Каротажник 2011 #200 Плазменно-импульсное воздействие на нефтяную залежь как на многофакторную динамическую диссипативную систему. с. 94
А.А. Молчанов, СПГГИ(ТУ),
Описана скважинная плазменно-импульсная электрогидравлическая технология повышения нефтеотдачи пластов месторождений углеводородов, основанная на создании резонансных явлениях в продуктивных пластах. Приводятся результаты применения технологии в скважинах с различными геолого-техническими условиями месторождений нефти Урало-Поволжья, Республики Коми, Западной Сибири и за рубежом.
Анализ физико-химических процессов, происходящих в пласте при разработке залежи, начиная от разбуривания месторождений скважинами и вскрытия продуктивных пластов, применения методов поддержания пластового давления, использования всевозможных реагентов для повышения подвижности углеводородов, ограничения прорывов воды и других технологий, препятствующих образованию в пласте и прискважинной зоне скважин нерастворимых солей, парафиновых отложений, уменьшающих подвижность нефтей и снижающих проницаемость коллекторов, показывает, что процессами в пласте можно успешно управлять. Это позволяет оптимизировать процесс разработки залежей, повышать коэффициент извлечения углеводородов [1,2,4,9,15-17].
Какие же другие причины падения добычи углеводородов?
Первая – это истощение энергии пласта. Применяемые методы закачки воды, газа и др. носителей, как правило, повышают интенсивность отбора пластового флюида, но из-за различий подвижности нефти, газа, воды по пласту, а также за счет анизотропии параметров пласта, скорость продвижения углеводородов к добывающим скважинам неодинакова. Это приводит к образованию промытых зон и участков повышенной остаточной нефтенасыщенности (целиков нефти).
Вторая причина – в процессе выработки залежи ухудшаются характеристики прискважинных зон в добывающих и нагнетательных скважинах и пласта в целом (кольматация, отложение солей, парафинов и др.), что также приводит к уменьшению общей проницаемости продуктивных пластов и, соответственно, снижению дебитов скважин, а также росту обводненности продукции.
От того, как правильно выбрана схема разработки залежи, пластов, как используется технология управления потоками флюидов и отмывающих реагентов, зависят объемы добычи нефти и, в конечном итоге, извлекаемые запасы углеводородов.
Таким образом, задачу максимального извлечения нефти при применении существующих технологий управления добычей можно разделить на три направления.
Первое – поддержание пластового давления закачкой воды с соответствующими реагентами в продуктивный горизонт и обеспечение приемистости продуктивного пласта.
Второе – обеспечение оптимальной связи добычных эксплуатационных скважин с продуктивным пластом при первичном и вторичном вскрытиях пласта и при его длительной эксплуатации.
Третье – сохранение, а еще лучше повышение подвижности пластового флюида, улучшение отмываемости нефти, равномерное продвижение водонефтяного контакта, исключение прорывов воды и вовлечение в разработку образовавшихся участков повышенной нефтенасыщенности (целиков нефти).
Особенно сложная задача стоит в проблеме дополнительной добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов, в том числе из месторождений, находящихся в поздней и завершающей стадиях разработки.
Каждое месторождение углеводородов нужно рассматривать как сложную многофакторную нелинейную динамическую систему, в которой происходят постоянные изменения. Чаще всего в результате длительной эксплуатации залежи, постоянного техногенного вмешательства в процесс добычи нефти необходимо оперативно применять способы и технические средства для оптимального управления физико-химическими процессами в пласте.
Существует корреляционная связь между фильтрационными потоками и волновыми акустическими и электромагнитными полями. Синхронизированное ритмическое гидродинамическое поле является акустической характеристикой нефтенасыщенных систем.
