторов на изменение параметров процесса сверхвлажного внутрипластового горения и получены регрессионные уравнения для расчета скорости продвижения зоны реакции и коэффициента использования топлива при процессе сверхвлажного горения.

3. Впервые получено на основе обработки результатов спланированного эксперимента на численной модели аппроксимационное уравнение для расчета границ области устойчивого сверхвлажного горения и предложена методика определения параметров незатухающего процесса горения.

4. Проведено исследование влияния различных факторов на величину водовоздушного отношения, определяющую границу между влажным и сверхвлажным процессами горения. Показано, что наиболее влияющими факторами являются темп нагнетания воздуха, значение концентрации остаточного топлива, кинетическая активность нефтяного топлива к окислению и интенсивность теплообмена пласта с окружающими породами.

5. Осуществлено изучение влияния химической кинетики процесса образования нефтяного топлива и других факторов на

количество образующегося топлива при процессе сверхвлажного горения. Исследование показало необходимость задавать оптимальные режимы закачки воздуха при осуществлении в пласте процесса горения.

6. Проведены численные исследования влияния различных факторов на скорость продвижения тепловой волны процесса противоточного внугрипластового горения и предложено технологическое решение по вытеснению нефти из неоднородных по проницаемости пластов, заключающееся в осуществлении процесса противоточного горения при одновременном нагнетании в пласт воздуха и воды. Показано, что реализация такого процесса в пластах, имеющих низкоприницаемые включения в виде линзы и в пластах со слоистой неоднородностью, дает возможность охватить воздействием зоны продуктивного пласта, недоступные для извлечения нефти известными методами и предотвратить попадание кислорода нагнетаемого воздуха в добывающие скважины.

7. Проведены эксперименты на двумерной (профильной) численной модели с целью исследования процесса вытеснения нефти из пластов со слоистой неоднородностью с помощью сверхвлажного внугрипластового горения. Результаты экспериментов показали принципиальную возможность в высокопроницаемых пропластках осуществлять процесс влажного горения, в то время, как в низкопроницаемых реализуется процесс сверхвлажного с тем, чтобы стабилизировать фронт вытеснения нефти и продлить время разработки залежи до момента прорыва кислорода к добывающим скважинам.

8. Создана нестационарная численная модель процесса вытеснения высокопарафинистой нефти из пластов с использованием внутрипластового горения. Проведенные на модели эксперименты показали, что при реализации процесса горения в пласте, в котором в

результате охлаждения выделился из нефти кристаллический парафин, в узкой зоне пласта образуется скопление (пик) кристаллического парафина, продвигающееся по пласту вместе с передним фронтом тепловой волны. Исследованы зависимости амплитуды пика от различных параметров процесса и влияние его на гидродинамическую обстановку в пласте.

9. Разработана численная модель процесса паротепловых обработок скважин в условиях трещинно-порового коллектора. Создана и продемонстрирована методика определения функции скорости термокапиллярной пропитки, основанная на обработке результатов лабораторных экспериментов. На базе созданной численной модели и использования регрессионного анализа предложена методика расчета технологических показателей разработки месторождений с применением ПТОС.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах.

1. Коробков Е.И.. Исследование явления самовозгорания нефти в пластах при закачке в скважину воздуха. " Нефтяное хозяйство",1973, N73.

. 2. Желтов Ю.П., Коробков Е.И.. Исследование начальной стадии процесса внутрипластового горения. Сб.тр.ВНИИ "Исследование в области разработки нефтяных месторождений и гидродинамики пласта", 1973, N47.

3. Коробков Е.И., Стрижов И.Н.. Математическое описание процессов влажного и сверхвлажного внутрипластового горения. Сб.тр.МИНГ им.И.М.Губкина "Термические методы повышения нефтеотдачи пластов", 1981.

4. Коробков Е.И.,Бондаренко В.В.. Об учете кинетики окисления топлива при математическом моделировании процесса внутрипластового горения. "Нефтепромысловое дело", ВНИИОЭНГ, 1983, N2.

