Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований воздействия электромагнитного поля на продуктивные пласты и разработка массивных нефтяных залежей 9
1.1. Физика взаимодействия электромагнитного поля с веществом 9
1.2. Теоретические и экспериментальные исследования воздействия электромагнитного поля на материалы нефтяной технологии 12
1.3. Анализ опытно-промысловых работ 15
1.4. Исследования воздействия электромагнитного поля на продуктивные пласты за рубежом 16
1.5. Массивные нефтяные залежи 21
1.6. Применение многозабойных и горизонтальных скважин 22
1.7. Исследования воздействия электромагнитного поля на продуктивные пласты посредством горизонтальных скважин 29
1.8. Фильтрация вязко-пластичных жидкостей 31
2. Математическое моделирование разработки массив ных нефтяных залежей воздействием электромагнитного поля 33
2.1. Распределение напряженности ЭМ поля и тепловых источников
в случае разработки пласта большой толщины вертикальной скважиной 33
2.2. Тепломассоперенос в системе скважина - пласт при высокочастотном электромагнитном воздействии 44
2.3. Сопоставление полученных результатов расчетов с опытно-промысловыми данными по ВЧ ЭМ нагреву пласта 54
3. Математическое моделирование разработки нефтяного пласта горизонтальной скважиной при электромагнитном воздействии 58
3.1. Распределение напряженности ЭМ поля и тепловых источников в пласте 58
3.2. Добыча нефти в начальный период разработки месторождения 61
3.2.1. Постановка задачи 63
3.2.2. Анализ результатов расчетов 65
3.2.3. Расчет энергетического баланса 71
3.3. Моделирование добычи нефти в случае стабилизировавшегося пластового давления 75
3.3.1. Постановка задачи 75
3.3.2. Результаты расчетов и их анализ 76
3.3.3. Расчет энергетической эффективности ЭМ обработки пласта 83
4. Расчетные исследования процесса воздействия электромагнитного излучения на призабоиную зону горизонтальных скважин с учетом реологических свойств нефти 90
4.1. Математическая постановка задачи 90
4.2. Граничные условия 92
4.3. Анализ результатов расчетных исследований 94
Основные результаты и выводы 125
Литература 127
- Теоретические и экспериментальные исследования воздействия электромагнитного поля на материалы нефтяной технологии
- Тепломассоперенос в системе скважина - пласт при высокочастотном электромагнитном воздействии
- Добыча нефти в начальный период разработки месторождения
- Анализ результатов расчетных исследований
Введение к работе
Россия занимает одну из лидирующих позиций по разведанным запасам углеводородного сырья. Вместе с тем следует отметить постоянное ухудшение структуры этих запасов: большинство их классифицируется в настоящее время как трудноизвлекаемые и приурочены к залежам, характеризующимся сложным геологическим строением, низкой проницаемостью, высокой вязкостью нефти, нефтью со сложной реологией. Эффективная разработка таких объектов не может быть обеспечена традиционными технологиями эксплуатации скважин и требует массированного применения новых методов нефтедобычи, способных обеспечить повышенную производительность скважин, интенсивные темпы отбора и высокую конечную нефтеотдачу при приемлемой рентабельности производства.
Все известные на сегодняшний день методы интенсификации добычи реализуют один из следующих механизмов: увеличение рабочего перепада давления; снижение фильтрационного сопротивления; понижение вязкости флюида.
Повышение перепада давления, очевидно, - наиболее простой и дешевый способ интенсификации нефтедобычи. В то же время его применение ограничивается физическими возможностями существующего нефтепромыслового и внутрискважинного оборудования, да и резервы по перепаду давления на практике, как правило, невелики.
Заводнение - основной способ повышения пластового давления - как правило, не достаточно эффективен в массивных нефтяных залежах. Во-первых, из-за низкой приемистости, во-вторых, невозможностью использования подошвенной воды при наличии зоны окисленной нефти, доходящей иногда до нескольких десятков метров.
Методы, снижающие фильтрационное сопротивление течению флюидов, более трудоемки, но и значительно более результативны. При этом, если такие технологии, как например, гидравлический разрыв пласта и физико-химические методы обработки воздействуют, в основном, лишь на призабой-ную зону пласта, уменьшая ее фильтрационное сопротивление, то применение горизонтальных скважин позволяет не только значительно снизить фильтрационное сопротивление в призабойной зоне, но и целенаправленно влиять на направления течения жидкостей в удаленном межскважинном пространстве пласта, увеличивая скорости фильтрации флюидов и минимизируя долю слабо дренируемых зон в общем поровом объеме пласта.
