CC BY
53
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______
Э.М. Симкин, проф., д.т.н., ВНИИГеосистем
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНЫЕ ПЛАСТЫ
За последнее десятилетие на нефтяных месторождениях России и за рубежом получили широкое распространение различные варианты технологий повышения продуктивности скважин и увеличения нефтеотдачи пласта, связанные с применением сейсмических методов. Областью применения этих методов являются нефтяные месторождения с мало- и средневязкими нефтями и осложненными условиями разработки (высокая обводненность и неоднородность пластов, низкая проницаемость, высокая глинистость и др.). В используемом амплитудочастотном диапазоне они являются экологически безвредными и не вызывают каких-либо повреждений элементов конструкций скважины.
В зависимости от технологии и применяемых технических средств эти методы могут быть предназначены для:
♦ повышения производительности эксплуатационных и нагнетательных скважин в которых применение традиционных методов оказывается технически невозможным или малоэффективным, так и для
♦ увеличение нефтегазоотдачи и снижение обводненности пласта на нефтяных месторождениях глубиной до 3,5 км.
Сейсмические технологии повышения производительности эксплуатационных и нагнетательных скважин давно и широко внедряются на наших месторождениях. Созданы десятки, а может быть и сотни устройств для внутрисква-жинного воздействия. Эффективность этих технологий хорошо известна, и к настоящему времени дополнительно добыто не менее 10 млн. т нефти. Результаты стендовых испытаний основных типов скважинных излучателей, полу-
190
ченные Дыбленко В.П., показаны в таблице. Все эти устройства можно объединить одной характерной особенностью - передача энергии происходит через скважинную жидкость, в которую погружен виброисточник. Такой способ передачи энергии приводит к затуханию колебаний уже на первых метрах от стенки скважины и в результате все эти методы предназначены для очистки стенок скважины и призабойной зоны от грязи и кольматирующих веществ, закупоривающих приток. Более эффективными являются методы где передача энергии в пласт производится по скелету. Сейчас имеются по крайней мере 2 технологии, где используется такой способ передачи энергии на большие расстояния. Одна из этих технологий заключается в воздействии на пласт с помощью мощных источников колебаний, расположенных на поверхности Земли над нефтяным пластом. Например на рис. 1 показан один из таких источников, разработанных в СО РАН.
Рис. 1. Поверхностный источник упругих колебаний для наземного воздействия
Эта технология существенно ограничена глубиной залегания продуктивного пласта (600-800 м) и к настоящему времени у нас нет теоретических предпосылок, позволяющих считать, что при
большей глубине залегания она может быть эффективной.
Другая технология предназначенная для воздействия на пласт, залегающий на глубине до 3,5 км, называется «вибросейсмической» и заключается в том, что в инициирующей скважине устанавливают забойный акустический излучатель, соединенный посредством волновода с устьевым наземным источником упругих колебаний, изображенным на рис. 2. Потери энергии по волноводу на пути между наземным источником упругих колебаний и акустическим излучателем не более чем 10%-15% на 1 км. глубины скважины. Эффективный охват продуктивного пласта по площади вокруг инициирующей скважины достигает 12 кв.км. При этом число скважин, одновременно охваченных воздействием составляет 25-50 (в зависимости от сетки разработки).
ругих колебаний, установленный на устье возбуждающей скважины Мы имеем семилетний опыт эффективного применения этой технологии на ряде крупных месторождениях, расположенных в Волгоградском, Оренбургском, Удмуртском регионах и Средней Азии. За счет ее применения дополнительно добыто более 500 тысяч тонн нефти. Годовая добыча нефти по опытным участкам в результате воздействия увеличивалась в среднем более чем на 60%. Продолжительность эффекта от 6 до 18 месяцев и более. Увеличе-
ГИАБ
ние охвата пласта по толщине на 30-35% и выше. В отдельных случаях скважины, ранее эксплуатировавшиеся штанговыми насосами переходили на режим продолжительного фонтанирования с почти десятикратным увеличением дебитов нефти. Эффективность воздействия определялась не только увеличением общей добычи, но и, снижением доли воды в потоке жидкости. По отдельным скважинам обводненность снижалась на 30-40%.
Физические основы сейсмических методов воздействия на нефтяные пласты были созданы в начале 70-х годов фундаментальными исследованиями, проведенными во ВНИИнефти и ВНИИгеоси-стем. Основной вклад в их создание внесли работы Кузнецова
О.Л., Сургучева М.Л., автора этого доклада и наших учеников. С 1972 года нами было опубликовано по этой проблеме более 300 статей и 5 монографий и созданы различные варианты базовых технологий и технических решений для промышленной реализации.
