Научная статья на тему 'Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему'

Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
99
10
Поделиться
Журнал
Вести газовой науки
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ / ГАЗОКОНДЕНСАТНАЯ СИСТЕМА / СНИЖЕНИЕ КОНДЕНСАТОНАСЫЩЕННОСТИ / ОБРАБОТКА ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА / ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ СКВАЖИН ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ / EXPERIMENTAL RESEARCH / ULTRASONIC EXPOSURE / GAS-CONDENSATE SYSTEM / DECREASE IN GAS-CONDENSATE SATURATION / PROCESSINGOF A BOTTOMHOLE FORMATION ZONE / IMPROVEMENT OF WELL PRODUCTIVITY AT A GAS-CONDENSATE FIELD

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Федоров И.А., Васильев Ю.Н., Латышев А.А., Ракк П.П.

Рассматривается проблема снижения проницаемости прискважинной зоны пласта (ПЗП) и, как следствие, повышения конденсатонасыщенности и фильтрационных сопротивлений в результате «динамической» конденсации в призабойной зоне. Перечислены недостатки существующих методов обработки ПЗП и предложен альтернативный метод, основанный на применении фокусированного ультразвукового (УЗ) воздействия. Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния УЗ-поля на подвижность конденсата в газоконденсатной системе. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что основной причиной увеличения подвижности жидкой фазы в результате УЗ-воздействия служит повышение температуры пласта и вмещающих флюидов. Также выявлены дополнительные физические процессы, вероятно, способные приводить к снижению конденсатонасыщенности в поровом пространстве при акустическом воздействии.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Федоров И.А., Васильев Ю.Н., Латышев А.А., Ракк П.П.,

Theoretical and experimental investigations of ultrasonic impact to a gas-condensate system

The article studies an issue of a well bore zone permeability decrease, in consequence of which the gas-condensate saturation and filtration resistance will increase due to «dynamic» condensation in the well bore zone. The disadvantages of practiced methods for well bore zone treatment are listed, and an alternative method on the grounds of ultrasonic focused exposure is suggested. Experimental and theoretical studies of the ultrasonic field impact to flexibility of the condensate within a gas-condensate system showed, that the main reason for growth of the liquid phase flexibility after the ultrasonic exposure is the increase of temperature of stratum and accommodating fluids. Also the additional physical processes possibly able to decrease condensate saturation of porous space at ultrasonic exposure are revealed.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему»

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

УДК [622.031:553.98]:534.8

Ключевые слова:

экспериментальные

исследования,

ультразвуковое

воздействие,

газоконденсатная

система,

снижение

конденсатонасы-

щенности,

обработка

призабойной зоны

пласта,

повышение

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

продуктивности

скважин

газоконденсатного месторождения.

Keywords:

experimental research,

ultrasonic exposure,

gas-condensate

system,

decrease in gas-condensate saturation, processing of a bottomhole formation zone, improvement of well productivity at a gas-condensate field.

И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев, А.А. Латышев, П.П. Ракк

Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему

Одной из проблем, возникающих в процессе добычи газа на газоконденсатных месторождениях, является ретроградная конденсация в призабойной зоне пласта (ПЗП). Повышение конденсатонасыщенности и фильтрационных сопротивлений в ПЗП в результате «динамической» конденсации и понижения температуры приводит к снижению проницаемости прискважинной зоны и, соответственно, производительности скважины. В конечном итоге возможно образование конденсатной пробки и, как следствие, полное отсутствие притока газа к забою. Описываемое явление наиболее характерно для следующих групп месторождений:

• находящихся на поздней стадии эксплуатации (Уренгойское, Ямбургское неф-тегазоконденсатные месторождения и др.);

• расположенных в Восточной Сибири и имеющих аномальные термобарические условия (Чаяндинское, Ковыктинское газоконденсатные месторождения и др.).