К методам понижения вязкости флюида относятся методы физико-химического воздействия - это методы теплового воздействия, закачка растворителей и поверхностно-активных веществ. Методами теплового воздействия являются закачка теплоносителя, внутрипластовое горение, электропрогрев, а также метод воздействия на призабойную зону пласта высокочастотным (ВЧ) электромагнитным (ЭМ) полем. Метод воздействия ВЧ ЭМ полем обладает рядом преимуществ, которые исключают ограничения по использованию других методов теплового воздействия, такие как ограничения по проницаемости, вязкости нефти, пластовому давлению. При ВЧ ЭМ воздействии на массивную нефтяную залежь посредством вертикальной или горизонтальной скважины, нагревом может быть охвачен большой объем пласта.
Значимость этих исследований связана со специфическими свойствами поведения сред в ЭМ поле. Прежде всего, следует выделить такой эффект, как нагрев среды, происходящий за счет перехода энергии ЭМ излучения во внутреннюю энергию среды в процессе ее поляризации. Можно выделить такие достоинства нагрева в ЭМ поле по сравнению с другими типами теплового воздействия, как высокая скорость и объемный характер нагрева, возможность регулирования воздействия во времени и в пространстве. Поэтому воздействие ЭМ волнами ВЧ диапазона находит применение во многих технологических процессах. При распространении ЭМ волн в поглощающих диэлек- трических, в частности, насыщенных пористых средах, существенно увеличивается подвижность флюида за счет снижения вязкости при нагреве. Вследствие этого происходит увеличение дебита скважин.
В работе рассматриваются процессы тепло - и массопереноса при воздействии ВЧ ЭМ поля на массивные нефтяные залежи посредством вертикальных и горизонтальных скважин. При этом учитывается снижение вязкости флюида в процессе нагрева. Исследованы процессы нагрева фильтрующихся вязкопластичных сред.
Цель работы. Теоретические исследование особенностей процессов тепло- и массопереноса в массивных нефтяных залежах при нагреве их электромагнитным излучением. Задачи исследования. анализ состояния методов теплового воздействия на залежи высоковязких нефтей и природных битумов; постановка и решение электродинамической задачи распределения тепловых источников в массивной залежи, вскрытой посредством вертикальной и горизонтальной скважин; изучение процесса фильтрации высоковязких флюидов в поле ЭМ излучения в системе «вертикальная скважина - пласт»; изучение процесса фильтрации высоковязких и вязкопластичных флюидов в поле ЭМ излучения, вводимого в пласт посредством горизонтальной скважины.
Научная новизна. Получены выражения распределения напряженности ЭМ поля и тепловых источников в массивных нефтяных пластах, возникающих в них при излучении ЭМ волн посредством вертикальных (большой длины) и горизонтальных скважин.
На основе решения электродинамической задачи сформулирована математическая модель процесса воздействия ЭМ поля на нефтяной пласт большой толщины с одновременным отбором нефти посредством вертикальной и горизонтальной скважин. Предложены численные решения рассматриваемых задач в двумерной постановке.
Поставлена и численно решена двумерная задача о воздействии ЭМ поля на нефтяной пласт с неньютоновской нефтью посредством горизонтальной скважины. Определена динамика движения границы зоны фильтрации нефти с различными значениями начального градиента сдвига.
Научная и практическая ценность. Научная и практическая значимость работы заключается в развитии теории электротермогидродинамиче-ских процессов в пористой среде при ВЧ ЭМ воздействии. Результаты исследований могут быть использованы для анализа и прогнозирования показателей разработки массивных нефтяных залежей высоковязких нефтей и природных битумов, определения оптимальных режимов технологических процессов при воздействии на залежи, содержащие вязкие и вязко-пластичные нефти, посредством вертикальной или горизонтальной скважин. Основные защищаемые положения.
Выражения распределения напряженности ЭМ поля и тепловых источников в массивных нефтяных пластах, возникающих в них при излучении ЭМ волн посредством вертикальных и горизонтальных скважин.
Результаты численных исследований процессов фильтрации высоковязких флюидов в поле ЭМ излучения в призабойной зоне вертикальной и горизонтальной скважины.