5.Коробков Е.И. Исследование механизма процессов •внутрипластового горения. В кн. "Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений". М., Недра, 1989, гл.17.

. 6. Коробков Е.И., Стрижов И.Н.. Математическое моделирование внутрипластового горения. "Нефтяное хозяйство", 1982, N 4.

7. Коробков Е.И.. Механизм вытеснения из пластов высокопарафинистых нефтей при внутрипластовом горении. "Нефтяное хозяйство", 1983, N 10.

8. Коробков Е.И.. Исследование влияния кинетики окисления нефтяного топлива на скорость продвижения зоны реакции процесса сверхвлажного внутрипластвого горения. "Нефтепромысловое дело и транспорт нефти", 1984, N4.

9. Желтов Ю.П., Губанов Б.Ф., Коробков Е.И. и др.. Результаты научно-исследовательских работ в области применения методов теплового воздействия на пласты. Сб. "Анализ результатов и перспектива повышения эффективности технологии применения методов теплового воздействия и технических средств для использования теплоносителей в продуктивных пластах". ВНИИОЭНГ, М„ 1985.

10. Коробков Е.И.. Математическая модель процесса внутрипластового горения с учетом образования нефтяного топлива. Сб. тр. МИНГ им.И.М.Губкина "Физико-химические методы повышения нефтеотдачи пластов", 1985.

11. Коробков Е.И.. Результаты модельных расчетов показателей разработки нефтяных пластов с зональной неоднородностью. "Нефтяное хозяйство", 1986, N8.

12. Желтов Ю.П., Коробков Е.И.. Численное моделирование процесса вытеснения нефти из пластов с зональной неоднородностью. Изв.АН СССР, серия МЖГ, N5,1987.

13. Коробков Е.И.. Учет реологических свойств высокопарафинистых нефтей при моделировании процесса теплового воздействия на пласты. Сб. "Применение неньютоновских систем в технологических процессах нефтедобычи". Всес.совещ.,г.Уфа,1987.

14. Коробков Е.И., Стрижов И.Н.. Скорость продвижения зоны реакции при сверхвлажном процессе. "Нефтяное хозяйство", N1, 1988.

15. Стрижов И.Н., Коробков Е.И.. Метод исследования многофакторных моделей . "Нефтяное хозяйство", 1988, N 7.

16. Коробков Е.И.. Математическое моделирование процесса вытеснения нефти из неоднородных пластов путем теплового воздействия. Сб.тр. МИНГ им.И.М.Губкина "Технология и техника методов повышения нефтеконденсатоотдачи пластов", N199, 1986.

17. Коробков Е.И., Стрижов И.Н.. Расчет продолжительности самовозгорания нефти в пласте. Сб. "Проблемы бурения скважин и разработки нефтяных и газовых месторождений", МИНГ им.И.М.Губкина, N214,1988.

18. Коробков Е.И., Трухачев А.Н.. Моделирование процесса вытеснения нефти из карбонатных коллекторов с применением комбинированной технологии. Тезисы докладов на конференции "Проблемы развития нефтегазового комплекса". М., 1991.

19. Стрижов И.Н., Коробков Е.И., Шамсуллин И.Х.. О технологических параметрах внутрипластового горения. Сб. научно-производств. достижений нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. Вып. 10,1989.

20. Коробков Е.И.. Численная модель процесса вытеснения высокопарафинистых нефтей путем теплового воздействия на пласт. Сб.АН СССР "Развитие и совершенствование систем разработки месторождений".,М., Наука,1989.

21. Палий А.О., Гусейн- заде A.M., Коробков Е.И.. Технология осуществления и методы расчета процессов термохимического способа воздействия на призабойную зону. Сб. тр. МИНГ им. И.М.Губкина " Проблемы бурения скважин и разработки нефтяных и газовых месторождений", 1988, N44.

22. Коробков Е.И., Стрижов И.Н., Захаров М.Н.. Способ определения величины сгорающего топлива при внутрипластовом горении. Заявка на изобретение. A.C. N1588855 МИНГ им.И.М.Губкина, приоритет от 11.01.1988.