Такой метод обработки ПЗП, как закачка «сухого» газа или жидких углеводородных растворителей с целью осушения ПЗП от конденсата и борьбы с конденсатными пробками имеет геологические и технологические ограничения, успешность его применения в среднем составляет 60-70 %. Кроме того, он характеризуется высокими капитальными и эксплуатационными затратами. В целом косвенные методы (напрямую не направленные на снижение конденсатонасыщенности в ПЗП) - гидроразрыв пласта и циклическая закачка осушенного газа в пласт (сайклинг-процесс) - отличаются не только высокой стоимостью применения, но также наличием экологических рисков и вероятным отрицательным эффектом. Существующие термические методы обработки ПЗП забойными нагревателями различных типов характеризуются малой величиной КПД и технологическими ограничениями применения на газоконденсатных промыслах [1]. В связи с этим разработка новых месторождений Крайнего Севера требует энергосберегающих и экологически безопасных технологий. В этом аспекте значительный интерес представляют ультразвуковые (УЗ) технологии как альтернативный метод снижения конденсатонасыщенности и ликвидации конденсатных пробок в ПЗП.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, учитывая затухание УЗ-волн, акустическое поле излучателя с частотой порядка 20 кГц не может полностью покрыть зону конденсатной пробки с необходимой для ее разрушения интенсивностью звуковых колебаний. Однако применение технологий фокусировки акустических волн и современных мощных излучателей (акустическая мощность порядка нескольких киловатт) позволяет увеличить радиус воздействия и интенсивность излучения до значений, необходимых для снижения конденсатонасыщенности в ПЗП и разрушения конденсатной пробки [1].

На сегодняшний день основная причина ограниченного применения волновых методов обработки ПЗП заключается в непонимании физического механизма волнового воздействия на газоконденсатную залежь, вследствие чего невозможна разработка наиболее эффективной технологии применения ультразвука. Тем не менее,

основываясь на существующих теоретических и экспериментальных исследованиях взаимодействия УЗ-поля с нефтяными системами, можно предположить, что основным объектом воздействия является ретроградный конденсат. При этом в результате воздействия:

• изменятся свойства ретроградного конденсата при повышении температуры;

• повысится фазовая проницаемость по конденсату с вовлечением его в фильтрацию.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, под воздействием ультразвукового поля скорость фильтрации жидкости в пласте, вероятно, способны повысить такие физические процессы, как [2-5]:

• снижение вязкости конденсата;

• увеличение подвижности пристеночного слоя;

• акустическое течение в капиллярах;

• уменьшение поверхностного натяжения на границе раздела газ-жидкость.

Уменьшение вязкости обусловлено нагревом коллектора и вмещающих флюидов вследствие диссипации энергии волны при ее прохождении через пористую флюидонасыщен-ную среду. Причинами диссипации служат как несинфазное перемещение скелета породы и конденсата в УЗ-поле, так и вязкое трение непосредственно в ретроградном конденсате, что дополнительно приводит к его разогреву и испарению.

Одним из механизмов, влияющих на скорость фильтрации жидкой фазы и разрушение газоконденсатных пробок при двухфазной фильтрации, является воздействие акустических колебаний на поверхность раздела газ-конденсат. Поверхность раздела газовой и жидкой фаз имеет форму мениска с радиусом равновесия, при этом сила натяжения на границе раздела достаточно велика, чтобы удерживать газ и сохранять пробку. При воздействии ультразвука колебания от стенки капилляра проникают в конденсат и влияют на силу поверхностного натяжения. Увеличение интенсивности ультразвукового излучения ведет к увеличению амплитуды колебаний границы раздела газ-жидкость. В этом случае возможны разрушение мениска или его продвижение под действием градиента давления по капилляру. Этот процесс становится нелинейным и может развиваться по нескольким сценариям:

• происходит разрыв пленки предположительно в зоне центральной оси капилляра. Под

действием градиента давления газ устремляется в образовавшийся разрыв;

• уменьшается сила поверхностного натяжения жидкой фазы. Это приводит к продвижению границы раздела газ-жидкость по капилляру под действием градиента давления;

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

• в случае малого продольного размера жидкостной пробки возможно ее полное разрушение на отдельные фрагменты, которые приводятся в движение под действием напора газа.

Влияние ультразвуковой волны на процесс изменения конденсатонасыщенности пласта на модельных газоконденсатных системах исследовалось на базе экспериментального стенда, созданного в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта (рис. 1). Основной частью стенда является керновая модель пласта. Закачка газоконденсатной смеси (ГКС) в модель осуществлялась из рекомбинатора с использованием насоса. Выходящая продукция разделялась на жидкую и газовую фазы в ми-нисепараторе. Анализ фаз проводился на хроматографах. Количество жидкой фазы измерялось весовым способом, газовой фазы - при помощи газового счетчика. Модернизированная конструкция выходной втулки модели пласта позволяла вводить УЗ-энергию непосредственно в образцы горных пород вследствие их прямого контакта с волноводом УЗ-излучателя. При проведении экспериментальных исследований использовался излучатель Центра ультразвуковых технологий акустической мощностью 1 кВт с частотой излучения 18,5 кГц.