Ряд исследователей [3,6,8-14] объясняют эти явления нелинейностью взаимодействия физических сред. Действительно, исследование спектра сигнала, излучаемого сейсмическими источниками, и приема в точках, удаленных на разное расстояние от источника, показали, что наряду с большим поглощением более высоких частот в геологическом разрезе, в спектрах выделялись сигналы, частоты которых для пластов с различными физическими параметрами отличались по своим характеристикам, включая различные амплитуды по спектру.
Становится совершенно очевидно, что в зависимости от степени генерации энергии в пласте измерения геофизических полей могут дать сведения об обратимых или необратимых процессах в залежи.
Исследование свойств геологического разреза с характерными для каждого пласта массой, плотностью, скоростью распространения упругих колебаний (продольные, поперечные и другие типы волн) позволяет сделать вывод, что затухание упругих колебаний разных частот в разрезе, сложенном породами с различными физическими параметрами, отличающиеся пористостостью, проницаемостью, содержанием глинистого материала, насыщенные газом, нефтью или водой, должно быть различным [10-14].
Каждый насыщенный пласт имеет свою собственную резонансную (доминантную) частоту, а в продуктивной залежи постоянно идет процесс неупорядоченных колебаний за счет закачиваемого в пласт рабочего агента для поддержания пластового давления и энергии, поступающей извне (приливы-отливы, природные и техногенные землетрясения и т.д.). Все это происходит в нелинейной диссипативной системе, вид и свойства колебаний которой определяются самой системой (автоколебательный режим – А.А. Андронов, 1929 г.).
Такие явления характерны для неравновесных упругих автоколебательных систем. В каждой сложной, комплексной неупорядоченной системе коэффициенты отражения, преломления и поглощения упругих колебаний меняют свои параметры и характеристики.
Фундаментальные исследования, выполненные в Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН в области нелинейной волновой механики гидромеханических систем на основе новых, открытых в процессе создания волновой технологии, явлений и эффектов, позволяют эффективно производить резонансную накачку энергии в обрабатываемые среды, тем самым многократно (до нескольких десятков раз) интенсифицировать технологические процессы [13].
Теория самоорганизации показывает, что траектория в фазовом пространстве, описывающая эволюцию системы со сложно организованной внутренней структурой, очень чувствительна к малым возмущениям, обладая многими точками бифуркации (самоорганизация) открытых систем, их переходу от хаоса к порядку и наоборот [8].
Исследования многих российских и иностранных ученых, в том числе Б.П. Белоусова, А.М. Жаботинского, Э. Лоренца и др., доказали, что в неравновесных системах, то есть в средах с подпиткой, могут распространяться автоволны, а неупорядоченные колебания при периодическом воздействии на них могут самоорганизовываться.
В такой ситуации резко возрастает роль малых величин и эффектов, которые будучи задействованы вовремя, позволяют управлять процессами самоорганизации, направляя их желательным образом. Малые эффекты играют роль спускового крючка, запуская в действие скрытые резервы систем.
Таким образом, нефтяной пласт может рассматриваться в качестве открытой диссипативной нелинейной системы, свободной к самоорганизации и содержащей огромный источник непознанной и потому невостребованной энергии, которая в процессе эксплуатации неразрывно нелинейно связан с добывающими и нагнетательными скважинами.
Моделирование нелинейных процессов, происходящих в продуктивном пласте, позволяет нам рассматривать продуктивную залежь как совокупность колебательных систем (нелинейный осциллятор в неравновесной упругой среде), на которую можно воздействовать путем внешних вынужденных колебаний. Важнейшей особенностью неравновесной среды является то, что даже небольшая возмущающая сила может привести к непропорционально большому эффекту (триггерный эффект). Важно, чтобы воздействие было периодическим.
Исходя из изложенного, разработчики плазменно-импульсной технологии пришли к следующему выводу: чтобы возбудить такую сложную систему на резонансных частотах необходимо иметь идеальный, нелинейный широкополосный управляемый скважинный источник периодических упругих колебаний (генератор накачки). Такой источник инициируемых периодических колебаний неизбежно приведет к самоорганизации системы, то есть упорядочению колебаний в пласте, что проявится в появлении одной или нескольких (в случае многослойной системы) квазигармоник, а следовательно к возникновению резонансных явлений.
