CC BY
18УДК 519.87:622.276.43
Г.М. Мостаджеран1; В.П. Телков1; И.Т. Мищенко1; Ф. Хадавимогаддам1, e-mail: [email protected]
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Оптимизация полимерного заводнения на месторождении тяжелой нефти (на примере месторождения Ирана)
В статье представлены результаты исследования, проведенного в целях определения основных параметров, оказывающих существенное влияние на эффективность процесса полимерного заводнения. В частности, по результатам анализа основного моделируемого фактора - коэффициента нефтеизвлечения одного из месторождений высоковязкой нефти Исламской Республики Иран была разработана экспериментальная модель, позволяющая проанализировать варианты оптимизации полимерного заводнения.
В рамках исследования было принято, что модель исследуемого пласта состоит из трех слоев, значения пористости и проницаемости которых составили 10-600 мД и 8-24 % соответственно. Вязкость нефти в пластовых условиях была принята равной 150 мПа.с. На первом этапе исследования с помощью пакета программного обеспечения для статистического анализа JMP были определены значения каждого исследуемого параметра, в числе которых концентрация полимера в растворе (в рамках исследования - 0-70 кг/м3), время нагнетания и значение достигаемой обводненности, а также число сценариев моделирования. На втором этапе было проведено гидродинамическое моделирование с помощью симулятора Eclipse. В общей сложности было рассмотрено 18 моделей, для каждой из которых определены коэффициенты извлечения водо-мазутной эмульсии в целях выявления основных и потенциально возможных эффектов взаимодействия исследуемых факторов. В качестве основного эффекта в рамках исследования было принято изменение реакции, вызванное модификацией фактора воздействия. Установлено, что предложенная авторами статьи экспериментальная модель позволяет оценить влияние основных неопределенных параметров и неопределенностей на прогноз добычи в целях оптимизации принятия решений при планировании разработки пласта. Кроме того, она может использоваться при 30-моделировании в целях сокращения количества модельных сценариев, необходимых для оценки запасов углеводородов в залежи и прогнозирования профиля производительности коллектора. Анализ основных эффектов продемонстрировал, что решающим фактором, влияющим на коэффициент извлечения нефти, является концентрация полимера в растворе.
Ключевые слова: полимерное заводнение, экспериментальный дизайн, тяжелая нефть, моделирование, коэффициент извлечения нефти, латинский гиперкуб.
G.M. Mostadzheran1; V.P. Telkov1; I.T. Mishchenko1; F. Hadavimogaddam1, e-mail: [email protected]
1 Federal State Autonomous Educational Institution for Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
Optimization of Polymer Flooding in Heavy Oil Reservoir (on Example of the Iranian Field)
The article presents the results of a study conducted to determine the main parameters that have a significant impact on the efficiency of the polymer flooding process. In particular, according to the results of the analysis of the main simulated factor - the oil recovery coefficient of one of the high-viscosity oil fields of the Islamic Republic of Iran, an experimental model was developed that allows to analyze options for optimizing polymer flooding. As part of the study, it was assumed that the model of the studied formation consists of three layers, the values of porosity and permeability of which were 10-600 mD and 8-24 %, respectively. The viscosity of oil in formation conditions was taken equal to 150 MPa.s. At the first stage of the study, using the JMP statistical analysis software package, authors determined the values of each investigated parameter, including the polymer concentration in the solution (0-70 kg/m3), the injection time and the value of the water cut achieved, as well as simulation scenarios. At the second stage, hydrodynamic modeling was carried out using the Eclipse simulator. A total of 18 models were considered, and
OIL AND GAS PRODUCTION
for each model the recovery efficiency of a water-fuel oil emulsion were determined in order to identify the main and potential effects of the studied factors interaction. The main effect in the study was a change in the reaction caused by the modification of the exposure factor.
It was found that the experimental model proposed by the authors of the article allows to assess the influence of the main uncertain parameters and uncertainties on the production forecast in order to optimize decision-making when planning reservoir development. In addition, it can be used in 3D modeling in order to reduce the number of model scenarios needed to estimate the volume of hydrocarbons in the reservoir and to predict the reservoir productivity profile. The analysis of the main effects has demonstrated that the polymer concentration in the solution is the decisive factor influencing on the oil recovery coefficient.
Keywords: polymer flooding, experimental design, highly viscous oil, simulation, oil recovery factor, Latin hypercube.