Для выявления возможных эффектов изменения конденсатонасыщенности газоконденсатной залежи в результате воздействия ультразвуковой волны использовались четыре модельные газоконденсатные системы с разным литологическим составом: терригенным - модели 1, 2, карбонатным - модели 3, 4 (таблица). При этом модели 1 и 3 выступали в роли моделей сравнения, и на них воспроизводился процесс разработки газоконденсатной залежи в режиме естественного истощения пластовой энергии. На моделях 2 и 4 воспроизводился процесс разработки в сопровождении ультразвукового воздействия.

Первоначально проводились подготовка модели пласта и ее заполнение модельной ГКС. С этой целью для удаления атмосферного воздуха и сорбированных газов модель пласта ва-куумировалась в течение 24 ч, а затем заполнялась метаном под давлением, превышающим

Хроматограф УЗ-тлучатель

и

V

Газовый Сепаратор-счетчик мерник

Пресс для гидрообжимания пород

чхн

Акселерометр

Модель пласта

тг г1

РекомбинаторГКС М^ККН

о о □ □ о □

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Осциллограф

с разделительным поршнем

Криостат

ш

Насос

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: К1, К2 - клапаны

Характеристики моделей пласта

Параметр Модели 1, 2 Модели 3, 4

Длина, см 33,18 33,19

Открытая пористость, % 13,3 19,9

Абсолютная проницаемость, 10-3 мкм2 162,4 137,2

давление начала конденсации смеси (Рнк) на 15 МПа. После этого модель пласта соединялась с рекомбинатором, и метан постепенно замещался в квазистационарном изотермическом режиме приготовленной модельной га-зоконденсатной смесью при постоянном давлении на входе модели. После процесса замещения модель перекрывали и выдерживали в течение примерно 70 ч для установления термодинамического равновесия в модельной пластовой ГКС. По наступлении равновесного состояния в модельной пластовой ГКС осуществлялся переход к моделированию процесса истощения газоконденсатной залежи с давления выше Рнк смеси до 15 МПа. Для сохранения термодинамического равновесия процессов массообмена между жидкой и паровой фазами темп снижения давления для всех моделей поддерживался на уровне 0,07-0,08 МПа/ч. На моделях 2 и 4, начиная с давления Р, когда

Р/Рнк = 0,57 и ниже, осуществляли режим истощения с постоянным УЗ-воздействием. Очевидно, что наиболее эффективно УЗ-волны будут воздействовать на ГКС с высоким содержанием высококипящих компонентов, поэтому было решено использовать модельную смесь с высоким содержанием (порядка 380 г/м3) углеводородных групп С5+.

В ходе экспериментальных исследований конденсатонасыщенность пористой среды моделей пласта определялась с помощью периодического рентгеновского сканирования колонки кернов. Результаты сканирования корректировались относительно реперных сигналов (точки, полученные с использованием прямых методов измерений насыщенности) при давлениях:

• Рнк (определялось по РУТ-данным);

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

• атмосферном (для данного случая насыщенность по образцам горных пород определялась методом экстрагирования).

Описанный подход позволил провести сопоставительный анализ результатов эксперимента и выявить эффекты, непосредственно обусловленные влиянием ультразвуковой волны на процесс изменения конденсатонасы-щенности. Для сравнения полученных значений конденсатонасыщенности рентгеновское сканирование двух терригенных и двух карбонатных моделей осуществляли при одинаковых давлениях соответственно (рис. 2, 3). Видно, что наибольший эффект воздействия

УЗ-волн на терригенные модели, т.е. относительное снижение их конденсатонасыщенности, (см. рис. 2б) наблюдается при высоких давлениях, достигая 2,3 % при относительном давлении 0,6. При снижении давления конденсато-насыщенность моделей растет: ее относительное снижение постепенно уменьшается до величины 0,6 %. Это связано с тем, что при высоких давлениях повышение температуры пластовой системы существенно способствует испарению компонентов из ретроградного конденсата.

^ 25

I

к

I

0

1

8

«

к

о «

20

15

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

10

+ моде ■ моде иь 1 иь 2 ♦ 1

♦ ♦ ♦ ■■ ■■ 9

♦ 1 щ

0,2

0,4

а

0,6 0,8 1,0 Давление, Р/Р

£ 3

I

Л .