Такой источник упругих колебаний для воздействия на призабойную зону пласта и пласт в целом должен, с одной стороны, обладать достаточной мощностью, чтобы разрушить закольматированное пространство, с другой стороны, сохранить целостность цементного кольца.
Такими возможностями обладает разработанный нами высоковольтный плазменно-импульсный генератор [5,10,11]. Применение «взрывной» калиброванной проволоки для инициирования электрического пробоя в междуэлектродном пространстве способствует образованию устойчивой «холодной» плазмы независимо от электропроводности скважинного флюида и гидростатического давления окружающей среды.
Процесс образования плазмы сопровождается упругим импульсом длительностью 50 мс, с частотным спектром от единиц герц до нескольких десятков килогерц, давлением в импульсе более 10 МПа и температурой свыше 25 000 оС.
Указанные характеристики присущи нелинейным системам объектов, а именно: способность накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени выделять ее с высокой скоростью и температурой, создавая колебания и волны со значительной амплитудой (теория нелинейности).
Расширение плазменного канала и его последующее «схлопывание» по периодическому принципу оказывает на призабойную зону пласта и пласт в целом знакопеременные нагрузки. В результате многократного периодического повторения циклов «репрессия – депрессия» ударные гидравлические волны давления распространяются по скелету пласта и его пористой среде и изменяют емкостные и фильтрационные свойства пород. Под их влиянием происходит очистка интервалов перфорации от осадков, кольматирующих частиц породы и остатков бурового раствора, его фильтрата, а также выпавших в пористой среде осадков солей и асфальто-смоло-парафиновых образований. Импульсы давления раскрывают природные трещины коллектора и способствуют образованию новых трещин.
Для получения дополнительного притока флюида в добывающую скважину или повышения приемистости пласта нагнетательной скважины необходимо инициировать серию упругих периодических импульсов по всему рабочему интервалу перфорации, давление которых превышало бы коэффициент закупорки, а скорость распространения этих импульсов способствовала бы увеличению коэффициента пьезопроводности [10,11].
Особенностью предлагаемой технологии скважинного плазменно-импульсного воздействия является воздействие не только на призабойную зону, но и на пласт в целом благодаря глубокому проникновению сейсмоакустической волны в пласт и созданию в пласте резонансных процессов.
Необходимое количество периодических импульсов «накачки» зависит от горно-геологических, фильтрационно-емкостных и других особенностей залежи, свойств пластовых флюидов и рассчитывается по специальной методике. Инициируемые импульсы через равные промежутки времени с определенным давлением на начальном этапе создают ударную волну, которая в упругой среде вызывает упругие колебания во всей газожидкостной поровой системе.
Дальность действия плазменно-импульсного воздействия на пласт при определенных геологических условиях может составлять до 1500-1800 м. Поэтому скважины, находящиеся на обрабатываемом пласте, зачастую воспринимают это воздействие. За счет очистки пор коллектора, образования новых трещин, лучшей отмываемости нефти, повышается подвижность пластового флюида, уменьшается обводненность и увеличивается дебит добываемой продукции обрабатываемой и реагирующих скважин.
Очевидно, параметрическим резонансом пласта можно объяснить уменьшение обводненности продукции после воздействия, поскольку возникают периодические колебания пластового флюида.
При движении капель жидкости из-за неоднородности капилляров, их различной кривизны возникает разность сил поверхностного натяжения, то есть так называемое капиллярное сопротивление. Упругие волны, как показали исследования, могут способствовать снижению капиллярного сопротивления. Воздействие упругой волны на каплю в среднем может быть охарактеризовано так называемой вибрационной силой, которая в случае действия волн определенных характеристик, зависящих от геометрических размеров капель и капилляра, а также от физических свойств жидкости капель и стенок капилляра, может быть направлена против вектора сил капиллярного сопротивления, что приводит к его снижению.
