Моделирование капиллярных свойств коллекторов с целью решения промыслово-геологических задач и повышения энергоэффективности вытеснения нефти водой (стр. 2 )

Публикации

Основные положения работы изложены в 10 печатных работах, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц и 66 рисунков. Список использованных источников включает 131 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, обозначены научная новизна и практическая ценность.

В первом разделе изложены и обобщены теоретические положения о роли капиллярных процессов в процессе формирования и разработки нефтяных залежей.

Описаны различные виды пустотного пространства, существующие в гранулярных коллекторах, показаны естественные и техногенные неоднородности в гранулярных коллекторах. Рассмотрена проблема определения радиуса порового канала различными способами.

Исследована форма кривых капиллярного давления. Предложена детальная разбивка кривой: 1 стенка; 1 изгиб; субгоризонтальный участок; 2 изгиб; 2 стенка. Рассмотрены методы лабораторного изучения структуры порового пространства, описаны причины различия получаемых результатов.

Проведен анализ понятия «капиллярное число», рассмотрены различные формулировки капиллярного числа, предложенные различными авторами. На основании проведенного анализа разработана улучшенная формула капиллярного числа (1), которая в отличие от ранее известных содержит ряд дополнительных параметров, позволяющих учитывать различные геолого-технологические условия:

, (1)

где - градиент пластового давления, Па/м; - радиус порового канала по капилляриметрии, м; - параметр длины канала (отношение длинны канала его радиусу), б/р; - ориентационный параметр (отношение проекции канала на вектор градиента давления к длине канала), б/р; - параметр эффективного радиуса (отношение эффективного радиуса канала к радиусу по капилляриметрии), б/р; - параметр учитывающий прочие эффекты (не учтенные другими параметрами), б/р; σ – межфазное натяжение Н/м; θ – угол смачивания, град.

Рассчитаны значения капиллярных параметров для отсортированного гранулярного коллектора. На основании данных капилляриметрии произведены расчеты кривых капиллярных чисел для коллекторов ачимовских отложений Уренгойского района. Для удобства использования было введено понятие «коэффициент капиллярности», представляющее собой капиллярное число без градиента давления, угла смачивания и межфазного натяжения. Удобство капиллярного коэффициента (Рис. Рис. 1) заключается в том, что он является характеристикой породы. Из него всегда можно получить капиллярное число, домножив и разделив его на недостающие величины, таким образом, нет необходимости рассчитывать капиллярное число для каждой скорости фильтрации.

В разделе на основе литературного обзора сформулированы основные понятия, использующиеся в дальнейших главах. Рассмотрены основные капиллярно-гидродинамические процессы, влияющие на разработку нефтяной залежи: капиллярная прямоточная пропитка; противоточная пропитка; капиллярное защемление нефти; капиллярные перетоки, капельная проводимость.

Особое внимание уделено явлению двойной среды, которая, согласно исследованиям и , имеет место на большинстве месторождений Западной Сибири. В данной работе понятие «двойная среда» было несколько расширено. Кроме первоначального значения – пористо трещиноватый (блочно-матричный) пласт, в данное понятие были включены и другие значения: слоисто-неоднородный пласт и пласт с линзовидными включениями. Исследованиями автора было подтверждено, что такие явления широко распространены на месторождениях Западной и Восточной Сибири. Если быть точнее, то распространена даже не двойная, а множественная среда. В естественных пластах присутствует множество пропластков, линзочек, замещений и др. неоднородностей, каждая из которых характеризуется своими ФЕС. Однако для случая вытеснения нефти водой имеет смысл условно разделить все литотипы на две среды: промываемая и пропитываемая (проводящая и подпитывающая). Первая среда представляет собой поры и пропластки, в которых вытеснение нефти происходит преимущественно под действием градиента давления. Во второй – под действием капиллярных сил. Первая представляет собой наиболее проницаемые разности с наиболее крупными порами, что обеспечивает хорошую их промываемость и слабое влияние капиллярных сил. Вторая представлена низкопроницаемыми неоднородностями, в силу чего потоки воды их огибают, однако из-за малого размера пор в них развиты капиллярные процессы. В процессе выработки нефтяного пласта соотношения сред плавно меняются в сторону увеличения промываемой среды, тем не менее, капиллярная пропитка продолжает играть важную роль в вытеснении нефти.