23. Иванов В.И.,Гусейн-заде A.M., Коробков Е.И., Трухачев А.Н.. Способ добычи нефти из карбонатных коллекторов. Заявка на изобретение. A.C.N1616218, МИНГ им.И.М.Губкина, приоритет от 21.09.1988.

24. Коробков Е.И. Численное исследование устойчивости процесса сверхвлажного внутрипластового горения. Труды 2-й Всес.школы-семинара "Разработка месторождений нефти и газа", Звенигород,1991.

25. Коробков Е.И.. Математическая модель процесса паротеплового воздействия на трещинно-поровые пласты. Сб.тр. МИНГ им.И.М.Губкина "Особенности разработки и эксплуатации нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами", вып. 236,1992.

26. Желтов Ю.П.,Золотухин А.Б., Коробков Е.И.. Состояние и развитие теории разработки месторождений с применением тепловых и термических методов воздействия на пласты. "Термические методы повышения нефтеотдачи пластов" М.,1990.

■ 27. Коробков Е.И.. Численное исследование процесса образования топлива при сверхвлажном внутрипластовом горении. Ежегодн. сб. тр. ВНИИ(199б) "Повышение эффективности разработок трудноизвлекаемых запасов нефти". М„ 1997.

Соискатель

Коробков Е. И.

На правах рукописи

Коробков Евгений Иванович

УДК 622. 276. 6

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕПЛОВЫХ МЕТОДАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ

Специальность 05.15. 06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

ПпезИДЯУМ ВАК Россщ: - /

(рс-г^тат от " » П^О/Иь

. \ :грисудзглученую степень ¿Х./Г.

/7" ' "" ~

Москва 1997 ;■;/ упдешлбниг Б.аК. г:иссш

ВВЕДЕНИЕ.

ОБОСНОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом, накоплен большой опыт применения методов воздействия на нефтяные пласты с использованием тепла. Диапазон применяемых при этом технологий довольно широк, начиная от закачки горячей воды и заканчивая созданием в пласте движущегося очага горения. Опытно-промышленные работы показали эффективность тепловых методов в решении проблемы повышения нефтеотдачи пластов. Эти методы являются наиболее эффективными при извлечении нефти из пластов со сложным геологическим строением и нефтей, характеризующихся высокой вязкостью.

Россия обладает большим запасом высоковязких нефтей, и в настоящее время перед разработчиками стоит задача эффективного извлечения таких нефтей из недр. Согласно статистическим данным, изложенным в работе [7] , в странах СНГ доля нефти, извлекаемая с помощью тепловых методов, составляла половину общей доли нефти, добываемой за счет новых методов. Снижение интереса к термическим методам добычи нефти в настоящее время связано с большими финансовыми затратами на приобретение необходимого оборудования, реконструкцию систем сбора и подготовки нефти, бурение скважин, а также с энергетическими затратами на подготовку и нагнетание рабочего агента. Тем не менее, доля трудноизвлекаемых запасов в общем нефтяном балансе страны растет, и перспектива использования тепловых методов для извлечения таких нефтей очевидна. Таким образом, продолжающийся научно-исследовательский интерес к процессу извлечения нефти из пластов с использованием тепла вполне обоснован.

Успешное внедрение тепловых методов на промыслах обязано серьезным научным разработкам, проделанным исследователями за последние несколько десятилетий. За эти годы накоплен солидный научно-исследовательский багаж в виде теоретических и экспериментальных разработок, о чем говорит большое количество опубликованных в печати по тепловой тематике статей и изданных книг [5, 6, 7, 15, 26, 35, 52, 68, 77, 85, 86, 91, 92 и др.].

Среди методов теплового воздействия на пласт обращает на себя внимание своим многофакторным воздействием на процесс вытеснения нефти метод, основанный на создании в пласте движущегося очага горения. Спектр физико-химических явлений, сопровождающих процесс внутрипластового горения,

охватывает явления, происходящие при осуществлении всех других известных в настоящее время методов воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи.