0 Й К

1

«

к

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

0 И и к

1

8

£

О

0,2

б

0,4 0,6

Давление, Р/Р

Рис. 2. Воздействие УЗ-волн на терригенные модели пласта: а - изменение конденсатонасыщенности моделей в зависимости от изменения давления; б - средний (по двум моделям) эффект воздействия УЗ-поля

1

5

0

0

0

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

0

^25 £

I

л К

I

20

15

к

3

10

4 моде ■ моде ;ль 3 ;ль 4 ♦ л

♦ ♦ ♦ ■ ♦ , ■■ ■ щ

*

-1

0,2

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

0,4

а

0,6 0,8 1,0 Давление, Р/Р

^2

I

0

1

и 1 я 1

и «

Я о И и

£ О

0,2

б

0,4 0,6

Давление, Р/Р

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис. 3. Воздействие УЗ-волн на карбонатные модели пласта: а - изменение конденсатонасыщенности моделей в зависимости от изменения пластового давления; б - средний (по двум моделям) эффект воздействия УЗ-поля

5

0

0

0

0

Аналогичные явления наблюдаются и на карбонатных моделях, где относительное снижение конденсатонасыщенности варьируется в диапазоне 1,9-1 % (см. рис. 3б). Меньшие изменения насыщенностей связаны с более слабым затуханием УЗ-колебаний и повышением температуры в карбонатных породах.

На рис. 4 показано изменение конденсато-насыщенности вследствие применения УЗ-воз-действия по длине модели пласта (0 см соответствует входу модели пласта, 33 см - выходу, см. таблицу) при различных пластовых давлениях. Эффект проявился в резком снижении конденсатонасыщенности при высоких давлениях в образцах керна, находящихся в непосредственной близости от излучателя (что соответствует отметке длины 33 см). По мере снижения давления с течением времени поле температуры модели выравнивалось, поэтому снижение кон-денсатонасыщенности при низких давлениях по всей модели было примерно одинаковым.

Под воздействием акустических колебаний произошел нагрев пластовой системы, что привело к следующим эффектам:

• снижению вязкости ретроградного конденсата и увеличению подвижности жидкой фазы;

• частичному разрушению адсорбционных слоев на границе конденсат-порода;

Длина модели, см

а

• уменьшению толщины пристеночного конденсатного слоя.

Вполне вероятно, что прямой контакт волновода излучателя и торца керна способствовал передаче колебаний непосредственно в скелет породы, что в свою очередь способствовало возникновению отмеченных эффектов. Сказанное подтверждается тем фактом, что с понижением давления эффект снижения вязкости вследствие повышения температуры постепенно уменьшается с 15,4 до 3,6 %. Рост подвижности конденсата дополнительно подтверждается значительным увеличением концентрации компонентов С5+ в газовой и жидкой фазах, которое зафиксировано практически

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

сразу после начала УЗ-воздействия.

***

В ходе исследования керновых образцов экспериментально установлено изменение конденсатонасыщенности под действием УЗ-поля в коллекторах различного литоло-гического состава. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод о том, что главным механизмом, влияющим на снижение конденсатонасыщенности, является повышение температуры коллектора и флюидов. Однако не стоит исключать вероятность вклада таких эффектов, как повышение подвижности

б

— Р/Р = 0,50 — Р/Р = 0,35 — Р/Р = 0,15 — Р/Р = 0

нк ' нк ' нк ' нк

Рис. 4. Снижение конденсатонасыщенности по длине моделей вследствие УЗ-воздействия: а - терригенные модели 1 и 2; б - карбонатные модели 3 и 4

пристеночного слоя и уменьшение сил натяжения на границе раздела газ-жидкость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований дают основание заключить, что УЗ-воздействие является перспективным методом снижения конден-

сатонасыщенности в ПЗП и борьбы с кон-денсатными пробками. Однако исследования в данной области необходимо продолжить для создания эффективной технологии применения УЗ на промыслах.

Список литературы

1. Федоров И. А. Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем / И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев // Вести газовой науки: Проблемы разработки газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений. - М.: Газпром ВНИИГАЗ,

2014. - № 4 (20). - С. 103-112.

2. Федоров И.А. Повышение фазовой проницаемости пласта под действием акустических колебаний / И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев // Вестник ЦКР Роснедра. -

2015. - № 2.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

3. Кузнецов О. Л. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты / О. Л. Кузнецов, Э.М. Симкин, Дж. Чилингар. - М.: Мир, 2001. - 260 с.

4. Xu J. Acoustic excitation of superharmonic capillary waves on a meniscus in a planar microgeometry / J. Xu, D. Attinger // Physics of Fluids. - 2007. - V. 19.

5. Beresnev I.A. Elastic-wave stimulation of oil production: a review of methods and results / I.A. Beresnev, P.A. Johnson // Geophysics. -1994. - V. 59. - № 6. - C. 1000-1017.