В основе применения упругих колебаний для воздействия на призабойные зоны скважин лежат идеи разупрочнения кольмати-рующего материала, глинистых включений и очистки поровых каналов коллектора. Колебания помогают устранить блокирующее влияние остаточных фаз газа, нефти и воды и инициируют фильтрацию флюидов в низкопроницаемых пропластках и зонах. Этот механизм обычно реализуется в различных технологиях повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин [5].
Влияние упругих колебаний при воздействии на пласт в целом заключается в улучшении смачиваемости поровых каналов и возникновении сил притяжения между каплями диспергированной фазы (сил Бьеркнесса), которые в условиях обводненного пласта приводят либо к кластеризации, слиянию капель в "ручейки" разрозненной нефтяной фазы в водном потоке, либо к появлению капель
2 Л 1999
нефти с размерами значительно меньшими чем радиусы поровых каналов и увеличению их подвижности. Эти факторы способствуют существенному снижению водона-сыщенности пласта [2]. Кроме того упругие колебания приводят к высвобождению газовой фазы в виде мелких пузырьков, которые в зависимости от количества могут двигаться с течением воды с той же или большей скоростью. При этом пластовое давление может быть как выше, так и ниже насыщения. Например, при давлении ниже насыщения влияние колебаний наиболее наглядно иллюстрируется процессом откупоривания бутылки с газированной водой. При откупоривании бутылки в воде появляется множество больших и мелких пузырьков, которые активно устремляются вверх, к горлышку, в котором вода как бы пенится. В процессе выхода газа большую роль играет «пузырьковый" механизм, характеризующийся тем, что избыточные газовые молекулы, объединяясь, образуют пузырьки, которые всплывают по известным законам и выносят газ. После всплытия некоторого количества газа вода успокаивается и новые пузырьки не появляются или почти не появляются. Однако, в воде еще остается большая часть растворенного в ней избыточного газа, который теперь может выделяться только вследствие очень медленного "диффузионного" процесса. Причина того, что много избыточных молекул газа не удаляются из нее пузырьковым механизмом, состоит в том, что вода, после первых порций всплывших в ней пузырей, существенно дегазировалась, из нее удалились микроскопические пузырьки - зародыши, которые, поглощая избыточные молекулы, могут превращаться в более крупные пузырьки и всплывать. Оставшемуся в воде газу некуда стекать, поэтому пу-
зырьки не возникают и вода, стремясь избавиться от неугодного газа, может пользоваться услугами лишь диффузионного механизма. Поэтому логика подсказывает совсем простой эксперимент - достаточно потрясти бутылку с "успокоившейся" газированной водой, создать в ней разрывы и трещины, которые могут стать зародышами пузырей и пузырьковый механизм должен опять заработать.
Менее очевиден результат влияния упругих колебаний на фильтрацию при давлении выше насыщения. На рис. З показаны результаты экспериментов, которые свидетельствовали о том, что под действием упругих колебаний в зависимости от интенсивности наблюдается появление пузырьков газа при давлениях более высоких, чем давление насыщения, существовавшее до воздействия [1].
Это явление было названо тогда «эффектом увеличения давления насыщения в акустическом поле». Проведенный нами в последующем более детальный анализ этих результатов показал что величина давления насыщения в поле упругих колебаний остается той же самой, что и до воздействия, и «эффект увеличения давления насыщения» на самом деле является кажущимся и обусловлен особенностями проведения эксперимента. В частности, необходимо учитывать степень снижения амплитуды акустического давления относительно давления насыщения. Когда амплитуда акустического давления опускается ниже насыщения, происходит разгази-рование нефтяной фазы. При последующем повышении акустического давления выше насыщения
191
Рис. 4. Изменения водонасыщенности пласта в поле упругих колебаний при вытеснении модельной нефти карбонизированной водой
обратного полного растворения газовой фазы в жидкости не происходит в силу известного явления гистерезиса растворимости. В то же время формально для экспериментатора это выглядит как эф-
фект повышения давления насыщения в акустическом поле. Образующиеся при этом газовые пузырьки являются стабильными, имеют размеры от 0,01 до 1 мк. и, следовательно, много меньше размеров пор. Можно предположить, что в поле упругих колебаний эти газовые пузырьки, рассеянны по всему массиву нефти. Если доля объема, занимаемая газовой фазой в пласте при этом не превышает определенной доли порового объема, то нефтяная фаза не дегазируется и газ остается неподвижным относительно нефтяной фазы. Такое состояние нефтегазовой смеси детально рассматривалось в работах Сургучева и Лысенко применительно к некоторым задачам разработки ив их терминологии звучит как «раз-газирование нефти без ее дегазации» [3].