Обнадеживающие показатели извлечения нефти при применении метода внутрипластового горения явились стимулирующим фактором для детального изучения этого процесса. История развития теории и практики методов воздействия на нефтяные пласты с помощью процесса внутрипластового горения ведет свое начало от первых идей в области геотермии и подземной газификации горючих ископаемых. Эти идеи были высказаны еще Д.И.Менделеевым и впервые нашли свою реализацию в 30-х годах, когда в нашей стране были проведены первые испытания по созданию в пласте очага горения. Крупный вклад в дальнейшее развитие теории тепловых внутрипластовых процессов был сделан А.Б.Шейнманом, И.А.Чарным, Э.Б.Чекалюком, К.А.Огановым, А.Н.Снарским, Ю.П.Желтовым, которые впервые предложили продвигать высокотемпературную зону путем закачки в пласт воды. Дальнейшие работы, выполненные отечественными учеными Боксерманом A.A., Ждановым С.А., Гарушевым Э.Б., Байбаковым Н.К., Стрижовым И.Н., Степановым В.П., Тарасовым А.Г., Полковниковым В. , Малофеевым Г.Е., Важиевским А.Е., Бондаренко В.В. и другими, оказали решающее влияние на создание систем и технологий разработки нефтяных месторождений методом внутрипластового горения. Среди зарубежных ученых можно отметить Alexander J.D., Bousaid I.S., Burger J.G., Crookstone R.B., Culham W.E., Dietz D.N., Gottfried B.S., Perkins D., Ramey H.J., Reynolds A.C., Rubin В., Smith F.W., Thomas G.E., Verma V.B., Waijdema J., Wilson L.A. , которые внесли большой вклад в изучение процесса внутрипластового горения путем математического и физического моделирования процесса.

Исследования показали, что помимо положительного влияния на эффективность вытеснения нефти из пласта, процесс внутрипластового горения оказывает активное и многостороннее воздействие на нефть. Сюда относятся необратимые изменения структуры нефти, вызванные действием высоких температур, насыщение нефти газами горения. При этом также необходимо учесть технологические стороны проведения процесса внутрипластового горения с тем, чтобы предотвратить взрывоопасные ситуации, возникающие по причине прорыва кислорода к добывающим скважинам. Под влиянием высоких температур состав нефти меняется за счет явлений испарения и пиролиза. В наибольшей степени этот эффект проявляет себя при осуществлении сухого процесса

внутрипластового горения, где фронт вытеснения нефти находится в непосредственной близости от источника тепла в зоне высоких температур.

В значительно меньшей степени таким изменениям подвергается нефть при осуществлении процессов горения, в которых вместе с окислителем в пласт нагнетается также и вода. В этом случае реализуются известные влажный и сверхвлажный процессы внутрипластового горения, при которых нефть вытесняется в два этапа : сначала валом холодной воды, образовавшейся из сконденсировавшегося пара, затем фронтом горячей воды и оторочкой пара. Второй этап вытеснения проходит на некотором удалении от источника тепла в зоне более низких значений температуры, действие которой не может оказать существенного влияния на изменение структуры нефти.

Являясь разновидностью процесса внутрипластового горения, процесс сверхвлажного горения имеет , тем не менее, принципиальные отличительные особенности, заключающиеся в том, что в зоне реакции топлива с кислородом всегда присутствует водная фаза, и максимальная температура не превышает температуры насыщенного пара при данном пластовом давлении. Как будет показано ниже, при этом процессе потребляется только часть образующегося нефтяного топлива, в результате чего скорости продвижения зоны реакции имеют значительно более высокие значения, чем при других разновидностях процесса горения. Более того, при процессе сверхвлажного горения образуется существенно меньше топлива, чем , например, при процессе сухого горения. Следовательно, при реализации процесса сверхвлажного горения значительно сокращаются сроки разработки, а количество воздуха, необходимое для "выжигания" единицы объема нефтенасыщенного пласта может быть сокращено в пять и более раз по сравнению с сухим или влажным процессом горения. Увеличивается также объем добычи нефти, поскольку эта величина вычисляется как разность между начальными запасами нефти и количеством нефти , использованной как топливо. Мероприятия по осуществлению процесса сверхвлажного горения с целью вытеснения нефти считаются более безопасными ввиду образующейся широкой зоны реакции, которая более эффективно препятствует прорыву кислорода к добывающим скважинам.