Результаты численных исследований процессов фильтрации вязкопла-стичных флюидов в поле ЭМ излучения в призабойной зоне горизонтальной скважины.
Объем и структура диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.
В первой главе рассматривается физика взаимодействия ЭМ поля с веществом, проводится обзор исследований воздействия ЭМ поля на продуктивные пласты в России и за рубежом, обзор работ по разработке массивных нефтяных залежей и по использованию горизонтальных скважин при разработке нефтяных месторождений, по фильтрации вязко-пластичных жидкостей.
Вторая глава посвящена математическому моделированию разработки массивных нефтяных залежей воздействием ЭМ поля, вводимого в пласт посредством вертикальной скважины. Получены выражения распределения напряженности ЭМ поля и тепловых источников в залежи, разрабатываемой вертикальной скважиной. Поставлена и численно решена двумерная задача о воздействии ЭМ поля на нефтяной пласт и одновременный отбор нефти из него. Определена динамика изменения дебита скважины в результате ВЧ ЭМ воздействия на нефтяной пласт при различной влажности окружающих пласт и скважину пород.
В третьей главе рассматриваются процессы тепло- и массопереноса в пласте большой толщины, в который излучаются ЭМ волны посредством горизонтальной скважины. Получены выражения распределения напряженности ЭМ поля и тепловых источников в залежи, разрабатываемой горизонтальной скважиной. Рассмотрены различные режимы работы скважины: одновременный с ВЧ нагревом отбор нефти из пласта и продолжающийся отбор нефти после прекращения ВЧ нагрева с различными вариантами длительности обоих этих процессов. По результатам расчетов выявлен оптимальный режим работы скважины при заданных исходных данных.
В четвертой главе поставлена и численно решена двумерная задача о воздействии ЭМ поля на нефтяной пласт, насыщенный неньютоновской нефтью, с одновременным отбором нефти посредством горизонтальной скважины. Граница раздела между зонами фильтрации и застоя определяется условием превышения градиента давления над начальным градиентом сдвига нефти. Определены динамика движения границы зоны фильтрации нефти и изменения дебита скважины с течением времени при ВЧ ЭМ воздействии и без него с различными значениями начального градиента сдвига нефти.
Теоретические и экспериментальные исследования воздействия электромагнитного поля на материалы нефтяной технологии
Нагреву продуктивных пород пластов ВЧ ЭМ полем посвящено множество работ. Вначале это были работы, обосновывающие возможность применения ВЧ ЭМ поля для нагрева нефтяных пластов [11 - 13] и извлечения высоковязких нефтей и битумов [14 - 16]. Были проведены экспериментальные исследования по определению диэлектрических свойств продуктивных пластов и материалов нефтяной технологии в переменных ВЧ ЭМ полях [17 -25].
Опубликовано множество работ, в которых предлагаются различные способы и технологии разработки углеводородных залежей воздействием на них ЭМ полем. Есть работы, в которых предлагается комбинированное воздействие на углеводородный пласт. Так, в работе [26] предусматриваются две стадии воздействия на битумный пласт. Вначале производится ВЧ излучение ЭМ волн с частотой до 20 МГц, затем прогрев токами высокой частоты. В работе [27] предлагается одновременная закачка окислителя в пласт и воздействие на него ВЧ ЭМ поля. Таким образом, создается внутрипласто-вый движущийся очаг горения. Представляет также интерес комбинированное воздействие на нефтяной пласт ВЧ ЭМ излучением с одновременной закачкой в пласт смешивающегося агента. Как показали экспериментальные и расчетные работы, такое комбинированное воздействие в случае высоковязких нефтей дает наилучшие результаты по сравнению с другими методами [28]. В работах [29, 30] предлагается одновременное воздействие на нефтяной пласт ЭМ и акустическим полями, т.к. акустическое поле увеличивает эффективную теплопроводность пород пласта и за счет этого реализуется более равномерный нагрев пласта. Есть работы, в которых предлагается использовать ВЧ ЭМ поле для ликвидации пробок из твердых отложений в трубопроводах и скважинах [31 - 35].
Первые расчеты основных технологических показателей процесса ВЧ ЭМ разогрева призабойной зоны нефтяной скважины были произведены для простейшего сферического изотропного излучателя [36]. Задача решалась в адиабатическом приближении. В работе [37] расчеты проводятся для цилиндрического радиального излучателя. Уравнение теплопроводности приводится к безразмерному виду и проводится расчет основных технологических показателей и экономической эффективности ЭМ обработки призабойной зоны пласта.
