Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние термогидродинамических исследований в области разработки газоконденсатных месторождений 14
1.1. Исследования фазового поведения многокомпонентных углеводородных систем 14
1.1.1. Изучение закономерностей фазового поведения углеводородных смесей и особенностей процессов ретроградной конденсации и испарения 15
1.1.2. Взаимодействие углеводородных систем с различными углеводородными и неуглеводородными агентами при многоконтактном их смешении 18
1.1.3. Методы расчета парожидкостного равновесия природных многокомпонентных углеводородных смесей 20
1.1.4. Описание псевдокомпонентами фракций высококипящих углеводородов газоконденсатных смесей 22
1.1.5. Термогравитационное распределение углеводородов в газоконденсатных пластах значительной толщины. Изменение компонентного состава по толшине пласта 23
1.2. Исследования фильтрации многокомпонентных смесей при воздействии на
газоконденсатные залежи 26
1.2.1. Математическое моделирование фильтрации многокомпонентных смесей в пористых и трещиновато-пористых коллекторах 27
1.2.2. Особенности фильтрации газоконденсатных смесей в условиях понижающегося давления. Накопление ретроградного конденсата в призабойной зоне скважин 28
1.2.3. Смешивающееся вытеснение газоконденсатных смесей углеводородными и неуглеводородными агентами 30
1.2.4. Многофазная фильтрация газоконденсатных смесей и воды 34
1.3. Выводы и постановка задач исследования 36
2. Моделирование фазового поведения многокомпонентных газоконденсатных смесей при воздействии на пласт углеводородными агентами 38
2.1. Основы методики расчета параметров фазового состояния углеводородных смесей 39
2.1.1. Система уравнений для исследования термодинамических процессов 39
2.1.2. Моделирование состава природных углеводородных смесей 46
2.1.3. Результаты математического и физического моделирования углеводородных систем, обогащенных компонентами Сг -С4 49
2.2. Изучение закономерностей взаимодействия пластовой системы с агентами воздействия 55
2.2.1. Особенности построения тройных диаграмм для газоконденсатных систем 57
2.2.2. Изучение массообменных процессов при многоконтактной конденсации 68
2.2.3. Влияние содержания промежуточных углеводородов на фазовое распределение компонентов в газоконденсатной системе 82
2.3. Особенности процесса испарения жидких углеводородов в пористой среде 97
2.3.1. Физическое и математическое моделирование процесса 101
2.3.2. Сравнительный анализ результатов моделирования влияния пористой среды на процесс испарения 109
2.3.3. Влияние начальной насыщенности углеводородной жидкой фазы на равновесный состав фаз 112
2.4. Изучение влияния пластового давления и глубины залегания на состав пластового газа 124
2.5. Выводы 140
3. Гидродинамические исследования активных методов разработки газоконденсатных залежей 143
3.1. Математическое моделирование многокомпонентной двухфазной фильтрации 143
3.1.1. Система уравнений фильтрации с учетом фазовых превращений 143
3.1.2. Фазовые проницаемости при фильтрации взаиморастворимых систем. Адаптация композиционной модели фильтрации к условиям одномерной физической модели 152
3.2. Исследование трехфазного течения в пласте 166
3.2.1. Численная модель трехфазной фильтрации при водогазовом воздействии на газоконденсатный пласт 166
3.2.2. Расчет распределения "меченого" компонента при многофазном моделировании 173
3.2.3. Анализ механизма водогазового воздействия на выпавший в пласте конденсат 175
3.3. Моделирование нагнетания легких углеводородных растворителей
в пласт 180
3.3.1. Экспериментальное и аналитическое исследование частичного сайклинг-процесса 180
3.3.2. Исследование частичного поддержания пластового давления закачкой в пласт газа, обогащенного промежуточными компонентами 188
3.3.3. Исследование возможностей доразработки газоконденсатного месторождения с закачкой сухого газа в пласт 207
3.4. Изучение охвата залежи по мощности пласта процессом вытеснения 217
3.5. Выводы 233
4. Выбор метода воздействия на пласт при ограниченных геолого-промысловых данных по залежи 236
4.1. Основные требования к подготовке минимально-необходимых исходных данных для восстановления истории разработки нефтегазоконденсатной залежи 236
4.2. Принципы применения комплекса взаимосогласованных математических и физических моделей для восстановления исходной информации 239
4.3. Восстановление начального состава пластовой жидкой фазы 241
4.4. Определение начального состава газоконденсатной смеси и восстановление ретроспективы разработки залежи по данным подготовки газа к транспорту .254
4.5. Выводы 274
5. Термогидродинамика призабойной зоны газоконденсатной скважины. изменение продуктивност и скважин 276
5.1. Особенности моделирования многокомпонентного течения углеводородов в
призабойной зоне газоконденсатной скважины 276
5.2. Накопление ретроградного конденсата в призабойной зоне скважин.