Методы воздействия на пласты с помощью процесса внутрипластового горения до настоящего времени в практике добычи нефти не получили широкого распространения. Мероприятия по использованию этих методов на промысле

ограничивались в основном проведением опытно-промышленных работ. При этом, как правило, в пласт нагнетался только воздух с целью реализации процесса сухого внутрипластового горения. На пути к внедрению процесса сверхвлажного горения существует много препятствий, одним из самых существенных является слабая изученность процесса и практически полное отсутствие опробованных методик расчета параметров процесса и, как следствие, невозможность контролировать и управлять процессом.

Исследованию процесса сверхвлажного внутрипластового горения посвящено большое количество работ. Большая часть этих работ имеет теоретическую направленность. Экспериментальная часть исследований представлена слабо по той причине, что при экспериментах в лабораторных условиях очень трудно выдержать широкий спектр критериев подобия. Более того, некоторые критерии подобия могут давать противоречивые рекомендации. Наиболее сложно в лабораторных экспериментах выдержать критерии подобия по химической кинетике из-за низких скоростей реакции окисления при температуре насыщенного пара. Время протекания процессов в физических моделях снижается пропорционально квадрату геометрического масштаба, а для реализации стабильного процесса необходимо, чтобы продолжительность пребывания кислорода в зоне реакции была достаточной для реагирования его с нефтяным топливом. Учитывая, что при сверхвлажном процессе зона реакции имеет значительную протяженность, можно представить сложность лабораторного моделирования этого процесса. Эти трудности в некоторой степени можно преодолеть, проводя эксперименты на трубах большой длины при повышенных расходах окислителя.

Направленность большинства теоретических работ сводится к построению математических моделей с учетом тех или других физико-химических явлений и анализу температурных кривых, получаемых в результате решения. Механизм процесса сверхвлажного горения, его зависимость от различных параметров, остается до настоящего времени малоизученной областью. Этот факт в значительной степени не дает возможности правильно управлять этим процессом, рассчитывать показатели разработки и, тем самым, использовать этот процесс для эффективного извлечения нефти из недр.

Одной из актуальных проблем в разработке нефтяных месторождений является проблема извлечения нефти из пластов со сложным геологическим

строением, неоднородных по проницаемости и пористости. Есть основание считать, что привлечение тепловых методов, в частности процесса внутрипластового . горения, для извлечения нефти из таких пластов имеет перспективу . Лабораторные опыты показали, что при применении тепловых методов в неоднородном пласте фронт вытеснения нефти стремится к выравниванию благодаря явлению теплопроводности. Использование процесса сверхвлажного горения для извлечения нефти из неоднородных пластов, как показали предварительные исследования автора, может давать хорошие показатели за счет проявляющихся новых эффектов.

При закачке в пласт кислородосодержащего газа (воздуха) последний может проникать в добывающие скважины и создавать взрывоопасные ситуации . Для того, чтобы предотвратить такую ситуацию можно нагреть призабойную зону добывающей скважины , где кислород мог бы поглощаться в результате окислительных реакций с нефтью. Но в процессе осуществления таких мероприятий возникает тепловая волна, которая движется навстречу потоку нагнетаемого окислителя, т.е. происходит так называемый процесс противоточного горения. Оказывается, что в этом случае при закачке вместе с воздухом воды в пласте развивается такой процесс, который может быть использован как самостоятельный метод извлечения нефти из пластов со сложным геологическим строением.

При разработке пластов, насыщенных нефтями с высоким содержанием парафина, возникают серьезные осложнения в виде запарафинированности добывающих скважин. Изучение этой проблемы имеет свою историю, в результате чего накоплен большой опыт борьбы с этим явлением. Но до сих пор никто не занимался изучением гидродинамической обстановки в самом пласте, из которого осуществляется отбор нефти с высоким содержанием парафина. Закачка в пласт обычной воды ведет к охлаждению его до температуры ниже температуры насыщения нефти парафином, в результате чего часть твердого парафина выделяется на скелете породы. Перспектива применения процесса сверхвлажного внутрипластового горения для извлечения нефти из таких пластов представляется заманчивой, но эта проблема требует подробного изучения, так как есть вероятность закупорки пор пласта кристаллическим парафином.

