РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.031.011.433
© В.М. Максимов, Н.М. Дмитриев, 2015
О научных приоритетах в области разработки месторождений и эффектах анизотропии при вытеснении нефти
В.М. Максимов, д.т.н.,
(ИПНГ РАН),
Н.М. Дмитриев, д.т.н,
(РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)
Адреса для связи: vmaks@ipng.ru,
nmdrgu@gmail.com
Ключевые слова: анизотропные среды, обобщенная модель двухфазной фильтрации, относительные фазовые проницаемости (ОФП), тензорный характер ОФП, эффекты анизотропии.
On the scientific priorities in oil and gas fields development and the anisotropy effects during the oil displacement
V.M. Maksimov
(Oil and Gas Research Institute of RAS, RF, Moscow), N.M. Dmitriev
(Gubkin Russian State University of Oil and Gas, RF, Moscow) E-mail: vmaks@ipng.ru, nmdrgu@gmail.com
Key words: anisotropic media, generalized two-phase blow, relative phase permeability, tensor nature of relative phase permeability, anisotropy effects.
The new scientific results concerning the theory and methods of oil-gas field development are analyzed. The importance of these results in the real projects of field development is shown. The relative phase permeability tensor character is settled by theory and is confirmed by experiments. For two-phase flows the new anisotropy effects of the "rotation" of phase permeability tensor main axis is found out in saturation dependence. The possibility of the formation of "stagnant" zones, where even one of the phases is immobile, was shown by calculation experiment.
В настоящее время почти половина невырабатывае-мых запасов нефти находится в мелких и средних месторождениях, число которых превышает 1000. Многие из них удалены от инфраструктуры, сложны в разработке, поэтому перспективы эксплуатации таких месторождений весьма неоднозначны.
Факторы, сдерживающие повышение
коэффициента извлечения нефти
Коэффициент извлечения нефти (КИН) принято считать основным критерием рациональной системы разработки месторождений. Основы рациональной разработки месторождений, сформировавшиеся в советское время, обеспечивали достижение КИН около 50 % уже в 60-е годы XX века, тогда как в настоящее время он составляет менее 33 %. Тенденция к снижению КИН обусловлена как геологическими, так и технологическими факторами (рост доли трудноизвлекаемых запасов, высокая обводненность продукции, техногенные изменения пласта и др.). Кроме этих причин, важным фактором является недостаточное использование новых знаний, полученных в последние десятилетия.
Существующие многообразные методы активного воздействия на пласт унифицированы с гидродинамической точки зрения и основаны на теории многофазной многокомпонентной фильтрации (М. Маскет, 1953 г., Г.И. Баренблатт, В.М. Ентов, В.М. Рыжик, 1984 г. и другие исследователи), включенной в современные информационные и программные продукты (в основном зарубежного образца). Принципиальной частью этих методов является классическая теория фильтрации флюидов в изотропной среде, базирующаяся на законе Дарси и ги-
потезе о капиллярном давлении и относительных фазовых проницаемостях (ОФП).
Однако новые научные результаты показывают, что основные допущения классической теории во многих случаях не выполняются, а данные нельзя использовать в реально сущестующих проектах. Прежде всего это относится к месторождениям со снижающейся добычей, высокой степенью обводненности, содержащим труд-ноизвлекаемые запасы в низкопроницаемых, неоднородных, анизотропных коллекторах, высоковязкие тяжелые нефти, техногенно измененные, глубокозалегаю-щие пласты, залежи и др.
Отметим некоторые научные результаты, которые следует учитывать при проектировании разработки месторождений:
- исследование техногенных изменений свойств, структуры порового пространства и состава пластовых флюидов, формирование защемленных флюидных фаз не только в околоскважинных зонах, но и в межсква-жинном пространстве [1, 2];
- изучение анизотропных коллекторов [3-5]: сложившаяся практика определения фазовых проницаемостей и КИН без учета эффектов анизотропии снижает достоверность показателей разработки при стандартном проектировании;
- разработка новой методики комплексного исследования анизотропного кернового материала (терригенно-го и карбонатного) [6];
- комплексирование геофизических исследований с эмиссионной сейсмотомографией, которое может стать основой автоматизированного контроля разработки месторождений в режиме реального времени [7];
- создание научных основ новых интегрированных технологий, обеспечивающих эффективную разработку месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти на основе новых физико-математических моделей и адекватных численных алгоритмов изучения механизмов управления пластовой энергии и расчета многофазных фильтрационных потоков [8-10];
- получение полимерно-гелевых реагентов с заданными свойствами и создание на их основе технологий, позволяющих управлять флюидопотоками и увеличивать нефтегазоотдачу пластов с большой степенью обводненности [11, 12];
- разработка и внедрение технологии водоизоляции скважин с помощью колтюбинга без подъема оборудования, обоснованной соответствующей математической моделью;
- определение физико-химического эффекта разложения газогидратов путем инжекции углекислого газа, что может быть основой технологии разработки газогидрат-ных залежей [13];
- исследование природных углеводородных систем в околокритическом состоянии; экспериментальное определение особенностей фазового поведения многокомпонентных углеводородных смесей в окрестности критических точек; результаты могут использоваться для установления типа залежи, выбора режима и технологии разработки нефтяных и газовых месторождений [13];
- обоснование совокупности технологических решений, альтернативных существующим подходам, направленных на повышение эффективности разработки высокоперспективных отложений баженовской свиты, ресурсы нефти в которой составляют более 10 млрд. т.