Изменение продуктивности скважин вследствие накопления конденсата 278
5.2.1. Процесс "динамической" конденсации 278
5.2.2. Влияние фильтрационных свойств пластов на течение газоконденсатных смесей 284
5.2.3. Влияние термобарических параметров пласта и начального состава газоконденсатных смесей на накопление конденсата 300
5.3. Повышение продуктивности газоконденсатных скважин 309
5.3.1. Обработка призабойных зон скважин сухим газом 310
5.3.2. Обработка призабойных зон скважин жидкими углеводородными растворителями 330
5.3.3. Промысловый опыт повышения продуктивности газоконденсатных скважин путем обработки их призабойных зон сухим газом 339
5.4. Выводы 348
6. Повышение углеводородоотдачи пласта при маштабном воздействии на пласт вуктыльского месторождения 350
6.1. Краткая характеристика Вуктыльского месторождения 351
6.2. Результаты опытно-промышленной закачки сухого газа в пласт 364
6.2.1. Контроль за разработкой полигонов с нагнетанием газа в пласт 364
6.2.2. Проект "Конденсат - 2." 382
6.2.3. Полигон "Конденсат-3" 402
6.3. Адаптация геолого-математической и фильтрационной моделей залежи 420
6.4. Расчет показателей добычи углеводородов при разработке Вуктыльского месторождения в режиме хранилища-регулятора 427
6.5. Выводы 447
7. Основные выводы 450
Литература
- Взаимодействие углеводородных систем с различными углеводородными и неуглеводородными агентами при многоконтактном их смешении
- Система уравнений для исследования термодинамических процессов
- Исследование трехфазного течения в пласте
- Принципы применения комплекса взаимосогласованных математических и физических моделей для восстановления исходной информации
Введение к работе
Значительная часть природных запасов углеводородного сырья приурочена к залежам газоконденсатного типа. В отечественной газопромысловой практике такие залежи разрабатываются, как правило, на режиме использования энергии сжатого пластового газа. Анализ разработки глубокозалегающих газоконденсатных месторождений (ГКМ), как отечественных, так и зарубежных свидетельствует о сравнительно низких коэффициентах извлечения жидких углеводородов - в пределах 20-30%, что предопределяет одну из сложнейших проблем в газовой промышленности. Так, в недрах газоконденсатных месторождений России, разработка которых завершена или близка к завершению (Совхозное, Русский Хутор, Вуктыльское и др.) остается до 60-70%) стабильного конденсата, основного сырья газобензинового и нефтехимического производства, и до 10-15% газа. Только в пласте Вуктыльского месторождения потери углеводородов составят порядка 100 млн. тонн конденсата и около 65 млрд. м3 газа.
Кроме того, для большинства газоконденсатных месторождений характерно снижение продуктивности добывающих скважин вследствие накопления ретроградного конденсата в их призабойных зонах. При этом достаточно остро стоит задача сохранения и улучшения эксплуатационных характеристик скважин.
Рациональная разработка месторождений природных газов, обеспечивающая максимальное извлечение углеводородов из недр, требует создания и применения новых технологий активного воздействия на пласт. При реализации этих технологий необходимо применение эффективных методов контроля за процессами разработки месторождений. Особенно актуальны проблемы создания и внедрения методов воздействия на пласт для газоконденсатных объектов, разрабатываемых в режиме истощения пластовой энергии и вступающих в позднюю стадию разработки. Для таких объектов характерны значительные потери конденсата в пласте, осложнения в эксплуатации скважин и низкий запас пластовой энергии.
При разработке газоконденсатного месторождения в поровом пространстве пласта протекают сложные для описания процессы разделения
многокомпонентной газоконденсатной системы на фазы, фильтрации пластовых флюидов, массопереноса и массообмена. При нагнетании в пласт агентов воздействия задачи описания динамики развития пластовых процессов, расчета их параметров и оценки показателей и эффективности различных методов разработки еще более усложняются. В этой связи необходима надежная информация о физической природе и закономерностях пластовых процессов.
Решение этих задач требует проведения комплекса
термогидродинамических исследований в широком диапазоне давлений и температур для выявления закономерностей фазового поведения многокомпонентных углеводородных систем, особенностей процессов массообмена и массопереноса при нагнетании в пласт агентов воздействия. Результаты исследований должны послужить основой для расчетных методик, научно-методических и регламентирующих документов, которые необходимы при проектировании новых технологий, направленных на повышение углеводородоотдачи плата.
Большой вклад в развитие методов математического и физического
моделирования термогидродинамических процессов в многокомпонентных
пластовых углеводородных системах, исследование закономерностей этих
процессов и создание на этой основе теории разработки и эксплуатации
месторождений нефти и газа внесли М.Т. Аббасов, О.Ф. Андреев, З.С. Алиев,
К.С. Басниев, А.И. Брусиловский, С.Н. Бузинов, Ю.Н. Васильев, А.С.