Исходя из анализа трехфазной диаграммы фазовых проницаемостей М.Л. Сургучев определил, что доля объема пласта, занимаемая в этом случае газовой фазой, не должна превышать 15-20%. В.Д. Лысенко, в одной из своих работ, исходя из предположения, что распределение газовых пузырьков по массиву нефти носит равномерный случайный характер, показал, что эта доля близка к 33%. Иначе говоря, возникающая в результате воздействия упругими колебаниями газированная нефтяная фаза в пласте по-видимому может годами оставаться стабильной, если доля занимаемая ею объема не более 1533% порового объема.
Увеличение объема газированной нефтяной фазы в пределах фиксированного размера порового пространства, должно приводить к соответствующему вытеснению из пласта водяной фазы и, следовательно - к снижению средней во-донасыщенности пласта [4]. На рис. 4 показаны изменения водо-насыщенности пласта, полученные в результате проведенной нами обработки результатов лабораторных экспериментов по вытеснению модельной нефти дистиллированной и карбонизированной водой, реализующей условия двух-и трехфазной фильтрации в поле упругих колебаний.
Как видно сразу после начала воздействия водонасыщенность пласта почти скачком падает. Однако, степень и глубина падения для трехфазной фильтрации существенно более высокая по сравнению с двухфазной фильтрацией. Эти результаты в целом согласуются с приведенными на рис. 5 изменениями водонасыщенности пласта при проведении промысловых работ.
Динамика падения водонасы-щенности пласта после вибро-сейсмического воздействия свидетельствовала также о вовлечении в процесс разработки новых, не-выработанных раннее запасов нефти в пропластках, обойденных водой при заводнении. В дальнейшем, по мере отбора из пласта этих запасов, вытесненный объем замещается водой и водонасы-щенность пласта снова начинала расти, постепенно приближаясь к значению, которое соответствовало прогнозируемой водонасыщен-ности без воздействия.
В заключение рассмотрим вопрос об изменениях фазовых проницаемостей. Исходя из теоретических соображений, изменения фазовых проницаемостей для нефти и воды от водонасыщенности в условиях трехфазной фильтрации показаны на рис. 6.
Как видно, при небольших значениях водонасыщенности фазовая проницаемость для нефти должна быть ниже, а для воды
выше, чем до воздействия. При более высоких значениях водона-сыщенности, ее проницаемость должна быть выше, чем до воздействия. Однако, фактические промысловые результаты существенно отличаются от теоретических представлений. Характерная зависимость для большинства месторождений приведена на рис. 7.
Как видно, зависимость фазовых проницаемостей от водона-сыщенности до и после воздействия практически остается неизменной. Однако, при этом фазовые проницаемости после воздей-
ствия увеличиваются в кратное число раз, поскольку водонасы-щенность пласта после воздействия существенно падает.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kuznetsov O.L. Simkin Е.М. «Transformation and Interaction of Geophysical Fields ih the Lithosphere» , 270p., Oxford & IBH Publishing Co., New Delhi,1994.
2. Kuznetsov O.L.Simkin E.M., Chilingar G.V.,Katz S.A. «Improved Oil» Recovery by application of vibro-energy to waterflooded sandstones».
Journal of Petroleum Science & Engineering pp.191-200, N19 1998.
3. .Лысенко В.Д. «Теория разработки нефтяных месторождений». 31 Ос, М.,Недра, 1993.
4. Симкин Э.М. Вибросейсмичес-кий метод увеличения продуктивности обводненных нефтяных и газовых пластов Ж. Нефтегазовые технологии (Oil & Gas Technology) стр.24-25, № 2 1998.
5. Simkin E.M., Surguchev M.L. "Advanced vibroseismic technique for water flooded reservoir stimulation, mechanism and field tests results". Sixth European Symposium on "Improved Oil Recovery", proceedings v.l, b.l, pp. 213-241, Norway, 1991.
© Э.М. Симкин
191