ВВЕДЕНИЕ
Все более широкое вовлечение в разработку трудноизвлекаемых запасов нефти требует применения технологий повышения нефтеотдачи пластов, в том числе за счет снижения остаточной нефтенасыщенности. К числу наиболее перспективных технологий повышения эффективности вытеснения тяжелых и высоковязких нефтей из пластов от-
носится, в частности, полимерное заводнение (англ. polymer flooding), суть которого заключается в нагнетании оторочки полимерного раствора постоянной вязкости, большей, чем у воды, в целях снижения соотношения подвиж-ностей вытесняющего и вытесняемого агентов. С точки зрения экономической целесообразности применение данного метода оправданно при очень высоком
соотношении подвижностей вытесняющей воды и нефти при классическом заводнении, очень высокой неоднородности пласта либо при сочетании этих факторов [1]. Однако для успешной реализации полимерного заводнения необходимо предварительно провести моделирование данного процесса применительно к условиям коллекторов конкретного месторождения.
Таблица 1. Матрица вариантов полимерного заводнения, используемая для анализа Table 1. Matrix of polymer flooding options used for analysis
Вариант Option Обводненность, д. ед. Water cut, unit fraction Концентрация полимера в растворе, кг/м3 Polymer concentration in the solution, kg/m3 Время нагнетания полимера, лет Polymer injection time, years Безразмерный коэффициент извлечения водо-нефтяной эмульсии Fuel oil emulsion dimensionless recovery efficiency
1 0,92 20,59 13,82 0,169185
2 0,56 16,47 7,94 0,114886
3 0,75 61,76 9,12 0,110774
4 0,67 28,82 5,0 0,254132
5 0,84 0,00 14,41 0,107202
6 0,73 70,00 12,65 0,290087
7 0,64 45,29 6,18 0,19698
8 0,7 37,06 13,24 0,11166
9 0,5 12,35 6,76 0,105994
10 0,9 53,53 12,06 0,114594
11 0,87 65,88 8,53 0,238934
12 0,53 41,18 11,47 0,107497
13 0,98 32,94 10,88 0,115325
14 0,61 8,24 15,0 0,280598
15 0,58 24,71 10,29 0,144377
16 0,81 4,12 5,59 0,114119
17 0,95 49,41 7,35 0,111928
18 0,78 57,65 9,71 0,107791
Ссылка для цитирования (for citation):
Мостаджеран Г.М., Телков В.П., Мищенко И.Т., Хадавимогаддам Ф. Оптимизация полимерного заводнения на месторождении тяжелой нефти (на примере месторождения Ирана) // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2019. № 12. С. 40-44.
Mostadzheran G.M., Telkov V.P., Mishchenko I.T., Hadavimogaddam F. Optimization of Polymer Flooding in Heavy Oil Reservoir (on Example of the Iranian Field). Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2019;(12):40-44. (In Russ.)
а) а) б) b)
Рис. 1. Модель пласта с распределением: а)пористости; б) проницаемости Fig. 1. The reservoir model with distribution of the: a) porosity; b) permeability
ВОЗМОЖНОСТИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ДИЗАЙНА
Наиболее жизнеспособным инструментом, позволяющим получить необходимую информацию и оптимизировать процесс повышения нефтеотдачи пласта при минимальных финансовых и временных затратах, является экспериментальный дизайн [2] - статистический метод изучения причинно-следственных связей в рамках определенных процессов и явлений [3]. Поскольку процессы, протекающие в коллекторе, определяются влиянием ряда различных взаимодействующих факторов, экспериментальный дизайн
может быть применен для изучения влияния одного или нескольких таких факторов на производительность пласта.
С помощью экспериментального дизайна можно создать модель пласта-коллектора, задав максимально соответствующие реальным условиям параметры факторов, оказывающих на продуктивный пласт наибольшее воздействие. При этом моделирование позволяет в рамках эксперимента скорректировать данные параметры в целях максимального увеличения объема добычи углеводородов. Одним из наиболее простых методов оценки
влияния различных параметров на процесс или резервуар является моделирование с применением выборки по методу латинского гиперкуба (англ. Latin hypercube sampling). В целом, по мнению авторов данной статьи, план эксперимента может быть использован в целях повышения качества оценки дренируемых запасов, более точного прогнозирования производительности коллектора и увеличения добычи и в конечном счете для принятия эффективных решений относительно оптимального способа разработки месторождений, в т. ч. с экономической точки зрения.