Представления о двойной среде подтверждаются результатами исследования кривых падающей добычи нефти. При анализе добычи нефти на 3-4 стадии разработки автором было установлено, что в падающей добыче, помимо экспоненциальных составляющих, присутствует квазипостоянная составляющая. Из известных пластовых процессов такое может быть присуще только капиллярной пропитке. В поддержку этого говорят те факты, что добыча на 4 стадии практически не зависит от объемов закачки, ввод новых скважин приносит лишь кратковременный эффект, после чего добыча нефти выходит на предыдущий уровень. Также примечательно, что постоянной составляющей практически не наблюдается при эксплуатации газовых месторождений, где капиллярная пропитка практически не влияет на объемы добычи. Такого же эффекта не наблюдается при исследовании коэффициента вытеснения нефти на однородных образцах в лабораторных условиях. Гипотеза капиллярной пропитки подтверждается и математическими расчетами, выполненными автором.

В конце раздела сделаны выводы о преобладающей роли капиллярных сил при вытеснении нефти водой на микроуровне, в то время как гидродинамический градиент давления обеспечивает транспортировку этой нефти к стволам добывающих скважин.

Во втором разделе рассматриваются способы изучения капиллярных характеристик коллектора. Ввиду массового применения метода центрифугирования, этот метод был подробно рассмотрен. Поскольку ключевую роль в получении капиллярных кривых методом центрифугирования играет способ обработки результатов центрифугирования, было рассмотрено 17 способов, предложенных различными авторами: К. Аяппой, Е. Брунером, Б. Вендельштейном, Р. Кристенсеном, Б. Тульбовичем, Б. Скузе, Р. Слободом, Г. Хасслером, Р. Хоффманом, и т. д. Методы были классифицированы по следующим категориям: методы сопоставления частоты вращения с капиллярным давлением (наиболее простые и популярные); дифференциальные методы (наиболее сложные); интегральные методы (упрощенные). Было установлено, что практически все методы одномерны, т. е. образец породы в них представляется как цилиндр бесконечно малого диаметра, что не позволяет учитывать радиальные и гравитационные эффекты. Также все методы ориентированы на центрифуги с горизонтальным положением образца, в то время как в отечественных лабораториях наиболее популярны центрифуги с наклонным (под 45°) положением.

Было также установлено, что универсальной физической зависимости между частотой вращения ротора и создаваемым капиллярным давлением не существует. Такая зависимость носит вероятностно-статистический характер и зависит от особенностей исследуемого коллектора. Также с помощью математического моделирования было установлено, что в силу особенностей вытеснения при центрифугировании происходит существенное искажение формы капиллярных кривых. В результате искажения капиллярное давление на отдельных участках кривой носит заниженный, а на других – завышенный характер. Из-за искажения кривые приобретают несвойственную гиперболическую форму, на которой не наблюдается выхода на асимптоту (остаточную водонасыщенность).

Проанализировав достоинства и недостатки вышеперечисленных методов, было решено применить принципиально новый подход, основанный на трехмерной математической модели центрифугируемого образца. Автором было разработано 3 метода моделирования, которые получили следующие названия: метод радиальных капилляров; метод сообщающихся капилляров; метод параллельных капилляров. Все три метода различаются между собой формой ячеек, их ориентацией и способом подсчета насыщенности. В первом методе ячейки представляют собой неправильные трапеции, расположенные радиально и наклоненные вниз под углом вытеснения. Метод хорошо моделирует радиальные и гравитационные эффекты в роторах малого диаметра, однако не учитывает перетоки между соседними капиллярами, из-за чего дает завышенные значения насыщенности. Во втором методе ячейки представляют собой кубики, которые в зависимости от часоты вращения могут быть либо насыщенными, либо дренированными. Метод хорошо моделирует перетоки между капиллярами и радиальные эффекты, пренебрегая гравитационными, поэтому его рекомендуется применять для режимов, в которых центростремительное ускорение существенно выше ускорения свободного падения, погрешность метода находится в прямой зависимости от размера ячейки. Для устранения этих недостатков был разработан третий метод, в котором ячейки представляют собой параллелепипеды и располагаются параллельно в направлении вытеснения, но при этом сообщаются между собой. Сравнение результатов моделирования, полученных всеми тремя методами, показало, что результаты, полученные с помощью методов сообщающихся и параллельных капилляров, практически совпадают при частотах вращения более 500 об/мин и радиусе вращения ближайшей точки образца более 10 см. Таким образом, при выполнении данных условий гравитационными эффектами можно пренебрегать.