Великовский, Ш.К. Гиматудинов, А.И. Гриценко, А.Т.Горбунов, В.М. Ентов,
Ю.В. Желтов, Ю.П. Желтов, Т.П. Жузе, С.Н. Закиров, Г.А. Зотов.
О.В. Клапчук, Ю.П. Коротаев, С.А. Кундин, А.К. Курбанов, Б.И. Леви, В.Н. Мартос, А.Х. Мирзаджанзаде, А.Ю. Намиот, В.А. Николаев, В.Н. Николаевский, Ф.Г. Оруджалиев, Т.Д. Островская, Г.В. Рассохин, М.Д. Розенберг, Я.Д. Саввина, Г.С. Степанова, Н.Г. Степанов, Б.Е. Сомов, И.Н. Стрижов, P.M. Тер-Саркисов, Н.А. Тривус, О.Ф. Худяков, Г.П. Цыбульский, Э.Б. Чекалюк, М.Х. Шахназаров, А.И. Ширковский, П.Т. Шмыгля, В.В. Юшкин и многие другие.
Из зарубежных ученых следует отметить существенный вклад К. Ватсона, Д. Катца, К. Коутса В. Лэси, М. Маскета, К. Питцера, X. Римера, Д.Робинсона,
Д. Прауснитца, О. Редлиха, Б. Сейджа, Д. Соаве, К. Старлинга, М. Стендинга, А. Фирузабади, С. Хелдена, В. Эдмистера и многих других.
Во ВНИИГАЗе под руководством профессора P.M. Тер-Саркисова интенсивно развивается направление исследований по созданию технологического комплекса методов воздействия на газоконденсатныи пласт с целью повышения его углеводородоотдачи, основанных на использовании агентов и условий их нагнетания, подбираемых с учетом конкретных термобарических условий залежи, состава ее углеводородной системы истории предыдущей разработки и геолого-промысловой характеристики объекта.
Исследованы следующие методы повышения эффективности разработки газоконденсатных месторождений:
закачка в истощенный газоконденсатныи пласт природного газа, обогащенного промежуточными углеводородами, для вытеснения выпавшего в пласте конденсата в составе двухфазной газожидкостной смеси;
закачка оторочек жидких углеводородных растворителей для смешивающегося вытеснения выпавшего конденсата;
эксплуатация истощенного газоконденсатного пласта в режиме подземного хранилища газа (ПХГ) при переменном пластовом давлении и попутное извлечение с газом испаряющегося конденсата в период отбора газа из хранилищ;
закачка конденсата в аварийных ситуациях в подземное хранилище газа и его последующее извлечение;
воздействие газом и легкими углеводородными растворителями на призабойную зону газоконденсатных скважин для восстановления их продуктивности;
прокачка через истощенный пласт сухого природного газа с целью испарения выпавшего конденсата и извлечения его с газом.
По ряду методов проведены промысловые испытания. С 1993 года па Вуктыльском нефтегазоконденсатном месторождении ведется опытно-промышленное внедрение технологии ВНИИГАЗа, основанной на бескомпрессорной закачке в пласт сухого газа для повышения эффективности разработки месторождения на поздней стадии. Реализуется поэтапный перевод
Вуктыльского месторождения в режим хранилища-регулятора на основе этой технологии.
В диссертации отражены результаты исследований автора в составе этого направления работ.
Цель работы состоит в создании научно-методических основ проектирования новых технологий повышения углеводородоотдачи пласта на базе комплекса термогидродинамических исследований закономерностей пластовых процессов с применением методов математического и физического моделирования.
Основные задачи исследований.
Разработка и совершенствование математических моделей для исследования фазового поведения и фильтрации пластовых флюидов при активных способах разработки месторождений.
Аналитическое и экспериментальное исследование закономерностей и особенностей фазового поведения газоконденсатных смесей и массообменных процессов при нагнетании в пласт внешних агентов.
Изучение механизма вовлечения компонентов выпавшего конденсата в процесс фильтрации и характеристик фильтрационных потоков при нагнетании в пласт газов различного состава и водогазовых смесей.
Изучение динамики охвата объекта воздействием с целью управления процессом разработки при нагнетании агента в пласт.
Создание методов описания ретроспективы разработки залежи при дефиците исходной информации.
Исследование процессов накопления конденсата в призабойных зонах скважин и возможностей повышения их продуктивности путем обработки легкими углеводородными растворителями.
Создание методов контроля за процессом разработки при реализации новых технологий воздействия на пласт.
Научная новизна.
Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов исследований заключается в следующем.
