главная / банк технологий / методы увеличения нефтеотдачи ...

Новые технологии повышения нефтеотдачи пластов и продуктивности скважин


Ягафаров А.К., Кузнецов Н.П., Кудрявцев И.А., Ерка Б.А., Нагарёв О.В., Ухалов К.А.(ЗАО ТННЦ, г. Тюмень), Квеско Б.Б. (ТПУ, г. Томск),Федороцов В.К. (ОАО СибНАЦ, г. Тюмень), Пешков В.Е. (ДП ТО СНИИГГиМС, г. Томск)
Давно назревшей проблемой является повышение эффективности выработки запасов из коллекторов с низкими фильтрационными свойствами.
Решение подобной задачи - увеличение притоков нефти в эксплуатационных скважинах, повышение коэффициентов охвата и нефтеотдачи пластов при воздействии на прискважинную зону нагнетательных скважин может быть связано с усилением действий электрокинетических эффектов в поровом пространстве нефтенасыщенных коллекторов.
На наш взгляд, эту задачу можно решить с использованием высококонцентрированных водных растворов хлорида кальция, в процессе заводнения пластов через систему нагнетательных скважин.
Усиление действия электрокинетических эффектов происходит по следующим причинам.
На границе раздела двух фаз, обладающих различными физико – химическими свойствами, например, внутрипоровой поверхностью пласта – коллектора и насыщающей поровое пространство водой возникает двойной электрический слой (ДЭС). Ионы первого слоя (гельмгольцевский слой) прочно связаны с поверхностью твёрдого тела и, практически, не участвуют в движении. Толщина этого слоя равняется радиусу одного сольватированного иона. Далее (по Штерну) располагаются диффузные слои рыхлосвязанной воды, а затем вода или водный раствор солей свободного объёма.
Под воздействием любого силового поля (гидродинамического напора, воздействием электрических полей и т.д.) диффузные слои рыхло связанной воды приобретают некоторую подвижность вдоль поверхности скольжения. При увеличении амплитуды силового поля поверхность скольжения смещается в сторону границы гельмгольцевского слоя и диффузных слоёв. Полная разность между гельмгольцевским слоем и внешней границей диффузных слоёв называется электрокинетическим (? – дзета потенциал). В целом, ионно – катионный состав воды ДЭС делает внутреннюю поверхность пласта – коллектора электронейтральной.
Объём диффузных слоёв рыхлосвязанной воды, возможно, регулировать изменением концентрации и валентности определяющих ионов солей в водных растворах свободного объёма. При этом, катионы более высокой концентрации вытесняют катионы с более низкой валентностью из объёма диффузных слоёв и, частично, гельмгольцевского слоя. Толщина двойного электрического слоя, в особенности диффузных слоёв изменится в сторону уменьшения. Происходит, как – бы, сжатие диффузных слоёв. За счёт этого внешняя часть воды диффузных слоёв переходит в воду свободного объёма и приобретает подвижность без воздействия иными силовыми полями.
Если во внутрипоровый объём пласта – коллектора ввести в качестве свободного объёма водный раствор хлорида кальция 10% концентрации, то между солевым составом ДЭС, обогащённом, как и пластовые воды, например, месторождений Западной Сибири, солями натрия, начнётся активный ионно – обменный процесс. Активность ионов 10% раствора хлорида кальция в два раза выше активности ионов хлорида натрия, содержащихся в пластовых водах месторождений Западной Сибири. Поэтому, начнётся процесс замещения катиона Na+ ДЭС на более активный катион Ca ++. При наличии катиона Ca ++ в свободном объёме воды или его некотором избытке процесс будет продолжаться до полного замещения Na+ на Ca ++. При этом, как и указывалось выше, объём диффузных слоёв от их внешней границы до плоскости скольжения уменьшится. Часть, существовавшего до этого объёма диффузных слоёв, перейдёт в свободный объём. Доля подвижной и вытесняемой воды во внутрипоровом пространстве пласта – коллектора в целом возрастёт. Соответственно возрастёт и гидравлический радиус пор и проницаемость коллектора в пластовых условиях, а, следовательно, повысится и охват вытеснения нефти водой в низкопроницаемых коллекторах.
Этот вывод подтверждается результатами промысловых экспериментов, проведённых на скважинах Самотлорского месторождения Западной Сибири.
В разведочной скважине в пласт было закачано 15м3 3%-го водного раствора хлорида кальция. При освоении скважины были отобраны пробы отработанного раствора. Результаты анализа раствора показали полное отсутствие в нём ионов кальция (табл. 1).