Тестирование возможных сценариев является естественной частью разработки месторождения и средством уточнения поведения пород-коллекторов в различных условиях. Каждый сценарий включает в себя различные параметры, поэтому реализация всех возможных вариантов требует значительных временных и трудозатрат. В связи с этим особую актуальность приобретает получение максимума информации при минимуме прогонов моделирования. Результаты моделирования могут быть проанализированы с применением методов стохастического анализа. Если в исходных данных или в самом процессе есть какие-либо неопределенности, экспериментальный дизайн позволяет эффективно провести их количественную оценку и анализ.
OIL AND GAS PRODUCTION
СУТЬ, МЕТОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью исследования, основные результаты которого представлены в данной статье, было выявление параметров, оказывающих существенное влияние на эффективность процесса полимерного заводнения. Иными словами, результаты исследования демонстрируют оптимальные условия проведения полимерного заводнения с высоким значением коэффициента извлечения нефти в зависимости от параметров пласта.
Схема эксперимента может быть широко использована в исследованиях коллектора, в рамках которых изучается влияние одного или нескольких факторов. Общая идея основана на концепции, согласно которой все процессы, происходящие в каждом резервуаре, определяются воздействием ряда конкретных факторов.
В общем виде исследуемые параметры включают концентрацию полимера С в растворе, кг/м3, время нагнетания T, лет, значение достигаемой обводненности WC, д. ед. Значения этих параметров на примере одного из месторождений высоковязкой нефти Исламской Республики Иран приведены в табл. 1.
В рамках исследования было проведено семплирование с применением метода латинского гиперкуба (Latin hypercube design, LHD) для определения эффективности технологии заводнения. Количество сценариев и значения каждого исследуемого параметра были определены с помощью пакета программного обеспечения для статистического анализа JMP. Для моделирования поведения потока в ряде случаев был использован симулятор Eclipse.
Авторы статьи совместно с коллегами провели анализ S-образных кривых в [4], и оценили возможности использования результатов представленных экспериментов при вытеснении высоковязких нефтей. Был разработан экспресс-метод подбора рациональной вязкости полимерного раствора для вытеснения высоковязкой нефти с применением технологии полимерного заводнения [5, 6]. С учетом полученных
к
10 16 22 28 34 40 46 52 58
Год
Year
Вариант 18 Вариант 4 — Вариант 7
Option 18 Option 4 Option 7
Вариант 1 — Вариант 15 Варианте
Option 1 Option 15 Option 8
Вариант 2 — Вариант 16 — Вариант 9
Option 2 Option 16 Option 9
Вариант 3 Вариант 17 - Вариант 10
Option 3 Option 17 Option 10
Вариант 13 — Вариант 5 — Вариант 11
Option 13 Option 5 Option 11
Вариант 14 - Варианте - Вариант 12
Option 14 Option 6 Option 12
Рис. 2. Изменение коэффициента извлечения водо-мазутной эмульсии с течением времени по результатам моделирования с применением симулятора Eclipse Fig. 2. The fuel oil emulsion recovery efficiency change over time according to the results of modeling using the Eclipse simulator
результатов за основу для дальнейшего исследования эффективности полимерного заводнения было взято нагнетание полимерного раствора в концентрации 0-70 кг/м3 (табл. 1). Моделирование продолжалось до тех пор, пока обводненность эксплуатационной скважины не достигала значения, представленного в табл. 1 для каждого сценария.
В рамках исследования было принято, что модель исследуемого пласта состоит из трех слоев с разными фильтраци-онно-емкостными свойствами. При этом были заданы следующие средние значения проницаемости к и пористости т послойно:
• для верхнего слоя к1 = 100 мД, т1 = 18 %;
• для среднего слоя к2 = 30 мД, т2 = 15 %;
• для нижнего слоя k3 = 200 мД, m3 = 21 %.
В целом значения пористости и проницаемости пластов находятся в интервале 10-600 мД и 8-24 % соответственно. Общий вид модели представлен на рис. 1. Для нефти вязкость в пластовых условиях была принята равной 150 мПа.с.