1. Созданы новые модификации математических моделей и методов физического моделирования фильтрации многокомпонентных углеводородных
систем для изучения процессов, протекающих в пласте при активном воздействии на пласт с целью повышения его компонентоотдачи.
2. На основе выполненных исследований по моделированию были
получены:
закономерности фазового поведения углеводородов в зависимости от состава флюидов;
распределения насыщенности ретроградным конденсатом по объему порового пространства;
количественные характеристики извлечения из пласта выпавшего (ретроградного) конденсата и динамика состава продукции;
распределения состава газа по толщине продуктивного пласта при изменении давления для залежи с большим этажом газоносности применительно к Вуктыльскому нефтегазоконденсатному месторождению (НГКМ);
закономерности испарения выпавшего конденсата в нагнетаемый газ в зависимости от его состава.
Предложена форма представления фазовых проницаемостей с учетом состава и свойств сосуществующих углеводородных фаз.
Исследованы закономерности выпадения конденсата и его испарения в прискважинной зоне, позволяющие предложить методы обработки призабойных зон скважин с целью восстановления их продуктивности.
Применительно к задачам проектирования разработки газоконденсатных месторождений с реализацией новых технологий воздействия на пласт предложены методики, позволяющие:
проводить оценку технологических показателей;
на основе анализа состава продукции скважин оценивать коэффициент охвата пласта;
определять эффективность процесса испарения;
оценивать компонентоотдачу пласта с учетом добычи ретроградного конденсата;
определять удельные расходы газа при добыче ретроградного конденсата;
рассчитывать динамику изменения продуктивности скважин на месторождении в ходе газовой репрессии на пласт;
прогнозировать добычу углеводородного сырья, в том числе на длительную перспективу.
Практическая ценность.
Разработаны методические руководства по проектированию разработки месторождений с применением технологий повышения компонентоотдачи пластов.
Реализована методика прогноза параметров разработки месторождения с применением активных методов воздействия на пласт.
Внедрена методика контроля за процессом воздействия на пласт.
Предложены, и применяются в промысловой практике, методы восстановления недостающей информации на основе термодинамического ретроспективного анализа.
Внедрен способ воздействия легкими углеводородными растворителями на призабоиную зону для повышения продуктивности газоконденсатных скважин.
Внедрение результатов работы. Выполненная работа решает крупную проблему повышения эффективности разработки нефтегазоконденсатных месторождений, вступивших в позднюю стадию эксплуатации.
Результаты диссертационной работы использованы при подготовке "Технологической схемы эксплуатации Вуктыльского нефтегазоконденсатного месторождения в режиме хранилища-регулятора", в проектах эксплуатации опытных полигонов "Конденсат-2" и "Конденсат-3" Вуктыльского НГКМ и в других технологических документах по разработке месторождений Тимано-Печорской провинции.
Результаты, полученные автором, применяются при контроле за процессом воздействия на пласт на полигонах Вуктыльского нефтегазоконденсатного месторождения, прогнозе продуктивных характеристик и выборе режимов обработки газоконденсатных скважин Западно-Соплесского месторождения. Методические разработки и результаты вошли в шесть методических руководств, утвержденных руководством "Газпрома".
Апробация работы. Основные положения, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на отраслевых совещаниях, заседаниях НТС и Комиссии по месторождениям и ПХГ ОАО "Газпром", заседаниях НТС ОАО
"Севергазпром" и Ученых советов ВНИИГАЗа и СеверНИПИгаз, а также на международных конференциях и газовых конгрессах.
В частности, результаты доложены и обсуждены:
на конференциях по проблемам разработки газоконденсатних месторождений, состоявшихся в 1990,1992,1995 и 1998 г.г. в г. Ухте;
на конференции "Разработка и эксплуатация газоконденсатних месторождений на завершающей стадии", г. Вуктыл, 1993 г.;
на международной конференции в г. Лугачевицы (Чехия), 1996 г.;
на международных конференциях по проблемам газовой промышленности в Каннах, 1995г., и Сан-Диего, 1998 г.;
на международном семинаре во ВНИИГАЗе, г. Москва, 1997 г.;
на мировых газовых конгрессах в Копенгагене, 1997г., и Ницце, 2000г.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 54 опубликованных работах, в том числе двух патентах и двух авторских свидетельствах на изобретения.