Особый акцент следует сделать на освоение арктического шельфа, что является задачей государственной важности. Принципиально важным должно стать создание новых технологий до начала активной разработки месторождений Арктики. При этом сохраняется необходимость соблюдения экологических стандартов при освоении таких территорий, требуются новые решения и технологии физико-химического мониторинга акваторий, на которых осуществляется добыча нефти, гидроакустический мониторинг шельфа, технологии мобильного отслеживания состояния подводного трубопровода. Задачей ученых должна также стать разработка системы мониторинга чрезвычайных ситуаций, в частности, разливов нефти, и оценки угроз окружающей среде.
Вследствие существенно усложнившихся структуры запасов углеводородов и горно-геологических условий их залегания одним из основных научных приоритетов в области добычи нефти и газа становится разработка инновационных технологий для увеличения КИН на основе использования новых знаний в различных областях науки. Теория проектирования разработки месторождений углеводородов становится мультидисциплинарной, базирующейся на современных методах геофизических исследований, подземной гидромеханике, физике пласта, физической химии, механике гетерогенных сред, теории многофазной многокомпонентной фильтрации, термодинамике, теории фазовых превращений, гидрогазодинамике, теории упругости и пластичности, исследо-
вании углеводородных систем в около- и сверхкритических состояниях и др. В качестве примера рассмотрим эффекты анизотропии в процессах двухфазной фильтрации как основы технологий вытеснения нефти различными несмешивающимися флюидами.
Классическая модель двухфазной фильтрации
и ее обобщение для анизотропных сред
Как было отмечено выше, классическое описание двухфазных течений в пористой среде основано на гипотезе о капиллярном давлении и ОФП как универсальных равновесных стационарных функциях мгновенной насыщенности. Скорость фильтрации каждой фазы У0а определяется по закону Дарси (А.Н. Дмитриевский, В.М. Максимов, 2003 г., М. Маскет, 1953 г.), который выражает линейную зависимость между скоростью фильтрации а-фазы и градиентом давления той же фазы с учетом гравитационных сил
т„
(1)
где Xа(s)=kkа(s)/^а - подвижности фаз; k - абсолютная проницаемость среды (скалярная величина в случае изотропного пласта); kа(s) - ОФП; s - насыщенность одной из фаз (обычно более смачивающей);^ - коэффициент динамической вязкости а-фазы; ра -давление а-фазы; ра - плотность а-фазы; g - ускорение свободного падения.
Исследования последних десятилетий показали, что основные допущения классической теории выполняются в ряде практически важных случаев (неучет эффектов неравновесности, вязкостного взаимодействия между флюидами, изменения смачиваемости и фазовых проницаемостей анизотропного коллектора и др.). Предполагалось, что в соотношении (1) подвижности фаз и ОФП kа(s) являются скалярными функциями насыщенности, что справедливо только для изотропного пласта. Для анизотропной среды, какой являются природные коллекторы, соотношение (1) (для простоты пренебрегаем гравитационными силами) имеет следующий вид (Г.И. Баренблатт и другие, 1984 г.; К.С. Басниев и другие, 1993 г.):
кя „
= 1,2), (2)
т"
.-Л- ур°
где и>а - компоненты скорости фильтрации фаз; Щ -компоненты матрицы фазовых проницаемостей (симметричного тензора второго ранга).
Изначально предполагалось (Р. Коллинз, 1964 г.), что поскольку фазовая проницаемость зависит от насыщенности одной из фаз s, разделение этих свойств может быть представлено в виде линейной связи между Щ и тензором абсолютной проницаемости ^
щ = гт,
(3)
где f a(s) - ОФП считались универсальными скалярными функциями насыщенности, а симметрия тензоров полагалась одинаковой.
Однако последующие эксперименты [14] показали, что это неверно: ОФП различны при вытеснении в гори-
и
зонтальном и вертикальном направлениях для одного и того же образца породы.
Однако идейного продвижения в обобщении связи (3) не произошло: при проектировании разработки нефтегазовых месторождений по-прежнему эксперимента
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.