В ходе моделирования с применением симулятора Eclipse было рассмотрено 18 моделей (рис. 2). Были проанализированы коэффициенты извлечения водо-мазутной эмульсии в целях определения основных и потенциально возможных эффектов взаимодействия исследуемых факторов. В качестве основного эффекта в рамках исследования было принято изменение реакции, вызванное модификацией фактора воздействия. Основной эффект
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 December 2019
43
Таблица 2. Параметры основного эффекта для скрининга Table 2. Main effect parameters for screening
Параметры Parameters Значения основного эффекта Main effect values Р-значение P-value
Концентрация полимера в растворе, кг/м3 Polymer concentration in the solution, kg/m3 18,28854 < 10-4
Обводненность, д. ед. Water cut, unit fraction 0,443042
Время нагнетания полимера, лет Polymer injection time, years 2,646583
ME (англ. main effect) для любого фактора может быть рассчитан по формуле:
где RFmax - среднее значение RF (англ. random forest - «случайный лес», представляющий собой множество решающих оценок, которые усредняются при решении регрессий) при максимальном значении параметра; RF . -
г г min
среднее значение RF при минимальном значении параметра. Итоговые значения ME для каждого параметра представлены в табл. 2.
Статистическую значимость основных и взаимодействующих эффектов можно оценить с помощью проверки гипотез. Это стандартный метод статистического анализа, при котором рассматриваются две противоположные гипотезы. Нулевая гипотеза предполагает, что влияние параметра пренебрежимо мало
и сообщаемое значение обусловлено случайностью или любой другой причиной, кроме роли самого параметра. Альтернативная гипотеза предполагает, что ненулевые эффекты демонстрируют реальные эффекты параметра. Достоверность нулевой гипотезы определяют, как правило, с помощью Р-значений, т. е. Р-значение описывает, насколько вероятно, что нулевая гипотеза верна. Критическое значение, которое является критерием для принятия или отклонения нулевой гипотезы, называется уровнем значимости. В рамках данного исследования уровень значимости составляет 0,0001. Если Р-значение ниже уровня значимости, нулевая гипотеза отклоняется, в противном случае нулевая гипотеза принимается. Р-значения для статистического анализа основных эффектов приведены в табл. 2. Основные эффекты являются статистически значимыми, поскольку все Р-значения
меньше 0,0001, следовательно, принимается альтернативная гипотеза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С помощью экспериментального дизайна и гидродинамического моделирования подтверждена возможность применения полимерного заводнения на иранских месторождениях высоковязкой нефти.
Предложенный подход может быть использован для оценки эффективности полимерного заводнения пласта и определения оптимальных режимов закачки полимера.
Критерии сравнения могут быть изменены на чистый дисконтированный доход (англ. net present value - NPV) или норму отдачи от инвестиций в человеческий капитал (англ. rate of return -ROR) для прогнозирования эффективности разработки коллектора, включая экономические исследования.
Литература:
1. Лейк Л. Основы методов увеличения нефтеотдачи. Остин: Техасский университет, 2005. 449 с.
2. Montgomery D.C. Design and Analysis of Experiments. New York: John Wiley and Sons Inc., 2001.
3. Lazic Z.R. Design of Experiments in Chemical Engineering. New York: Wiley-VCH, 2004.
4. Wang J., Dong M. A Laboratory Study of Polymer Flooding for Improving Heavy Oil Recovery. Paper PETS0C-2007-178 presented at the Canadian International Petroleum Conference, 2007.
5. Wang J., Dong M. Optimum Effective Viscosity of Polymer Solution for Improving Heavy Oil Recovery // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2009. Vol. 67, Iss. 3-4. P. 155-158.
6. Телков В.П., Каримов А.К., Мостаджеран М.Г. и др. Повышение нефтеизвлечения на месторождениях высоковязкой и тяжелой нефти с помощью полимерного заводнения // Нефтяное хозяйство. 2018. № 5. C. 60-63.
References:
1. Lake L. EOR Fundamentals. Austin: University of Texas; 2005. (In Russ.)
2. Montgomery D.C. Design and Analysis of Experiments. New York: John Wiley and Sons Inc.; 2001.
3. Lazic Z.R. Design of Experiments in Chemical Engineering. New York: Wiley-VCH; 2004.
4. Wang J., Dong M. A Laboratory Study of Polymer Flooding for Improving Heavy Oil Recovery. Paper PETS0C-2007-178 presented at the Canadian International Petroleum Conference; 2007.
5. Wang J., Dong M. Optimum Effective Viscosity of Polymer Solution for Improving Heavy Oil Recovery. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2009;67(3-4):155-158.
6. Telkov V.P., Karimov A.K., Mostajeran M.G. et al. Enhancing Oil Recovery of High-Viscosity and Heavy Oil Deposits using Polymer Flooding. Neftyanoe khozyaistvo [Oil industry]. 2018;(5):60-63.