В результате произошедшего ионно – обменного процесса в поровом пространстве нефтенасыщенного коллектора образовалось новое химическое соединение эмульсионного характера – мылонафт натрового состава. По реологическим свойствам образовавшиеся эмульсии в 1,61 раза превышают параметры нефтей [Ягафаров А.К., 1984г.].
Анализы отработанного раствора (эмульсии - мылонафта) 10% водного раствора хлорида кальция по другим скважинам показали, что в результате происшедшего ионно-обменного процесса, в нём формируются кристаллы NaCI (поваренной соли). Естественно, они могут выпадать в осадок и в прискважинной зоне пласта. Кроме выпадения отдельных кристаллов наблюдается повсеместное кристаллообразование в глобулах отработанного раствора водо – нефтяной эмульсии, что также повышает вязкость новообразований [Ягафаров А.К., 1984г.]. Этот фактор будет способствовать процессу выравнивания профиля вытеснения нефти водой.
Эффективность работ по вытеснению нефти водой и повышение нефтеотдачи будут происходить за счёт следующих факторов:
1. За счёт инициации ионообменных процессов с активным замещением катионов Na+ на Ca ++, снижения объёма диффузных слоёв рыхлосвязанной воды в ДЭС, увеличения подвижной воды в поровом пространстве коллектора.
2. Выравнивание фронта вытеснения за счёт образование более вязких по отношению к пластовой воде соединений - мылонафтов натрового состава и водонефтяной эмульсии при наличии в её глобулах кристаллов поваренной соли. Образование мылонафтов и дальнейшее их продвижение в глубь пласта происходит по схеме технологий выравнивания профилей приёмистости скважин с применением вязко – упругих гелеобразующих и осадкообразующих составов.
3. Увеличения гидравлического радиуса пор пласта – коллектора и за счёт этого улучшения фильтрационных свойств объекта воздействия и более полного вытеснения (доизвлечение нефти) нефти водой из гидрофильных коллекторов пониженной проницаемости.
Максимальный эффект в данной технологии достигается при «изоэлектрическом состоянии» потенциала , т.е. когда он будет равен нулю.
Исходя из этого положения и результатов анализа (табл. 1), рекомендуется в работах использовать 10% водный раствор хлорида кальция.
Работы проводятся по двум технологическим схемам:
I. Однородный низкокопроницаемый коллектор.
II. Неоднородный низкопроницаемый коллектор.

В практике работ для повышения продуктивности скважин применяются различные методы интенсификации, в т.ч. и повторные перфорации малодебитных объектов испытания.
В большинстве случаев, для подобных операций, применятся куммулятивная перфорация. Намного реже применяется гидропескоструйная перфорация в различных модификациях.
Анализ состояния работ по вторичному вскрытию пластов и повторной кумулятивной перфорации по месторождениям Западной Сибири (Кошильское, Ермаковское, Туль – Ёганское и др.) показал, что в подавляющем большинстве эта операция в поисково - разведочных скважинах выполняется в обсаженных скважинах, заполненных буровым раствором или технической водой.
Ранее была установлена зависимость продуктивности пластов от типа применяемых кумулятивных перфораторов [16]. Оказалось, что при прочих равных условиях, наиболее эффективными для вскрытия низкопроницаемых коллекторов являются бескорпусные перфораторы типа ПР – 43 (54).
С целью повышения эффективности повторных перфораций и продуктивности скважин разработана технология, позволяющая за счёт качества вскрытия низкопроницаемых объектов и одновременного воздействия на прискважинную зону пластов достичь желаемого результата Разработанная технология вторичного вскрытия продуктивных пластов, включает в себя закачку в пласт воздуха и последующую кумулятивную перфорацию объекта.
После закачки воздуха в пласт производится повторная кумулятивная перфорация ( перфораторы типа ПКС, ПСУЛ, Динамит Нобиль, ПР, МПЛАВ и др.) объекта испытания.
При повторной перфорации, в условиях заполнения порового пространства коллектора воздухом, в пласте происходят следующие процессы.
Известно, что воздух состоит из смеси газов и содержит 78.08% азота, 20,95% кислорода, углекислого и инертных газов.
При перфорации объекта (взрыве) создаются новые термобарические условия в прискважинной зоне пласта. Давление поднимается до 100 МПа, а температура достигает 1000 град.С.
Вся энергия взрыва и кумулятивная струя направлены в ранее перфорированную зону пласта. Находящийся в пласте воздух нагревается до температуры кумулятивной струи. При этом, за счёт изменения энтропии среды, согласно второму закону термодинамики, воздух из квазистатического состояния переходит в другое. Сообщаемая воздуху тепловая энергия взрыва изменяет и её энтальпию [2]. В связи с этим, происходит ионизация воздуха. Составляющие воздуха азот и водород, ввиду очень низких скоростей диссоциации, не претерпевают никаких изменений.