Работа выполнена в отделе повышения углеводородоотдачи пласта ВНИИГАЗа. Автор выражает глубокую благодарность члену-корреспонденту РАН профессору А.И. Гриценко за постоянное внимание и поддержку направления работ, основателю научной школы повышения углеводородоотдачи пласта доктору технических наук профессору P.M. Тер-Саркисову за помощь в постановке задач, полезные советы и обсуждение результатов работы, доктору технических наук В.А. Николаеву за сотрудничество и помощь в работе над диссертацией, кандидату технических наук В.Г. Подюку за конструктивное сотрудничество и содействие в практической реализации результатов, кандидату физико-математических наук Г.П. Цыбульскому за помощь в создании математического обеспечения, кандидатам технических наук М.И. Фадееву, Б.В. Макееву, М.А. Пешкину, С.Г. Рассохину и всем сотрудникам отдела повышения углеводородоотдачи пласта ВНИИГАЗа за помощь в проведении исследований и оформлении диссертации, специалистам ООО "Севергазпром": кандидату технических наук А.А. Захарову, В.Л. Вдовенко, СВ. Шелемею, Г.И. Лисичкину, В.Р. Родыгину, Ю.С. Рабкину, В.В. Иванову и сотрудникам филиала ВНИИГАЗа "СеверНИПИгаз": О.Н. Соловьеву, Ю.В. Илатовскому, Н.Н. Трегуб, М.А. Гильфанову, кандидатам
технических наук Е.А. Спиридовичу, Н.В. Долгушину, Е.М. Гурленову, А.В. Назарову, Г.В. Петрову, А.В. Федосееву за совместную работу, проведение промысловых исследований и внедрение результатов.
Взаимодействие углеводородных систем с различными углеводородными и неуглеводородными агентами при многоконтактном их смешении
Исследования фазового поведения многокомпонентных углеводородных смесей интенсивно проводится вот уже в течение нескольких последних десятилетий и к настоящему времени в литературе представлен огромный объем как экспериментальных данных, так теоретических представлений о фазовом поведении и свойствах газоконденсатных смесей. Поэтому представляется целесообразным выделить следующие основные направления исследований: изучение закономерностей фазового поведения газоконденсатных смесей, а также исследования особенностей процессов ретроградной конденсации и испарения углеводородов в свободном объеме (сосудах PVT-соотношений) и в пористой среде; изучение процессов взаимодействия углеводородных систем с различными углеводородными и неуглеводородными агентами при многоконтактном или одноконтактном их смешении; создание методов расчета фазового поведения многокомпонентных смесей и их парожидкостного равновесия; описание псевдокомпонентами фракций высококипящих углеводородов (группы С5+) газоконденсатных смесей; термогравитационного распределения углеводородов в газоконденсатных пластах значительной толщины и изменения компонентного состава по толщине пласта.
Общие закономерности фазового поведения углеводородных смесей широко исследовались как экспериментально, так и теоретически. В связи с этим, в опубликованных работах представлены многочисленные данные по данной проблеме для различных по составу углеводородных смесей, в том числе для бинарных, тройных и многокомпонентных смесей. К основополагающим работам, определившим направления дальнейших исследований по данной проблеме, могут быть отнесены целый ряд монографий и статей.
Общий анализ данных экспериментальных и теоретических исследований фазового равновесия природных и искусственных углеводородных смесей достаточно подробно представлен в ряде работ Степановой Г.С. [106,107], Намиота А.Ю. [73,74], Гуревича Р.Г., Брусиловского А.И. [27], Амикса Дж., Басса Д., Уайтинга Р. [2], Katz D.L. [173], Муркеса М.Н., Рождественского В.А.. Шовкринского Г.Ю. и др. [64]. Из числа исследований, касающихся определения основных закономерностей фазового равновесия бинарных смесей углеводородов, могут быть указаны работы Степановой Г.С. в соавторстве с Самариным А.А. [101], Васильевой М.И. [108], Выборновой Я.И. [110] и Великовским А.С. [109]. Результаты исследований парожидкостного равновесия смеси метана с различными углеводородами (растворителями) парафинового, нафтенового и ароматического ряда приведены также в работе Chang H.L., Ghappelear P.S., Kobayashy R.[148]. Исследование фазового поведения трехкомпонентных углеводородных систем представлены, в частности, в работах Степановой Г.С. , [107], Yarborough L. [213], Firoozabadi А. [159]. Особенностям фазового поведения газоконденсатных систем в условиях неравновесности массообменных процессов посвящены исследования Курбанова А.К., Розенберга М.Д., Юсуповой Э.С. [50], Ю.В.Желтова, В.Л. Мартоса, А.Х. Мирзаджанзаде, Г.С. Степановой [89], Эфроса Д.А. [138].
Основные результаты многих работ по экспериментальному моделированию и расчетам фазового поведения углеводородных смесей, как правило, заключались в построении фазовых диаграмм и определении констант фазовых равновесий. Константы фазовых равновесий явились предметом специальных исследований в указанных выше работах, так и в работах Жузе Т.П., Ушакова Г.С, В.Ф. Зазовского и др. [62], Barrufet Maria A., Walid А. Habiballah, Kai Liu, Richard A. Startzman [144] и многих других авторов.