Далее появились работы, в которых проводятся исследования воздействия ЭМ поля на продуктивный пласт с учетом фазовых переходов насыщающей фазы. В работе [38] такая задача решается в адиабатическом приближении. Делается вывод, что фазовый переход происходит не на поверхности бесконечно малой толщины, как в классической задаче Стефана, а в объеме. В работе [39] численно решается такая же задача, как в работе [38], но с учетом переноса тепла теплопроводностью и конвекцией и потерь тепла в окружающие пласт породы. Считается, что фазовый переход происходит на поверхности бесконечно малой толщины.
В работе [40] строится общая теория фильтрации жидкости в пористой среде при объемном нагреве ВЧ ЭМ полем. Изучаются различные типы стационарных или предельных решений. В работе [41] изучена возможность существования автомодельного решения при различных пространственных симметриях. Показано существование автомодельного решения для осесим-метричного случая, при зависящей от времени частоты излучения волн. В работе [42] исследуются процессы разогрева многофазной среды объемными источниками тепла и процессы, которые сопровождают этот разогрев: фазовые переходы и движение границы раздела фаз, фильтрационное движение в насыщенной пористой среде, возникающее или усиливающееся из-за уменьшения вязкости и теплового расширения жидкой фазы, а также обратное влияние разогрева на поглощение ЭМ излучения, связанное с изменением диэлектрических параметров среды. Численное моделирование ВЧ ЭМ нагрева нефтяного пласта и диэлектрической пробки, заполняющей трубу проводится в работах [43 - 46].
Экспериментальное исследование воздействия ЭМ поля на процессы тепло- и массопереноса проводится в работе [47]. Получены численные значения коэффициентов диффузии при тепловом и ЭМ воздействии. Влияние ВЧ ЭМ поля на перекрестные эффекты переноса в многокомпонентных системах изучается в работе [48]. За счет сопоставления результатов экспериментов в работе [47] и математического моделирования процесса нагрева среды ЭМ полем, в работе [48] определяются параметр термодиффузии и параметр термодиффузии ЭМ происхождения. Эти параметры используются затем в работе [49] для проведения расчетных исследований фильтрации многокомпонентной системы в ЭМ поле с учетом перекрестных эффектов.
Исследование особенностей термоупругих и фильтрационных процессов при ЭМ нагреве сред проводится в работе [53]. Оно включает в себя исследование динамики термоупругих напряжений, возникающих при нагреве однородных и дисперсных сред ЭМ излучением и изучение особенностей процесса фильтрации высоковязких флюидов в поле ЭМ излучения с учетом изменения плотности, вязкости и предельного напряжения сдвига флюида от температуры, цикличности воздействия ЭМ излучением и изменения показателя поглощения излучения в процессе нагрева.
Тепломассоперенос в системе скважина - пласт при высокочастотном электромагнитном воздействии
В систему уравнений, описывающих тепломассоперенос, входит двухмерное уравнение теплопроводности в пласте и одномерное - в скважине. Для удобства проведения вычислений начало цилиндрической системы координат на 1 м от конца НКТ смещено к подошве пласта.
Здесь Tb - текущая температура; аъ, Сь - коэффициенты температуропроводности и объемной теплоемкости насыщенной пористой среды; Q(z,t)-расход отбираемой нефти на участке пласта Az\ р/, с/- соответственно плотность и удельная теплоемкость нефти.
ЭМ волны, распространяясь в межтрубном пространстве скважины как в коаксиальной линии передачи, неизбежно теряют часть своей энергии из-за конечной электропроводности труб. Это происходит в очень тонком скин-слое последних, но вследствие малости радиуса труб предполагается, что происходит быстрое выравнивание температуры по сечению скважины. Поэтому для упрощения расчетов принимается, что выделяемое в скин-слое тепло равномерно распределяется вдоль радиуса скважины. Это, а также большая длина труб скважины относительно их радиуса позволяет решать одномерную задачу процесса переноса тепла в скважине, сводящуюся к уравнению теплопроводности с конвективным членом и тепловыми источниками. Учитываются потери тепла в окружающие скважину породы по закону Ньютона. где R5 - внутренний радиус HKT; aw, Cw - усредненные по объему температуропроводность и объемная теплоемкость скважины; То - температура окружающих скважину и пласт пород и начальная температура; - коэффициент теплоотдачи через боковую поверхность внешней трубы в окружающую среду; Nu=l, 4 и 10 - числа Нуссельта, характерные для трубы, соответственно в сухом, увлажненном и водонасыщенном грунте [79]; R3, R4 - внешние радиусы НКТ и обсадной колонны; Яа - теплопроводность воздуха; KW - коэффициент теплообмена скважины с окружающими породами.