Высокая температура воздействует только на молекулы кислорода и окиси углерода. Степень ионизации воздуха будет низкой, ввиду того, что плотность ионизированных атомов будет меньше плотности нейтральных атомов [9.]. В этих условиях воздух не переходит в плазменное состояние, но будет находиться в ионизованном, «псевдоплазменном» состоянии. В результате ионизации и образующегося электрического поля атомы кислорода разлагаются с образованием молекул озона, который, в свою очередь, при столкновении с электронно-возбуждёнными атомами кислорода также
разлагается [5.]. В результате диссоциации молекулы окиси углерода также разлагаются с образованием атомов кислорода и углерода [5.].
При кумулятивной перфорации образуется высокоскоростная металлическая струя, растягивающаяся в полёте и пробивающая стоящие перед ней преграды.
Кумулятивная струя (с температурой 1000 град. С) будет двигаться в «псевдоплазменной» среде, как «твёрдое тело», не встречая сопротивлений. При этом, скорость струи будет значительно превышать скорость обычной кумулятивной Обеспечивается это тем, что кумулятивная струя движется по новому принципу движения (в кавитационном режиме) в ионизованном газовом пузыре, что в значительной мере снижает трение при её движении. Благодаря этому, при тех же технических параметрах зарядов перфораторов, длина струи значительно удлинится, т.е. длина пробитого канала значительно возрастёт. А этот фактор является основным при оценке эффективности перфорации [1]. Кроме того, за счёт формирующихся боковых давлений и инерционного движения среды, при движении струи, происходит расширение пробиваемых каналов [1]. Ввиду отсутствия сопротивления, расширение струи инициирует образование сети микротрещин вокруг перфорационных каналов, что приведёт к увеличению площади фильтровой поверхности.
Эти два фактора - физическое удлинение кумулятивной струи и увеличение площади фильтровой поверхности и обеспечивают высокую эффективность предлагаемого способа.
Процесс освоения скважины облегчается тем, что при определённой величине забойного давления воздух, находящийся в прискважинной зоне пласта, придёт в движение и будет способствовать выносу жидкости из пласта в ствол скважины. Этот фактор также является положительной чертой предлагаемого способа.
Для повышения продуктивности скважин используются различные методы воздействия, в т.ч. и вибрационные. Источниками колебаний, при этом, могут быть как поверхностные так и подземные устройства и технологии.
Примером могут послужить метод переменных давлений (МПД) и скважинные вибраторы, акустические излучатели и т.д.
Техническая сущность МПД заключается в создании знакопеременных колебаний в прискважинной зоне пласта (ПЗП), путем нагнетания технологической жидкости с последующим резким сбросом давления на устье скважины. Недостатком способа является его низкий коэффициент полезного действия при воздействии на коллекторы с понижениями фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС) [7].
Воздействие на прискважинную зону пластов скважинными вибрационными устройствами также отличается низкой эффективностью при обработке прискважинных зон низкопроницаемых коллекторов[11].
Ниже изложена новая технология по повышению эффективности работ при воздействии вибрационными методами на прискважинную зону пластов с пониженными фильтрационными свойствами.
Технологическим результатом проводимых работ является повышение продуктивности скважин.
Сущность способа воздействия заключается в предварительной обработке прискважинной зоны пластов кислотными растворами с последующим воздействием волновыми методами (вибрационные источники, акустические излучатели и т.д.).
Цель и технический результат операции достигаются за счёт прохождения следующих процессов в породах-коллекторах.
Полимиктовые породы-коллекторы нефтяных месторождений Западной Сибири сложены основными породообразующими минералами (кварц, полевые шпаты, обломки пород) и цементирущими их карбонатно-глинистым материалом. Цементирующий материал может быть, базальным, контактным, крустификационным или поровым (рис.1.). Последний тип цементации является преобладающим в породах коллекторах. Он может быть представлен как в виде корочек на обломках пород так и в виде плёнок, полностью облекающих обломочные зёрна. Вещественный состав цемента может быть весьма разнообразным. Например, в полимиктовых коллекторах нефтегазовых месторождений Западной Сибири, он представлен такими минералами как монтмориллонит, хлорит (рис. 1, а), каолинит (рис.1, б), гидрослюдистыми образованиями и т.д
Поэтому, когда проводят работы по вибровоздействию, то обработке подвергается не скелет породы, сложенный минералами кварца и полевыми шпатами, а облекающий их глинистый материал. А на скорость распространения упругих волн в горных породах большое влияние оказывает минералогический состав и распределение цементирующего материала.