В отдельную группу исследований фазового поведения газоконденсатных смесей следует отнести исследования характеристик и свойств природных углеводородных систем. Полный комплекс исследований пластовых углеводородных систем является составной частью проектирования разработки и эксплуатации газоконденсатных месторождений. Результаты исследований в этом направлении широко освещены в работах Гриценко А.И., Островской Т.Д., Юшкина В.В. [24,140].
Представляется целесообразным из огромного объема научных работ по изучению фазового поведения углеводородных систем выделить те работы, которые связаны с исследованием специальных проблем фазового поведения газоконденсатных систем, возникающих в ходе воздействия на газоконденсатные месторождения. Одной из таких проблем является влияние пористой среды на процессы конденсации и испарения газоконденсатных систем. В литературе описаны два основных подхода к ее изучению. Один из них состоит в учете влияния капиллярных сил на парожидкостное равновесие углеводородной смеси. Второй подход основан на изучении влияния процессов адсорбции и десорбции отдельных углеводородных компонентов на фазовое поведение многокомпонентных углеводородных смесей.
В числе основных работ, развивающих первое из указанных направлений исследований, следует отметить экспериментальные исследования, проведенные как у нас в стране, так и за рубежом. Так, в работе Требина Ф.А., Задоры Г.И. [129] было установлено повышение на 10-15 % давления начала конденсации газоконденсатной смеси в присутствии пористой среды. В работе Уляшева В.Е., Соловьева О.Н., Самарина А.А. [132] отмечено уменьшение давления максимальной конденсации высококипящих углеводородов при снижении проницаемости кернов. В то же время факт незначительного влияния пористой
среды и величины насыщенности связанной водой на давление начала конденсации и на составы равновесных фаз был экспериментально установлен Бузиновым С.Н., Николаевым В.А., Тер-Саркисовым P.M. [13], Ширковским А.И. [137], Желтовым Ю.В., Латоновым В.В. [36], Садых-Заде Э.С., Мамедовым Ю.Г., Рафибейли Н.М. [100], Мискевичем В.Е. [65], Oxford C.W., Huntington R. [184], Sigmund P.M., Dranchuk P.M., Morow N.R.[196], Weinaug C.F., Cordell J.C. [208].
Система уравнений для исследования термодинамических процессов
Методы повышения углеводородоотдачи газоконденсатных пластов направлены на предотвращение или ослабление выпадения в пласге ретроградного конденсата за счет поддержания пластового давления (полного или частичного), либо на извлечение ранее выпавшего конденсата.
По механизму воздействия на ретроградный конденсат методы его извлечения можно разбить на две группы. Первая группа методов направлена на вовлечение ретроградного конденсата в процесс фильтрации в составе жидкой фазы. Вторая группа методов базируется на извлечении углеводородов ретроградного конденсата в составе легко фильтрующейся газовой фазы.
Таким образом, фазовое разделение углеводородных смесей, межфазный массообмен и изменение свойств фаз, определяющих их подвижность, характерны для всех способов разработки газоконденсатных месторождений.
Поскольку оценка показателей разработки залежи проводится обычно на ЭВМ с применением сеточных моделей описание фазового поведения пластовой системы должно быть в достаточной мере формализовано и представлено в виде соотношений, допускающих автоматический расчет составов и всех необходимых термодинамических параметров в каждом расчетном узле.
Решение этих задач невозможно без широкого применения методов математического и физического моделирования фазового поведения многокомпонентных углеводородных систем и обработки результатов в форме, пригодной для их последующего использования.
Экспериментальные исследования особенностей фазового поведения газоконденсатных смесей при изменении состава системы за счет нагнетания агентов воздействия проводились на установке PVT. Для уточнения влияния пористой среды, включающей углеводородную систему, на происходящие в ней массообменные процессы эти исследования дополнялись экспериментами па линейных моделях пласта. Теоретические исследования фазового поведения газоконденсатных систем базировались на использовании методики расчета фазового равновесия, основанной на уравнении состояния Пенга-Робинсона.
При математическом моделировании поведения многокомпонентных смесей в равновесных процессах в настоящее время наибольшее распространение получили методы, основанные на концепции давления схождения и применении уравнений состояния Старлинга-Хана и Пенга-Робинсона, являющиеся примерно равноценными по точности расчета. В области очень высоких давлений и температур предпочтительно использование модификации трехконстантного уравнения состояния, предложенной А.И. Брусиловским [10]. При моделировании фазового поведения углеводородных смесей автором принят за основу подход, основанный на использовании уравнения состояния Пенга-Робинсона [187], обеспечивающего в исследуемой области равномерную точность расчета, как по равновесному составу, так и по свойствам сосуществующих фаз.
