Файл: Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Проектирование разработки.pdf

Применением БЭСМ-6, затраты машинного времени, несмотря на сравнительно большой объем перерабатываемой информации, невелики. Так, время расчета одного типичного варианта раз­ работки элемента нефтегазовой залежи в течение 25 лет состав­ ляет около 20 мин.

Сравнение | приближенных расчетов по предлагаемой гид­ родинамической модели с[эта­ лонным решением двумерной задачи, полученным методом ко­ нечных разностей, показало до­ статочную для практических расчетов точность.

Блочное построение методи­ ки и программ дает возможность их автономного использования для решения самостоятельных задач. Так, например, первый блок (построение модели неод­ нородного пласта) можно при­ менять в сочетании с другими

гидродинамическими моделями, отличными от предлагаемой в настоящей работе. Наряду с описанным гидродинамическим блоком используют разработанный во ВНИИ блок, позволяющий рассчитывать плоские многофазные течения.

Необходимость использования подобного блока может возникнуть в ряде случаев, когда залежь или ее отдельные участки разбурены по нерегулярной сетке, из­ менчивость коллекторских свойств и исходное распределение флюидов имеет сложный характер.

Дальнейшее совершенствование расчетной модели связано с более полным учетом неоднородности и в первую очередь прерывности. Для этого, в частности, определяют гидропроводность и функции осредненных фазовых nponimaeMocfeft путем решения соответствующих обратных задач.

Имеются определенные возможности обобщения методики, в частности, изменив соответствующим образом систему уравнении гидродинамического блока, можно учесть неизотермичность, многокомпонентность фильтрационного потока.

ГЛАВА XIV.

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТОДОВ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ ПРИ ЗАВОДНЕНИИ

§ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Широкое внедрение в практику разработки нефтяных месторождений про­ цессов поддержания пластового давления привело к существенному повышению средних значений коэффициентов нефтеотдачи. Следует, однако, отметить, что возможности обычных видов заводнения уже практически исчерпаны, н поэтому применяют дополнительные средства увеличения эффективности этих видов воздействия на залежи нефти. Для увеличения нефтеотдачи в пласт нагнетают воду с повышенными давлениями, с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) и щелочей, растворы полимеров, повышающих вязкость воды. Значительно лучше вытесняется нефть из пористых сред оторочками двуокиси углерода,

26Э

горячей водой и термощелочными растворами. Упомянутые методы повышения эффективности заводнения основаны на направленном воздействии химическими реагентами на регулируемые параметры процесса (скорость нагнетания воды в за­ лежь, поверхностное натяжение и смачивающие свойства воды, ее вязкость, тем­ пература и плотность) таким образом, чтобы обеспечивались наилучшие физи­ ческие и физико-химические условия вытеснения нефти из коллекторов. Большой опыт лабораторных и промысловых исследований показывает, что с повышением вязкости и температуры вытесняющего агента получают хорошие результаты. Поэтому в настоящее время интенсивно испытываются и развиваются тепловые методы повышения нефтеотдачи и процессы нагнетания в пласт вод, загущенных полимерами.

Если по вопросам влияния температуры вытесняющего агента и соотноше­ ния вязкостей воды и нефти на нефтеотдачу среди исследователей существует единство мнений, то по влиянию на результаты вытеснения других регулируемых параметров заводнения в литературе опубликовано множество противоречивых взглядов. Многозначность и противоречивость результатов исследований — след­ ствие ряда причин. Одна из них заключается в том, что многочисленные исследо­ вания по изучению механизма вытеснения нефти водой проведены в условиях отсутствия подобия процессов, протекающих в лабораторных моделях пластов

ив естественных условиях. Многолетние исследования, проводившиеся в МИНХ

иГП им. Губкина [13], показали, что по данным лабораторных опытов затруд­ нительно судить о механизме процесса вытеснения нефти водой из реальных пластов, если в модели не воспроизводится неоднородность коллекторских свойств

пород, свойства которых изменяются по законам случайных величин (случайных функций). Причем необходимо воспроизводить (при изучении механизма вытес­ нения нефти водой и физико-химических основ проявления различных химиче­ ских реагентов, добавляемых в воду) местную неоднородность физических свойств пород, наблюдающуюся в пределах нескольких единиц или в крайнем случае десятков метров протяженности коллектора. Это связано с тем, что в механизме вытеснения из пористых сред нефти водой чрезвычайно важную роль играют капиллярные процессы, происходящие в зоне контакта воды с нефтью, область действия которых, по-видимому, здесь не превышает единиц или максимум не­ скольких десятков метров.

Другая причина многозначности результатов исследований влияния регули­ руемых параметров заводнения на нефтеотдачу заключается в многофункцио­ нальном характере зависимости результатов вытеснения из пластов нефти водой. Нефтеотдача зависит по меньшей мере от восемнадцати факторов, связанных со свойствами пластовых систем и условиями вытеснения. Причем вся упомянутая совокупность факторов изменяется от залежи к залежи в широких пределах и многообразие их оказывается бесконечно большим. Поэтому при лабораторных исследованиях всегда в той или иной степени получают частные результаты, действительные лишь для данной воспроизводимой в опытах пластовой системы.

С этой точки зрения результаты всех лабораторных исследований закономер­ ностей влияния регулируемых параметров заводнения на нефтеотдачу, проведен­ ных с соблюдением требований теории подобия, по-видимому, справедливы независимо от их противоречивости, так как целесообразно предположить, что различный характер наблюдающихся зависимостей объясняется различием ком­ плекса свойств пластовых систем. Это означает, что в условиях реальных пластов возможны различные зависимости нефтеотдачи, например, от скорости вытесне­ ния нефти водой, от поверхностного натяжения воды на границе с нефтью и сма­ чивающих свойств вод. При этом возникает необходимость поисков условий, которые обусловливают проявление тех или иных закономерностей. Решение этой задачи в общем виде и, следовательно, поиски средств повышения эффектив­ ности процессов заводнения нефтяных месторождений в различных условиях можно связать с теорией капиллярных процессов, протекающих в пористых средах при вытеснении нефти водой. Круг явлений, связанных с капиллярными процессами, протекающими в пласте, весьма обширен. Это — явления десорбции и адсорбции поверхностно-активных компонентов на различных границах раз­ дела, процессы прямоточной и противоточной пропитки и связанные с ними явления перераспределения флюидов в поровом пространстве коллектора, много­

264

численные эффекты Жамена, электрокапиллярные явления и т. д. В совокупности они влияют на нефтеотдачу сложным образом. Однако даже простейший учет роли капиллярных явлений в процессах формирования нефтеотдачи позволяет построить логически стройные физико-химические основы вытеснения нефти водой из пористых сред и, следовательно, установить теоретические принципы применения различных методов повышения эффективности заводнения. Например, важнейший вопрос физико-химии вытеснения нефти водой из пористых сред — вопрос о том, какое должно быть капиллярное давление на контакте нефти и воды (высокое или низкое), чтобы нефтеотдача была наибольшей. Для трещиноватых коллекторов считается, что воды, развивающие в капиллярных каналах породы на границе с нефтью высокое капиллярное давление, способствуют некоторому повышению нефтеотдачи за счет впитывания ее в блоки. В случае же неоднород­ ных по физическим свойствам коллекторов по данным лаборатории физики пласта МИНХ и ГП процессы капиллярного впитывания служат причиной нарушения сплошности нефти в зоне водонефтяного контакта, способствуют возникновению в каналах пористой среды смесей нефти и воды с многочисленными границами разделов, затрудняющих процесс вытеснения нефти. Прочность формирующихся смесей в порах тем выше, чем ниже проницаемость пород и чем больше капилляр­ ное давление, развиваемое менисками. Поэтому воды с высокой скоростью впи­ тывания в нефтенасыщенную породу тем интенсивнее закрывают себе путь, чем меньше проницаемость участков коллектора. Такие воды как бы проявляют и повышают степень неоднородности фильтрационных свойств пород. Это озна­ чает, что наилучшими вытесняющими свойствами в условиях неоднородных пород должны обладать такие воды, натяжение смачивания (о cos 0) которых в пластовых условиях равно нулю (о — поверхностные натяжения нефтей на границе с водой, 0 — угол избирательного смачивания). При этом необходимо особо подчеркнуть, что понятия вытесняющая способность вод и моющие свой­ ства — не синонимы. Например, водные растворы полимеров вследствие повы­ шенной вязкости обладают по сравнению с чистой водой большей вытесняющей способностью при слабых моющих свойствах. Наилучший результат будет на­ блюдаться в случае совпадения моющих и нефтевытесняющих свойств вод, что должно наблюдаться при условии о = 0 и 0 = 0. Из сказанного следуют условия выбора физико-химических добавок в воду, повышающих коэффициент нефтеот­ дачи неоднородных пород. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), добавляемые в воду, только в том случае будут повышать нефтевытесняющие свойства вод, если они снижают поверхностное натяжение воды на границе с нефтью до значений, близких к нулю. (При этом должны соблюдаться и другие требования к поверх­ ностно-активным веществам — низкая необратимая адсорбция на поверхности породы, стойкость в пластовых условиях, высокая поверхностная активность и т. д.). При отсутствии таких ПАВ возможен другой путь достижения высоких нефтевытесняющих свойств вод — использование вод с нейтральной смачивае­ мостью (0 = 90° и cos 90° = 0; о cos 90° = 0 при значениях о, отличных от нуля). Как показали измерения, такими свойствами обладают собственные пластовые воды ряда месторождений нефти Татарии и других районов страны. Это — след­ ствие, по-видимому, проявления в природе второго закона термодинамики. На­ тяжение смачивания о cos 0 имеет энергетический смысл и в пластовых систе­ мах в течение геологических периодов протекали процессы, естественное направ­ ление которых связано с уменьшением п cos 0 до нулевых значений. Поверх­ ностное натяжение многих нефтей на границе с водой составляет 20—26 мН/м и поэтому в течение геологических периодов происходили все возможные для данной пластовой системы физико-химические реакции, процессы адсорбции и массообмена между нефтью и водой, которые способствовали приближению пластовых систем к нейтральной смачиваемости. Поэтому собственные пластовые воды имеют повышенную (по сравнению с пресными и другими посторонними водами) нефтевытесняющую способность. Их целесообразно нагнетать при низ­ ких значениях остаточной водонасыщенностп коллекторов в разрезающие ряды скважин в виде вала, движущегося впереди пресных вод. Низкая нефтеотдача коллекторов объясняется не плохими вытесняющими свойствами собственных пластовых вод, а неоднородностью строения коллекторов и плохим охватом пла­

стов заводнением.

265

Большой недостаток поверхностно-активных веществ как средств, повыша­ ющих моющие и нефтевытесняющие свойства нагнетаемых в пласты вод, — вы­ сокая адсорбция их на поверхности породы и образование на фронте вытеснения вала воды, обедненного ПАВ, что в значительной степени снижает эффектив­ ность их проявления. В этом смысле более благоприятен механизм воздействия на физико-химические свойства пластовых систем щелочных растворов, посто­ янно способных генерировать поверхностно-активные вещества* на фронте вытес­ нения за счет реакций взаимодействия с кислотными составляющими нефти щелочей, пока сохраняется наличие последних в вытесняющей воде. Опыт пока­ зывает, что при контакте с некоторыми нефтями, содержащими органические кислоты в достаточном количестве, растворы щелочей способны понижать по­ верхностное натяжение на границе с нефтью до очень низких значений (до тысяч­ ныхдолей мН/м). В неоднородных пористых средах именно в этом случае должны наблюдаться высокие значения коэффициента вытеснения.

Считается также, что благоприятное воздействие на нефтеотдачу неоднород­ ных коллекторов оказывают эмульгирующие свойства щелочных растворов. Эмульсии (или водонефтяные смеси) образуются более интенсивно при прорыве щелочных растворов в высокопроницаемые пропластки, что сопровождается возрастанием в них сил сопротивления процессу фильтрации с соответствующим выравниванием фронта вытеснения.

При недостатке кислотных составляющих остаточное поверхностное натяже­ ние на границе со щелочными растворами оказывается повышенным при хорошей смачивающей способности щелочных вод. Поэтому в этих случаях нежелательно применение щелочных растворов для нагнетания в пласт (имея в виду отрицатель­ ную роль^капиллярных процессов в неоднородных пористых средах).

В последнее время развиваются основы применения термощелочного завод­ нения коллекторов, содержащих нефти высокой вязкости. По мнению некоторых исследователей, в данном случае эффект благоприятного проявления тепловых процессов усиливается за счет снижения сйл капиллярного сопротивления, если щелочной раствор обладает достаточно низким поверхностным натяжением на границе с нефтью. Другие исследователи считают, что существенную роль при этом играют процессы формирования водонефтяных эмульсий, способствующих выравниванию фронта вытеснения в неоднородной пористой среде. Недостаточно изучены многие другие проблемы применения щелочных растворов для повыше­ ния нефтеотдачи пластов. Нет ясности в вопросах взаимодействия щелочей с гор­ ными породами пластов разного типа и учета снижения концентрации щелочей в процессе их фильтрации. Недостаточно изучены причинные связи в ряде случаев наблюдающихся сложных зависимостей поверхностного натяжения различных нефтей от концентрации щелочей в воде и т. д. Мало известно о динамике изме­ нения поверхностного натяжения растворов щелочей на границе с нефтью от времени их контакта, слабо изучены механические свойства пленок, образу­ ющихся на границах нефти и водных растворов щелочей, и их влияние на процесс фильтр!ации.

Остаются недостаточно развитыми теоретические основы выбора скоростей нагнетания вод, обеспечивающих наибольшие значения нефтеотдачи. По данным лаборатории физики нефтяного пласта МИНХ и ГП влияние скоростей вытесне­ ния (градиентов давления) на нефтеотдачу, так же как и механизм вытеснения-, по-видимому, тесно связано с физико-химическими и капиллярными свойствами пластовых систем и природой проявления капиллярных сил. Как показывают лабораторные опыты, нефтеотдача неоднородных моделей пластов (отражающих случайный закон распределения их коллекторских свойств) не зависит от ско­ рости вытеснения, если интенсивность проявления капиллярных процессов впи­ тывания воды на фронте вытеснения в нефтенасыщенные участки мала или от­ сутствует в пределах интервала изменения скоростей движения водонефтяного контакта, встречающихся на практике. Такие условия возникают в коллекторах высокой проницаемости (1—2 мкм2) при смачиваемости пород водой, близкой к нейтральной. Эти результаты опытов подтверждаются промысловыми наблю­ дениями. По данным Гипровостокнефть на ряде месторождений Самарской Луки не прослеживается влияние скоростей вытеснения нефти на нефтеотдачу пластов (проницаемость пород Зольненского месторождения составляет 1,5—2 мкм5;

266