Здесь Хм - теплопроводность металла труб скважины; См=см-рм - объемная теплоемкость металла труб скважины; см и рм - удельная теплоемкость и плотность металла труб скважины; C/=c/Pf- объемная теплоемкость нефти; Re - внутренний радиус обсадной колонны.
При распространении ЭМ волн в межтрубном пространстве скважины, вследствие конечной электропроводности стенок труб, ЭМ энергия преобразуется в тепловую энергию. ЭМ энергия теряется в очень тонком скин-слое, но из-за большой теплопроводности металла и не большой толщины стенок труб, тепло очень быстро выравнивается по толщине. ЭМ теряется и в НКТ, и обсадной колонне. Каждая из этих труб имеет свой коэффициент затухания ЭМ волн. В стенке каждой из этих труб возникают свои "тепловые источники". В расчетах принималось равномерное распределение "тепловых источников" по толщине каждой из труб. Из-за прямого контакта внешней трубы скважины (обсадной колонны) с окружающими породами полагалось, что все тепло, выделяемое в ней, полностью теряется. Во внимание принималось только тепло, выделяемое во внутренней трубе (НКТ). Но это тепло усреднялось по всему сечению скважины. С учетом этого получено следующее выражение для "тепловых источников" вдоль оси скважины: где Ng — мощность генератора ЭМ волн, расположенного на устье скважины; а,, - коэффициент затухания ЭМ волн в скважине; сс1, а2 - коэффициенты затухания ЭМ волн в НКТ и обсадной колонне соответственно, Ь.2 - h + Н; h - толщина пласта; Н- глубина залегания продуктивного пласта.
Расход добываемой нефти Q(z) на участке пласта Az и общий текущий дебит добываемого флюида Qf определяются из выражений [59]:
Вязкость нефти при различных температурах измерялась в лабораторных условиях. По результатам измерений, для проведения расчетных исследований, зависимость вязкости нефти от температуры аппроксимирована в виде экспоненты: М/(Т) = Мо.ехр(-у(Т-Т0)). Краевые условия. Принимается, что по всей скважине, в окружающей ее породе и в пласте в начальный момент времени одинаковая температура: Tb(r,z,0) = T0, Tw(z,0) = T0.
Пространственные распределения температуры в пласте в моменты времени t=l сутки и 10 суток показаны на рис. 2.7 и 2.8. /Для удобства изображения призабойной зоны пласта, масштаб расстояний по координате г увеличен в 10 раз. Как видно из рисунков, ЭМ поле охватывает своим воздействием пласт по всей его толщине, но наблюдается неравномерность прогрева пласта вблизи точки соединения плеч вибратора (конец обсадной колонны). Наибольшая неравномерность распределения температуры наблюдается вблизи выступающей из обсадной колонны части НКТ, так как на ней возбуждается стоячая волна электрического тока. Вдоль обсадной колонны (длинное плеча вибратора) наблюдается медленный спад температуры, что позволяет достаточно равномерно прогревать весь пласт по толщине.
Добыча нефти в начальный период разработки месторождения
Расчеты проводились методом конечных разностей по неявной схеме. Были использованы следующие исходные параметры: No=20 кВт; /=13,56 МГц; Р0=10 МПа; Рь=9 МПа; Г0=150С; ab=S,9blO 7 м2/с; ,=2969 кДж/м3-К; 9=2024 Дж/кг-К; р/=894 кг/м3; /4,=0,2 Па-с; =0,042 К1; г0=0,04 м; т=0,3; =0,5-10-12 м2; ==7,5; tgS=0,05; «=0,0194 м"1; yS=0,778 м-1; Pj=W9 Па1; ДрІО 10 Па1.
Были приняты следующие режимы работы: 10, 15 и 25 суток ВЧ ЭМ воздействия на пласт с одновременным отбором нефти, затем отбор нефти без ВЧ воздействия на пласт. При этом определялись: динамика изменения температуры на забое скважины; распределения давления и температуры в пласте; динамика накопленной добычи нефти в течение всего периода ее отбора. Для сравнения при тех же начальных параметрах среды проводился расчет базового варианта - отбор нефти из пласта без ВЧ воздействия.