Процесс извлечения нефти из пластов, обладающих трещинно-поровой структурой, не является исключением из ряда сложных задач. Наиболее

эффективными методами добычи нефти из таких коллекторов являются методы, основанные на процессах капиллярной пропитки. Поскольку при повышении температуры интенсивность процесса капиллярной пропитки существенно повышается, то применение тепловых методов здесь представляется вполне оправданным. Наиболее испытанным методом добычи нефти в настоящее время является способ циклической паротепловой обработки скважин (ПТОС), включающий в себя несколько стадий: нагнетание теплоносителя, выдержка скважины в закрытом состоянии и отбор продукции. Эффективность процесса извлечения нефти из пласта с помощью метода ПТОС зависит от соотношения таких параметров, как темп и время нагнетания теплоносителя, время выдержки скважины в закрытом состоянии. Создание математической модели, учитывающей реальные физико-химические процессы в пласте, и разработка на основе этой модели методики расчета технологических показателей является актуальной задачей.

Обозначив актуальность проблемы исследования, сформулируем основную идею, которой посвящена предлагаемая работа.

В научно-исследовательской практике встречаются такие ситуации, когда решение задачи путем постановки физического эксперимента представляется довольно сложной проблемой в техническом отношении. Более того, может возникнуть практическая невозможность исследовать некоторые детали изучаемой проблемы путем постановки физического эксперимента из-за неопределенности в интерпретации результатов эксперимента и невозможности выдержать необходимые критерии подобия.

В этих ситуациях целесообразным является использование для исследовательской работы математических моделей. При условии достаточно строгого подхода к описанию сопровождающих процесс физико-химических явлений математические модели являются наиболее эффективным аппаратом для изучения интересующей проблемы. Реализованные в виде программ на ЭВМ , математические (численные) модели представляют собой гибкий и удобный инструмент для решения разнообразных задач. Задавая различные начальные и граничные условия, можно имитировать разнообразные режимы проведения процесса. Изменяя геометрию моделируемого элемента пласта и варьируя распределением по пласту проницаемости и пористости, можно решать задачи вытеснения нефти из пластов со сложной структурой.

Основная идея, которой посвящена предлагаемая работа, формулируется в виде следующих пунктов.

1) Разработка совершенных математических моделей процесса вытеснения нефти тепловыми методами, учитывающих широкий спектр физико-химических явлений, происходящих в пласте.

2) Проведение комплекса численных экспериментов с целью детального изучения механизмов воздействия на нефтяные пласты с помощью тепловых методов.

3) Получение аппроксимационных моделей для расчета параметров изучаемого процесса путем постановки спланированных численных экспериментов.

4) Поиск оптимальных режимов осуществления исследуемых процессов в сложных физико-геологических условиях посредством проведения экспериментов на математических моделях.

5) Создание методик расчета технологических показателей разработки месторождения на основе созданных численных моделей процесса теплового воздействия на пласты.

Основная идея работы и актуальность изучаемых проблем диктуют следующие задачи исследования.

1) Анализ теоретических и экспериментальных работ по изучению происходящих в пласте физико-химических явлений и создание адекватной математической модели процесса внутрипластового горения нефти.

2) Исследование закономерностей протекания сверхвлажного внутрипластового горения и вывод регрессионных уравнений для расчета ключевых параметров процесса.

3) Исследование зависимости концентрации образующегося топлива от различных факторов при процессе сверхвлажного горения.

4) Моделирование процесса вытеснения нефти из неоднородных по простиранию и толщине пластов с применением сверхвлажного внутрипластового горения и выбор оптимальных режимов проведения процесса.

5) Создание численной модели процесса вытеснения высокопарафинистой нефти из пластов с помощью внутрипластового горе