Рассматривая течение вязкой сжимаемой жидкости по капилляру, вдоль стенок которого распространяются бегущие волны изгиба, удалось установить, что при определенных размерах капилляров волны могут обеспечить значительное ускорение течения жидкости. Причем, особенно значителен этот эффект для узких пор, диаметр которых порядка 1-10 мкм. Даже при амплитудах волн на поверхности поры, не превышающих долей процента от ее диаметра, эффект ускорения течения может достигать пяти и более порядков[13].
Чтобы достичь аналогичного эффекта путем повышения статического градиента давления вдоль поры потребовалось бы его увеличение также более чем в 105 раз, что практически неосуществимо. Этот факт позволяет рассматривать волны как один из наиболее эффективных механизмов ускорения течений в капиллярах и пористых средах. Понимание этого эффекта позволяет использовать его для ускорения течения жидкости в призабойных зонах нагнетательных и добывающих скважин, чтобы интенсифицировать приток жидкости в скважину или увеличивать приемистость и менять профиль приемистости. Этот, открытый теоретически, эффект является одним из научных принципов, на которых базируется идея использования волн в нефтяной промышленности. Эксперименты и практика промышленного применения подтверждают исследования российских ученых.
Предполагается, что отмеченные эффекты связаны с существованием «микрозародышей» - мельчайших газовых пузырьков или капель конденсата, кооперативное действие которых проявляется при приближении к давлению перехода.[8]
Лабораторные и модельные исследования (А.В. Максютин, СПГГИ(ТУ), 2008 год) плазменно-импульсного воздействия на тяжелые и высоковязкие нефти и пористые среды с тяжелыми и высоковязкими нефтями месторождений Татарстана (Ромашкинское месторождение, карбонатный коллектор, плотность нефти - 0,84 г/см3, вязкость – 40 мПа*с) и Республики Коми (Усинское месторождение, карбонатный коллектор, плотность нефти - 0,87 г/см3, вязкость – 703 мПа*с) подтвердили перспективность применения [7] технологии и показали:
- снижение интенсивности проявления вязкости, тиксотропных вязкоупругих свойств высоковязких нефтей достигается за счет диспергирующего действия инициируемых упругих волн на основные структурообразующие компоненты нефти – асфальтены;
- технология ПИВ оказывает гидрофобизирующее воздействие на пористую среду пород коллектора, что способствует снижению капиллярных давлений и улучшению фильтрационно-емкостных характеристик продуктивного пласта;
- новые перспективы открываются в повышении извлекаемых запасов тяжелых и высоковязких нефтей месторождений с трудноизвлекаемыми запасами при комплексном использовании плазменно-импульсной технологии с температурным и физико-химическим воздействием водных растворов щелочи и кислотных составов;
- единовременная плазменно-импульсная обработка образцов и пластов приводит к перестройке структуры нефтей, которая сохраняется продолжительное время от 95 и более суток (образцы усинской нефти сохраняют пониженную вязкость, после ПИВ уже более двух лет).
Заметный эффект наблюдается при применении ПИВ в нагнетательных скважинах с целью увеличения приемистости и выравнивания профиля приемистости. Сфокусированный упругий, периодический импульс, направленный в пласт, очищает каналы в прискважинной зоне пласта, разрушает слой кольматанта с аномально избыточной поверхностной энергией, что позволяет улучшить в облучаемой части пласта или пропластков приемистость нагнетательной скважины. А поскольку глубина воздействия на пласт составляет сотни метров и более, эффект нагнетания воспринимают соседние добычные скважины. Кроме того, вводятся в эксплуатацию ранее пропущенные непромытые пропластки. Практика показала, что обработка этим методом нагнетательных скважин позволяет значительно замедлить темпы падения добычи углеводородов[18].