Достаточно полный набор значений критических параметров, ацентрических факторов, коэффициентов парного взаимодействия, корреляционных соотношений и их коэффициентов для индивидуальных веществ и углеводородных фракций приведен в базе данных ВНИИГАЗа по свойствам веществ. (2.6) (2.7) С использованием дифференциальных соотношений термодинамики и уравнения состояния (2.1) совместно с правилами смешения (2.4, 2.5) несложно получить выражение для летучести компонентов в фазе fi=Vin Z+Щ- 2) Z+ Щ+ 2) К- _ ъ, а Ъ Р \ ь л t ЕХР\ (Z-l) + Z-B \Ь 2:2-В где а,. = 2//,-(1-ф аЛ,\ 7=1 ЬР VP z = В А- л,р. Я2 RT7 RT
Из общего закона минимальности свободной энергии термодинамической системы в состоянии равновесия при фиксированных объеме и температуре следуют условия равенства давлений, температур и летучестей каждого компонента в сосуществующих фазах.
Условия термодинамического равновесия совместно с балансовыми соотношениями и условиями нормировки приводят к следующей системе уравнений, определяющей равновесное состояние двухфазной многокомпонентной смеси при заданных давлении, температуре и сосгаве смеси: где Z, Xi, Yi - мольные доли смеси, жидкой и газовой фаз, соответственно; Vr и Уж - мольные объемы фаз; W - мольная доля газовой фазы в смеси; давления и летучести фаз определяются уравнениями (2.1) и (2.6), соответственно.
Таким образом, расчет параметров равновесного состояния двухфазной L - компонентной смеси сводится к решению системы 2L+3 уравнений относительно 2L+3 неизвестных: Vr, Уж, W, Xi,..., XL, YI,...,YL. Вследствие нелинейности уравнений (2.8) и (2.11) система уравнений равновесия не имеет общего аналитического решения и решается численным итерационным методом.
Принятый алгоритм решения системы уравнений (2.8-2.11) основан на применении метода простых итераций с дополнительным анализом типа решения при переходе смеси в однофазное или закритическое состояние.
Исследование трехфазного течения в пласте
Водогазовое воздействие (ВГВ) является одним из перспективных методов извлечения ретроградной углеводородной фазы, содержащейся в частично истощенном газоконденсатном пласте.
Как метод увеличения нефтеотдачи, водогазовое воздействие обосновано теоретически, прошло достаточно широкие экспериментальные и промысловые испытания в нашей стране и за рубежом [52,54,69и др.].
В качестве метода извлечения выпавшего в пласте углеводородного конденсата водогазовое воздействие обосновано экспериментально на моделях пласта с естественной и искусственной пористой средой [48,130,139 и др.] Так, проведенные исследования показали, что добавка газовой фазы (в оптимальном объемном соотношении) к воде, вытесняющей конденсат, повышает его извлечение из карбонатных кернов на 14-30 % от начального содержания в модели пласта. В частности, для низкой конденсатонасыщенности (14-25%). характерной для газоконденсатных месторождений, коэффициенты вытеснения при воздействии на углеводородный конденсат составили: водой 6-14%, а оторочками воды и газа 23-42%. Следует отметить, что реализация режимов течения, аналогичных водогазовой репрессии, возможна и при порционной закачке газа в область пласта, охваченную продвигающейся по пласту водой.
Необходимость проведения технологических и технико-экономических расчетов показателей ВГВ с целью обоснования промыслового испытания метода на конкретных газоконденсатных объектах (в частности, на южном куполе Вуктыльского нефтегазоконденсатного месторождения) поставила задачу разработки современных математических моделей водогазового воздействия с учетом реальных условий ГКМ. Одна из таких моделей трехфазной фильтрации разрабатывалась автором совместно А.В. Назаровым [70]. Совместное изотермическое течение трехфазной смеси в пористом пласте описывается следующей системой уравнений: dM pJ» + d,\rJLpJkaSa ) + =0, (3.25) а а где ра - плотность фазы а; / - массовая доля к в фазе a; v - скорость фазы a; m - пористость; Sa - насыщенность фазой a; qk - массовая плотность по компоненту к. Смесь трехкомпонентная {Ke[H20,Q+,C j, индекс фазы а принимает значение "в", "н", "г". Законом движения считаем обобщенный закон Дарси kf v=- а grad{P-\yadh), (3.26) Ma J где к - абсолютная проницаемость; fa - относительная фазовая проницаемость; /ла- вязкость фазы а; Ра- давление в фазе а; у а- удельный вес фазы a; h - гипсометрия пласта. Давления в фазах связаны друг с другом через капиллярные силы Р„=РГ генв , Гг- Гн Г СНГ В качестве неизвестных функций в (3.25) принимаем Рн, SB, Sr, в результате чего после подстановки (3.26) в (3.25) получим систему трех дифференциальных уравнений с тремя неизвестными функциями ff«{ рЛ f" grad[Pa - \yadh) } = d(PalkaSa} + qk, (3.27) a Ma a a = B, H, Г; K=H20, C5+, CM; / = 1; =1 которая замыкается начальными и граничными условиями: при t=0, Рн = Рно(Х), - 168 SB—SBO(X), Ol =Ьго(Х), APH+B " = p(t), dn XeG
В различных литературных источниках задача (3.27) приводится в разных постановках с точки зрения выбора неизвестных функций в дифференциальных уравнениях. Довольно широко распространен подход, когда независимыми искомыми функциями считаются давления в фазах (Рв, Рн, Рг), а насыщенности фазами определяются через капиллярные давления [1,67]. При упрощенных методах линеаризации соответствующих алгебраических систем такой подход можно считать оправданным. Однако это приводит к необходимости всегда учитывать капиллярные силы (хотя бы фиктивно), а разность давлений в силу своей малости не всегда обеспечивает устойчивость вычислительного процесса. Вследствие этого представляется более естественной постановка задачи относительно давления (например, в нефти) и других насыщенностей.