На рис. 3.4 показана динамика изменения температуры на забое скважины при различных временах обработки. Результаты расчетов показали, что температура на забое скважины повышается с 15 С до 50 С при 10-суточном нагреве, до 54 С - при 15-суточном, до 60 С - при 25-суточном (рис. 3.4). Быстрое уменьшение температуры на забое скважины после отключения ВЧ генератора объясняется "отбором" тепла из пласта вместе с добываемым флюидом. Чем больше расход добываемой нефти, и, следовательно, тем быстрее к скважине подходит холодная нефть из непрогретой части пласта, тем быстрее уменьшается температура на забое скважины как в процессе, так и после прекращения его нагрева.
Однако, после прекращения ВЧ воздействия температура уменьшается до первоначальной в течение довольно продолжительного промежутка времени - при выбранных исходных параметрах до 50 суток, что способствует дополнительной добыче нефти даже после прекращения ВЧ воздействия. без нагрева.
На рис. 3.5 и 3.6 приведены кривые распределения давления и температуры в пласте через 5 суток после начала воздействия. Для удобства изображения призабойной зоны пласта на рис. 3.5 масштаб расстояний по координате z уменьшен в 10 раз, а на рис. 3.6 масштаб по координате г к тому же увеличен в 10 раз.
Динамика изменения дебита скважины при 10-суточном электромагнитном воздействии на пласт с последующим отбором нефти без электромагнитного нагрева и в базовом варианте приведена в Табл. 3.1. Замедление темпа добычи флюида с течением времени объясняется падением давления в пласте по мере отбора нефти, т.е. уменьшением пластовой энергии. Вследствие этого уменьшаются градиенты давления в пласте и соответственно расход добываемой нефти. ВЧ нагрев не восполняет потерю пластового давления. Поэтому дебит скважины уменьшается и во время ЭМ воздействия на пласт, но более медленно.
В табл. 3.2 и 3.3 приведены динамика изменения дебита скважины и накопленной добычи нефти при 15 и 25-суточном электромагнитном воздействии на пласт с последующим отбором нефти без нагрева и в базовом варианте. Как видно из приведенных таблиц, более длительный ВЧ нагрев позволяет больше отобрать нефти из пласта при одном и том же общем времени ВЧ ЭМ воздействие плюс последующая добыча нефти без нагрева. В момент времени 50 суток дебит скважины оказывается больше у варианта с более длительным ВЧ нагревом, но и затраты ЭМ энергии, конечно, при более продолжительном нагреве больше.
Основной вопрос при внедрении ЭМ воздействия состоит в оценке эффективности и рентабельности метода с точки зрения энергетического баланса. Ниже приведена методика расчета энергетического баланса технологии электромагнитной обработки горизонтальной скважины промышленной ВЧ ЭМ установкой типа ВЧГЗ-60/13, которая имеет следующие технические данные: выходная мощность 60 кВт, рабочая частота/=13,56 МГц, к.п.д. генератора 77г=0,67. Линией передачи ЭМ энергии от устья скважины к забою служит коаксиальная система из 3" насосно-компрессорной трубы (НКТ) и 5" обсадной колонной, выполненных из стали. К.п.д. линии передачи г\л в этом случае согласно вышеприведенным данным равен: л N, 42 Следует также учесть потери энергии в линии электропередачи от тепловой электростанции, где условно будет использована добытая нефть, до месторасположения ВЧ электромагнитного генератора. К.п.д. линии электропередачи 77лэп=0,563.
В рассмотренных примерах ЭМ обработки одной скважины в течение /0б определялся объем дополнительно добытой нефти Q„. Затем по известной плотности нефти рн и нефтенасыщенности пласта SH вычислялась масса дополнительно добытой нефти М - QnSaPa и по известной теплотворной спо-собности нефти G=4,61-10 Дж/кг определялась условная дополнительно получаемая энергия: WJI = M-G.