Нефтенасыщенный пласт является сложной гетерогенной системой обладающий диссипативными свойствами. Как известно, амплитуда упругих колебаний затухает по экспоненциальному закону. В пористых средах интенсивность распространения упругой волны уменьшается вследствие рассеивания и поглощения её энергии облекающим зёрна кварца и полевых шпатов глинистым цементирующим материалом (рис. 1). В свою очередь, коэффициент поглощения зависит от упругих характеристик породы и частоты создаваемых колебаний [8]. В то же время, глинистые минералы, насыщенные обменным натрием, обладают большой пластичностью. Например, у минерала хлорита спайные чешуйки обладают гибкостью, но лишены упругости, что позволяет говорить о высокой поглощающей способности энергии волн глинистого цементирующего вещества (Ушатинский И.Н.,1978г.). Поэтому, практически, вся энергия создаваемая виброисточником, поглощается цементирущим материалом коллекторов (фиг.1,2). При этом, только какая-то ослабленная часть энергии упругой волны (15-20%) достигает поверхности основных породообразующих минералов-кварца и полевых шпатов [8]. В результате этого процесса резко уменьшается радиус обработки скважины и естественно снижается эффективность работ. Другими словами, энергия виброисточников расходуется вхолостую и технологический результат мероприятия не достигается. В связи с этим, конструкторы вынуждены идти по ложному пути - создания всё более мощных источников вибровоздействия на прискважинную зону пластов.
Для повышения эффективности работ предлагается перед виброобработкой провести соляно- или глинокислотную обработку пласта.
Проведёнными исследованиями была установлена степень растворимости цементирующего материала в кислотных растворах различных концентрациях и составах (Ягафаров А.К., 1975г.). Результаты исследований приведены в таблице 2.
После прохождения реакции растворения, поверхности породообразующих минералов освобождаются от покрывавшей их «шубы» цементирующего вещества или глинистых минералов заполняющих поровое пространство (рис.1). И только после этой операции следует приступать к воздействию на ПЗП вибрационными источниками (вибраторы различных конструкций, акустические излучатели, струйные насосы, многоцикловые клапанные устройства и т. д.).
В этом случае вся энергия вибрационного источника будет восприниматься плоскостью минералов. При этом, эффект поглощения по радиусу обработки практически исчезнет и в полную силу проявиться эффект отражения[8]:
Кот = Эп / Эо,
где Эп и Эо соответственно энергия падающей и отражённой волны.
За счёт проявления эффекта отражения происходит энергетическое возбуждение кристаллических решёток минералов (кварца и полевых шпатов), которое в свою очередь, зависит от уровня создаваемых напряжений. Связано это с особыми свойствами основного породообразующего минерала - кварца. Предпочтение при этом отдаётся низкочастотным аппаратам т.к. в этом случае будет сильнее проявляться эффект отражения. При создании циклических колебаний (давлений, нагрузок) на поверхности кристаллов возникают заряды (М.Л.Сургучёв, Ю.В.Желтов, Э.М.Симкин, 1984г.). Вместе с тем начинают проявляться «размерные эффекты» в кристаллах. В соответствии с теорий квантования приходят в движение имеющиеся линейные дефекты в кристаллах минералов - дислокации. Дислокации, обладая определённой энергией, при своём движении могут привести к возникновению электрического поля в породе с новой степенью поляризации. Движение дислокаций не сопровождается переносом массы, а происходит под действием скалывающих напряжений сдвига, при которых начинается упругопластическая деформация кристаллов [4]. Другими словами, кристаллы (минералы), откликаясь на прилагаемую энергию виброисточника, начнут совершать ритмические колебательные движения. Из-за особых свойств кварца, возникающие колебания будут иметь определённую стабильность, которые и обеспечивают эффективность проводимых работ. При этом, следует учесть, что удельный акустический импенданс (Z=VR) у кварца и полевых шпатов выше , чем у глинистых минералов. Из этого следует, что в естественном состоянии способность к отражению волн полимиктовых коллектора составляет 14.98 кг/м2с, а после кислотного воздействия она увеличивается 1,15раза[8].
Описанные выше микропроцессы в минеральном скелете породы, будут способствовать увеличению радиуса воздействия, т.к. скорость продольной волны, после кислотной обработки, у кварца повысится в 1,21 раза по сравнению со слюдистыми минералами, а у полевых шпатов, соответственно в 1,18 раза, что в конечном счёте и будет способствовать повышению эффективности работ и продуктивности скважин [8].