Следует отметить, что для выравнивания профиля приемистости, то есть для перераспределения закачиваемой жидкости по пропласткам не требуется проводить изоляционные, водоотводные мероприятия с применением различных ПАВ. Достигаемый эффект позволяет включить в работу ранее не промытые зоны, увеличить охват заводнением, тем самым повысить КИН. Немаловажно, что такая задача решается без каких-либо капитальных затрат.
Мы достаточно успешно применяем плазменно-импульсную технологию в различных геолого-технических условиях месторождений с терригенными и карбонатными коллекторами и тяжелыми нефтями в России (Урало-Поволжье, Тимано-Печора, Западная Сибирь) и за рубежом (КНР, Казахстан, Узбекистан, Чехия) (см. таблицы 1 и 2), что подтверждается геофизическими исследованиями до и после применения воздействия.
Таблица 1
Некоторые примеры обработки продуктивных нефтяных пластов месторождений России технологией плазменно-импульсного воздействия (ПИВ)
|
Месторождение |
№ скв. |
Тип скважины |
Тип коллектора |
Плотность, г/см3 |
Вязкость, мПа*с |
Параметры работы скважины |
Прирост, % | |
|
до обработки |
после обработки | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
т/сут. |
т/сут. |
|
|
Советское |
631 |
добыв. |
терригенный |
0,772 |
1,6 |
11 |
16 |
45 |
|
Первомайское |
856 |
добыв. |
терригенный |
0,753 |
0,9 |
27 |
41 |
52 |
|
Ардалинское |
5 |
добыв. |
карбонатный |
0,845 |
1,52 |
45 |
62 |
38 |
|
Дюсушевское |
7 |
добыв. |
карбонатный |
0,845 |
1,52 |
2 |
11 |
450 |
|
Западно-Сихорейское |
70 |
добыв. |
карбонатный |
0,845 |
1,52 |
85 |
165 |
94 |
|
Ардалинское |
8 |
добыв. |
карбонатный |
0,845 |
1,52 |
25 |
32 |
28 |
|
Ошкотынское |
44 |
добыв. |
карбонатный |
0,845 |
1,52 |
22 |
30 |
36 |
|
|
|
|
|
|
|
Qж, м3/сут. |
Qж, м3/сут. |
|
|
Раевское |
6 |
нагн. |
|
|
|
11 |
70 |
536 |
|
Западно-Ноябрьское |
185 |
нагн. |
терригенный |
|
|
28 |
75 |
167 |
|
Суторминское |
8741 |
нагн. |
терригенный |
|
|
70 |
140 |
100 |
|
Муравленковское |
2087 |
нагн. |
терригенный |
|
|
275 |
700 |
154 |
|
Средне-Итурское |
235 |
нагн. |
терригенный |
|
|
110 |
259 |
135 |
|
Романовское |
1079 |
нагн. |
терригенный |
|
|
100 |
190 |
90 |
|
Суторминское |
1475 |
нагн. |
терригенный |
|
|
50 |
94 |
88 |
|
Ломовое |
616 |
нагн. |
терригенный |
|
|
19 |
116 |
511 |
|
Северо-Вахское |
1046 |
нагн. |
терригенный |
|
|
0 |
90 |
|
Опыт применения аппаратуры «Приток-1» показывает, что даже в скважинах месторождений с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов с коллекторами с пористостью 2-3% и проницаемостью 1,5-3 мД можно получить многомесячный эффект повышения дебита скважин и снижения содержания воды в добывающем флюиде.
Эффект воздействия продолжается от 6 до 24 месяцев и более в зависимости от свойств коллектора и стадии разработки месторождения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аметов И.М., Байдиков Ю.Н., Рузин Л.М., Спиридонов Ю.А. Добыча тяжелых и высоковязких нефтей. – М.: Недра, 1985, - 205 c.
2. Богомольный Е.И. Интенсификация добычи высоковязких парафинистых нефтей из карбонатных коллекторов месторождений Удмуртии. Институт компьютерных технологий, 2003, 272 с.
3. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах, ред. совет В.Н. Челомей (проф.), М, Машиностроение, 1979, т. 2. Колебания нелинейных механических систем, под редакцией И.И. Блехмана, 1979.
4. Герштанский О.С., Шерстнев Н.М., Крылов Д.А., Уголева А.В., Курбанбаев М.И., Елеманов Б.Д., Влияние физических полей на технологические процессы нефтедобычи, ОАО ВНИИОЭНГ, М., 2001
5. Гулый Г.А., Научные основы разрядно-импульсных технологий, Киев, Наукова думка, 1990.
2. Кузнецов О.Л., Симкин Э.М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере, М, Недра, 1990.
3. Максютин А.В. Экспериментальные исследования реологических свойств высоковязких нефтей при упругом волновом воздействии / Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. – 2009, - № 5, с. 4-8.
4. Мирзаджанзаде А.Х, Хасанов Р.Н., Бахтизин Р.Н. Моделирование процессов нефтедобычи. Нелинейность, неравномерность, неоднородность, Москва, Ижевск: Институт компьютерных технологий, 2004. - 308с.
5. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. – Изд. «Нефть и газ», М., 2003.
6. Молчанов А.А. Новые технологии интенсификации режима работы нефтегазовых скважин и повышения нефтеотдачи пластов, сборник статей Межпарламентской ассамблеи СНГ, С.-Петербург, 1995.
7. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Волновая динамика газа и парожидкостных сред, М, Энергоатомиздат, 1990.
8. Нелинейная механика, коллектив авторов, Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН, Москва, 2007.
9. Николаевский В.Н. Механизм вибровоздействия на нефтеотдачу месторождений и доминантный частоты, ДАН, т. 307, № 11, 1989.
10. Рогачев М.К., Стрижнев К.В. Борьба с осложнениями при добыче нефти. М, Недра, 2006. - 295 с.
11. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред, под научн. ред. Кузнецова О.Л., Информационный центр ВНИИгеосистем, 2004.
12. Симкин Э.М., Лопухов Г.П. Виброволновые и вибросейсмологические методы воздействия на нефтяные пласты, Обзор инф. Сер. «Нефтепромысловое дело». – М.: ВНИИОЭНГ, 1989, вып. 15, 15-22 с.
13. Вежнин С.А., Нечаев В.К. Применение технологии плазменно-импульсного воздействия для выравнивания профиля приемистости. – Нефтяное хозяйство. - № 5, 2010, с. 94-95.
Как это работает? При использовании плазменно-импульсного воздействия увеличивается проницаемость призабойной зоны скважины, увеличивается гидродинамическая связь нефтяного пласта с забоем скважины за счет очистки старых и создания новых фильтрационных каналов, происходит очищение порового пространства и формирование новых микротрещин в призабойной зоне скважины и фильтрационных каналах пласта. Особенности
- Экологическая чистота, работает в естественных геологических условиях скважин без добавок реагентов;
- Плазменно-импульсное воздействие (ПИВ) используется при любой обводненности;
- Улучшает проницаемость прискважинной зоны добывающих и нагнетательных скважин, и продуктивных пластов в целом;
- Значительно увеличивает дебит нефти на скважинах эксплуатируемых на месторождениях поздней стадии разработки;
- Кратно увеличивает приемистость нагнетательных скважин вне зависимости от их предыдущего назначения;
- Воздействует на соседние с обрабатываемой скважины, которые откликаются положительным дебитом;
- Технология дает положительные результаты на месторождениях в коллекторах любой геологической сложности;
- Безопасна в эксплуатации;
- Сокращает период освоения новой скважины и срок вывода ее на режим эксплуатации.
|
| Главная | Услуги | О компании | Проекты | Технология | Контакты | Правовая информация | Карта сайта | О проекте |
| тел: +7 (495) 225 62 40 / e-mail: info@novas-energy.ru |