Оценка энергетического баланса осуществляется в виде коэффициента Кэм, равного отношению получаемой в результате дополнительно добытой нефти и потребленной из-за работы ВЧ электромагнитного генератора энергии. Первоначально определяется общая потребляемая мощность N„ с учетом КПД генератора 7]г, линии передачи ЭМ энергии от генератора к забою скважины 77л, линии электропередачи г}юп, а также КПД тепловой электростанции т]э =0,35. Вводятся, кроме того, неучтенные тепловые потери ЭМ энергии в скважине, связанные с окислением и загрязнением поверхности НКТ, и обводненностью продукции 7т = 0,75.
Анализ результатов расчетных исследований
Проведенный расчетный анализ показал, что электромагнитная обработка ПЗП горизонтальной скважины является энергетически выгодной. Оп тимальной является электромагнитная обработка пласта генератором с выходной колебательной мощностью 63 кВт и частотой 13,56 МГц в течение 10 суток.
Выводы к разделу 3
1. Получены выражения распределения напряженности ЭМ поля и тепловых источников в случае воздействия на пласт посредством горизонтальной скважины. При выводе полагалось, что ВЧ ЭМ энергия в пласт вводится с помощью коаксиальной системы труб скважины: НКТ и обсадной колонны. В случае пласта большой толщины излучатель ЭМ волн представляет собой симметричный вибратор. Плечами симметричного вибратора являются выступающая часть НКТ и внешняя поверхность обсадной колонны.
2. Поставлены и численно решены пространственные задачи о воздействии ЭМ поля на нефтяной пласт большой толщины посредством горизонтальной скважины при разных режимах разработки месторождения. Рассмотрены различные случаи работы скважины: одновременный с ВЧ нагревом отбор нефти из пласта и продолжающийся отбор нефти после прекращения ВЧ нагрева, различные длительности ВЧ нагрева и продолжающегося отбора нефти после прекращения ВЧ нагрева, различные мощности излучателя ЭМ волн. Вычислен оптимальный режим работы скважины.
3. Определены динамика изменения дебита скважины и динамика накопленной добычи нефти в течение всего периода ее отбора. Для сравнения при тех же начальных параметрах среды проводился расчет базового варианта - отбор нефти из пласта без ВЧ воздействия.
4. Произведена оценка эффективности и рентабельности метода с точки зрения энергетического баланса. Оценка осуществляется в виде коэффициента Кэм, равного отношению получаемой в результате дополнительно добытой нефти и потребленной из-за работы ВЧ генератора энергии. ЭМ обработка ПЗП горизонтальных скважин в пластах высоковязких нефтей является весьма эффективной. Коэффициент энергетического баланса в этом случае в среднем составляет 10:1, тогда для вертикальных скважин он равен примерно 6:1. Энергетически целесообразнее длительное время нагревать пласт излучателем ЭМ волн небольшой мощности.
Полагается, что излучающая горизонтальная часть скважины совпадает с серединой пласта по горизонтали и вертикали, имеет координаты 2г и Z5. Продуктивный пласт представляет собой горизонтальный цилиндр радиуса гт и длиной L. Пласт простирается от точки с координатой Z/ до точки Z$ (для удобства проведения вычислений начало цилиндрической системы координат смещено к левому краю пласта).
Математическая модель задачи состоит из системы двух уравнений -пьезопроводности и теплопроводности. Предполагается, что одновременно с ЭМ воздействием на пласт производится отбор нефти за счет того, что на забое скважины (по всей длине горизонтальной части скважины, расположенной в середине пласта) создается пониженное, по сравнению с первоначальным пластовым, давление Рь. Перепад давления и понижение вязкости нефти вследствие ВЧ нагрева приводит к фильтрации нефти к забою скважины и отбору ее на поверхность земли. Предполагается также, что нефть представляет собой вязко-пластичную жидкость, т.е. с начальным градиентом сдвига. В таком случае уравнение фильтрации имеет вид обобщенного закона Дарси:
В силу того, что жидкость обладает градиентом сдвига, в пласте образуются две зоны: зона фильтрации и застойная зона. Граница между ними перемещается со временем от скважины к границе пласта. Предполагается, что зона отсутствия фильтрации представляет собой невозмущенную область, в которой давление остается первоначальным. На границе между зонами соблюдаются граничные условия [92]:
Расчет дебита неньютоновской нефти, притекающей к скважине. Дебит добываемой нефти Q(z) на участках пласта Az можно определить исходя из обобщенного закона Дарси для радиальной составляющей скорости фильтрации (выражение (4.1)). Для этого следует проинтегрировать выражение (4.1) по всему объему подвижной нефти:
