АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 5, с. 703-714
АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ СРЕД, ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 550.834+622.831
МЕХАНИЗМ СТИМУЛЯЦИИ ДОБЫЧИ НЕФТИ СЕЙСМИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ*
© 2007 г. С. В. Сердюков, М. В. Курленя
Институт горного дела СО РАН 630091 Новосибирск, Красный проспект, 54 E-mail: svserd@academ.org Поступила в редакцию 4.10.06 г.
Выполнены экспериментальные исследования энергетического баланса стимуляции добычи нефти сейсмическим полем малой интенсивности. Показано, что изменение свойств продуктивного пласта происходит за счет внутренней энергии, активизируемой внешним воздействием. Предложен многостадийный механизм сейсмического воздействия, основанный на влиянии слабых колебаний на пластическую деформацию продуктивного пласта, выведенного из термодинамического состояния равновесия процессом разработки, и рассматривающий совокупность наблюдаемых явлений как проявление системы взаимосвязанных физических процессов различной природы.
PACS: 91.60.Lj, 43.40.+S
Как показывает опыт, долговременная обработка нефтяного месторождения сейсмическими колебаниями увеличивает добычу нефти. Основной прирост получают за счет снижения содержания попутной воды в продукции скважин, удаленных от центра воздействия на расстояние до нескольких километров [1]. Положительные результаты достигнуты как при воздействии с дневной поверхности гармоническими или частотно модулированными низкочастотными сейсмическими полями, так и виброимпульсными сигналами, возбуждаемыми в эксплутационных скважинах (рис. 1).
Основная трудность в понимании механизма этого явления состоит в малом значении удельной энергии воздействия на глубокозалегающие пласты и их удаленные участки. По результатам геофизических измерений для значимого влияния на нефтяные залежи достаточно сейсмического поля интенсивностью 10г7-10г6 Вт/м2 (амплитуда низкочастотных упругих колебаний и ~ 10^-Ю-8 м) [1]. Лабораторные эксперименты показывают, что это значение существенно ниже критического порога удельной акустической мощности, необходимой для непосредственного влияния на физические процессы в пористых флюидонасыщенных средах. Если причиной изменения фильтрационных свойств нефтяного коллектора считать энергию внешнего поля, то для устранения противоречия необходимо сформулировать механизм ее накопления средой. Удовлетворительные модели
*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 06-05-08037).
соответствующих явлений и высокодобротных внутрипластовых колебательных систем не известны. Более перспективен, на наш взгляд, подход, рассматривающий изменение свойств продуктивного пласта как результат его неравновесного состояния и высвобождения внутренней энергии при нелинейном взаимодействии с волновым полем.
Другая проблема заключается в разнообразии проявлений сейсмического воздействия на залежь. В натурных экспериментах обнаружены значительное изменение уровней жидкости в эксплутационных скважинах [1], увеличение содержания нефти в продукции, рост добычи попутного газа, изменение состава углеводородного сырья и его физических свойств [2], усиление акустической эмиссии пород-коллекторов [3] и многое другое. Это предполагает влияние сейсмических волн на ряд процессов в продуктивном пласте и определяет необходимость увязывания различных физических явлений в единую систему. Такой подход отличается от большинства принятых в настоящее время концепций, постулирующих влияние одного или нескольких явлений, рассматриваемых изолированно друг от друга, например, снижения вязкости нефти, усиления капиллярной пропитки, снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз и др. Большинство из них обосновывается результатами физического моделирования в условиях отличных от натурных. Например, в лабораторных исследованиях механизма извлечения остаточной нефти упругими волнами, амплитуда ускорения низко-
180
160
140
120
100
80
обработка обработка системы системы СВ СВ
начало СВ
нефть
2500
2000
1500
1000
500
апр май июн июл авг сен окт ноя дек янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек янв фев мар апр май июн июл 03 03 03 03 03 03 03 03 03 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 05 05 05 05 05 05 05
Рис. 1. Динамика добычи нефти и жидкости участка виброимпульсного сейсмического воздействия (СВ) на пласт С! Тамьяновской площади.
ЪоЪ
0
частотных вибрационных колебаний модельной среды достигала единиц м/с2 [4], что в 104-105 раз больше значений, технически достижимых на удалении от источника вне призабойной зоны эксплутационных скважин. В работе [5], где соответствию модели натурным условиям уделено особое внимание, амплитуда упругих колебаний достигает 70 мкм - что на три порядка выше, чем при сейсмической обработке пласта. Еще большее несоответствие имеет место при сравнении относительных деформаций, создаваемых применяемыми динамическими нагружениями. В натурных условиях этот параметр равен 4и/Х ~ 10-10, где X - длина продольной волны, которая на частотах 10-20 Гц составляет 150-250 м. В лабораторных установках модель среды и система воздействия закрепляются на едином основании и амплитуда колебаний определяет изменение линейного размера модели. В этом случае относительная деформация равна и/Ь, где Ь - длина образца. При и = 70 мкм и Ь = 0.6 м [5], относительная деформация модели составляет 10-4, что на 6 порядков выше, чем в натурных условиях. Такое несоответствие масштабов ставит под сомнение правомерность экстраполяции лабораторных данных и применения теорий, построенных на их интерпретации, в практических приложениях. Действительно, полевые эксперименты не подтверждают ряд распространенных предположений. В
частности, практика показывает неэффективность сейсмической обработки обводненных однородных пластов (например, АБ6 Советского и БС5 Правдинского месторождений) и зон с высоким значением водонефтяного фактора (отношение извлеченной с начала разработки попутной воды к добытой нефти), остаточная нефтенасы-щенность которых составляет не менее 15-20%. Это свидетельствует о несущественном значении процессов кластеризации рассеянных в пласте нефтяных капель [6] и повышения нефтенасы-щенности кровельной части продуктивного пласта за счет ускорения сейсмическим полем гравитационной сегрегации нефти и воды [7].
Еще хуже обстоят дела при переходе от объяснений наблюдаемых явлений к прогнозу применения волновых технологий на конкретном месторождении. Распространенные предположения не позволяют оценить ожидаемый эффект, определить режим воздействия и согласовать его с существующей системой разработки, что является серьезным препятствием внедрения рассматриваемых методов в нефтедобывающую промышленность. С точки зрения существующих представлений не понятно, чего вообще ожидать от сейсмического воздействия во многих реальных ситуациях, например при пониженных пластовых давлениях.
F = 8 Гц T = 98 ч
Нефть, газ^
2 км
Рис. 2. Схема эксперимента по сейсмическому воздействию малой интенсивности на нефтяной пласт.
Для решения этих вопросов в работе предложена качественная модель механизма стимуляции добычи нефти сейсмическими полями малой интенсивности с причинно-следственными связями между составляющими физическими процессами, построенная на предположениях, основанных на полевых наблюдениях. Относительно сильные воздействия, основанные на эффекте прогрева околоскважинного пространства акустическим полем с плотностью энергии несколько Дж/м3 [8], не рассматриваются.
1. Экспериментальная оценка баланса энергии сейсмического воздействия выполнена в натурных условиях. Синусоидальные упругие колебания частотой 8 Гц создавались двумя близкорасположенными наземными источниками амплитудой силы 550 кН каждый (рис. 2). Длительность единичного сеанса обработки составляла 30 мин, общее время работы виброисточников в течение месяца t = 100 час.
Идея эксперимента состоит в использовании эффекта дегазации недонасыщенной нефти в сейсмическом поле для оценки снизу работы по изменению свойств продуктивного пласта при одновременном контроле интенсивности воздействия. Для рассматриваемого объекта, свойства которого даны в табл. 1, среднее значение пластового давления (Pf), и забойные давления (Pw) в добывающих скважинах (13.0-13.5 МПа), выше давления насыщения нефти газом (Pg). Поэтому в
обычных условиях объем попутного газа соответствует его содержанию в растворенном виде в пластовой нефти, и соотношение дебитов нефти и газа (газовый фактор) близко к постоянному значению. Появление дополнительного газа возможно только за счет его выхода из пласта в свободной фазе, для получения которой надо выполнить работу по преодолению барьера разницы давлений.
Программа наблюдений включала контроль забойных и пластовых давлений, дебитов нефти и газа по скважинам изолированного блока нефтяной залежи площадью Sp = 4 км2, а также измерение скважинными приборами амплитуды сейсмических колебаний в продуктивном пласте, залега-
Таблица
Пластовое давление (среднее текущее) 16.8 МПа
Пластовое давление (начальное) 15.3 МПа
Давление насыщения нефти газом 10.9 МПа
Нефтенасыщенная мощность пласта (Ау) 12 м
Глубина залегания 1531 м
Площадь нефтеносности 4 км2
Газовый фактор 80 м3/т
Плотность породы 2200 кг/м3
Пористость (т) 20%
Скорость продольных волн 2500 м/с
ющем на глубине около 1.5 км. В результате его волновой обработки дополнительно добыто Vg = = 7700 м3 попутного газа в пересчете на давление насыщения нефти газом. Для создания соответствующего объема в поле пластового давления со средним значением 16.8 МПа необходимо выполнить работу, равную ^ - Pg)Vg = 4.5 х 1010 Дж, а при минимальном значении давления, равном забойному, - не менее - Pg)Vg = 1.6 х 1010 Дж. Это оценка снизу, поскольку к.п.д. процесса дегазации ниже 100% и не весь выделившийся газ транспортируется к скважинам.
По данным прямых скважинных измерений, амплитуда гармонических колебаний кровли пласта на частоте воздействия f = 8 Гц не превышала 5 х 10-9 м, откуда плотность потока сейсмической энергии, падающего на пласт со стор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.