Преимуществом предлагаемого способа является увеличение радиуса обработки прискважинной зоны пласта за счёт воздействия на него виброциклическими источниками, приводящее к повышению продуктивности скважин.
Пример. На скважине Приобского месторождения при испытании пласта БС5 в интервале 2643-2690м. получен непереливающий приток безводной нефти с максимальным дебитом 3,2 м3/сут. После обработки ПЗП кислотным раствором и проведением циклического воздействия струйным аппаратом, дебит нефти составил 9,6 м3/сут.
Рассмотрим ещё одну технологию, основанную на эффектах квантовой механики, прявляющихся при повторной перфорации объекта испытания [11].
Горные породы, как и насыщающие их флюиды, обладают внутренним трением, проявляющимся при их движении, например, при деформации, связанной с техногенными температурными напряжениями. А такие напряжения возникают, как правило, при кумулятивной перфорации объекта. За счёт проявления температурных напряжений в массиве горных пород возникают механические напряжения вследствие неравномерного распределения температуры в различных частях перфорированного интервала и невозможности теплового расширения по всей его толщине. Всё это приводит к новым движениям дислокаций - проявлению размерных эффектов, вызывающих дополнительные изменения свойств горных пород в перфорационных каналах [7]. В таких условиях может изменяться и направление физико - химического взаимодействия пластовых флюидов с твёрдой поверхностью, например, степень растворимости горных пород в кислотных растворах. Кроме того, на процесс растворения горных пород большое влияние оказывает и энергетическая возбуждённость кристаллических решёток минералов, которая, в свою очередь, зависит от уровня создаваемых напряжений [3,4,6,10]. Созданные, новые условия оказывают влияние на реакционную способность пород (Бутягин П.Ю., Стрелецкий А.Н., 2003г.). Следовательно и процесс растворения должен идти интенсивнее, полнее именно на участках, где концентрируются соответствующие напряжения. Объясняется это тем, что все твёрдые тела (минералы) имеют активные центры, обладающие свободной избыточной энергией. Концентрация активных центров (увеличение свободной энергии) происходит только при резких изменениях существующих равновесных условий. Это также одно из характерных проявлений размерных эффектов. При повторной перфорации объекта ( после продавливания в него кислотного раствора) за счёт концентрации активных центров на зёрнах минералов, микротрещинах или инородных включениях реакция кислоты с горной породой (цементирующим веществом) произойдёт полнее. Кроме того, в процессе происходящих динамических деформаций минералов их адсорбционная активность возрастает, что также благотворно влияет на взаимодействие кислотных растворов с горными породами.
Кислотные обработки коллекторов разрушают существующую капиллярную систему горной породы и формируют новую, которая обладает свойствами, отличными от прежней. Например, может произойти изменение молекулярной природы поверхности коллектора за счёт проявления размерных эффектов. Она может оказаться более фильной по сравнению с прежней, что, в конечном счёте, также влияет на фазовую проницаемость по нефти. Этим и объясняется в некоторых случаях низкая эффективность кислотных обработок ПЗП.
Рассмотренный способ обработки прискважинной зоны пластов апробирован на десятках разведочных скважин месторождений Западной Сибири, где показал свою высокую эффективность [11].
Литература:
1. Григорян Н.Г.. Вскрытие нефтегазовых пластов стреляющими перфораторами. М., « Недра»,1982г.
2. Дмитриев. А.П.,. Гончаров С.А Термодинамические процессы в горных породах. М., «Недра», 1990г.
3. Здановский А.В. Галлургия. Л., Химия,
1972 г, 527 с.
4. Павлов П.В., Хохлов А.Ф Физика твёрдого тела. М.,Высшая школа, 1985г., 383с.
5. Поллак Л.С., Синряев Г.Б., Словецкий Д.М.. Химия плазмы. Новосибирск 1991г.
6. Таусон В.Л., Абрамович М.Г. Физико-химические превращения реальных кристаллов в минеральных системах. Новосибирск, Наука,
1988 г. с. 96-113
7. Федорцов В.К., Ягафаров А.К., Клевцур А.П. и др. Практические Указания по испытанию поисковых и разведочных скважин на нефть и газ. Тюмень, 1988г.
8. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. М., 1984г.
9. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М., 1987г.
10. Щукин Е.Д., Амелина Е.А., Берцев А.В. Коллоидная химия. М., Изд. МГУ,
1982 г, 352 с.
11. Ягафаров А.К., Курамшин Р.М., Демичев С.С. Интенсификация притоков нефти из скважин на месторождениях Западной Сибири. Тюмень, Изд. «Слово», 2000г, 223 с.
Вступить в Ассоциацию! Члены Ассоциации
Все права защищены
© АсБур 2005-2015