Задача решается разностными методами с использованием неявной ik разностной схемы. Комплексы а а и ра1ка зависят от давления в соответствующей фазе и подобраны по табличным зависимостям методом наименьших квадратов в виде полиномов. Относительные фазовые проницаемости по воде и газу зависят от насыщенности порового пространства соответствующей фазой, проницаемость по нефти (конденсату) зависит от насыщенности нефтью и от суммарной насыщенности жидкостью. Зависимость критической насыщенности углеводородной фазы от водо- и газонасыщенности приведено на рисунке 3.6. Вычисление относительных фазовых проницаемостей в полуцелых точках производилось, согласно [1], взвешиванием "вверх по потоку".
Принципы применения комплекса взаимосогласованных математических и физических моделей для восстановления исходной информации
Основой частичного сайклинг-процесса с закачкой отсепарированного газа в пласт является сочетание эффектов: снижение темпа падения пластового давления, замещение жирного пластового газа более сухим и испарение выпадающего конденсата в нагнетаемый газ.
При этом в реальном пласте через различные части пористой среды, охваченной вытеснением, прокачивается существенно различные объемы сухого газа при различных пластовых давлениях. В наиболее проницаемых пропластках эффект обратного испарения может оказаться существенным за счет многократной "промывки" их закачиваемым газом при более высоких давлениях.
Необходимо указать, что процесс обратного испарения выпавшего конденсата в закачиваемый газ, может сопровождаться обратной вторичной конденсацией при фильтрации в условиях снижающегося пластового давления и непрерывного изменения состава газоконденсатной системы в различных частях пористой среды.
Существенное влияние на эти процессы оказывают термобарические условия, состав закачиваемого газа и исходной газоконденсатной системы.
Имевшиеся к моменту проведения работ экспериментальные и аналитические исследования, не позволяли в достаточной мере полно смоделировать частичный сайклинг-процесс с учетом всей совокупности факторов, определяющих его эффективность. Поэтому проводилось экспериментальное изучение частичного сайклинг-процесса на модели пористой среды для исследования основных параметров процесса вытеснения "жирного" газа "сухим" в условиях массообмена за фронтом вытеснения между закачиваемым газом и выпавшей в пласте жидкой фазой.
Параллельно физическому, выполнялось математическое моделирование процесса с использованием одномерной композиционной модели, описанной в параграфе 3.1.
Совместное проведение численного и экспериментального моделирования позволило проверить и уточнить основные положения и замыкающие соотношения расчетных методик для их дальнейшего использования в разработке методов воздействия на пласт и прогноза параметров по вариантам разработки.
Экспериментальные исследования проводились на установке фильтрации [75], основными узлами которой являются: установка PVT соотношений, две линейные модели пласта длиной 300 см и 85 см, узел подачи углеводородов в рабочий объем установки, узел контроля и анализа отбираемой смеси. Модели пласта заполнены в вертикальном положении молотым кварцевым песком широкой фракции. Трехметровая модель снабжена отводами, расположенными подлине модели через каждые 50 см. Основные параметры моделей: а) длина 3 метра, внутренний диаметр 33.5-10"3 м, пористость 0.26, проницаемость 0.5-10"14 м2, поровый объем с учетом коммуникаций 798-10-6 м2 . б) длина - 0.8 м, внутренний диаметр 44.3-10"3 м, проницаемость - 1014 м2, пористость 0.25, поровый объем с коммуникациями 290-10"6 м3.
Подготовка рабочих смесей в объемах моделей производилась по методике, описанной в работе [75]. Заправка индивидуальных жидких углеводородов и их смесей в рабочие объемы установки производилась из контейнеров (КЖО) с помощью ручного пресса ИП-6. Подача в установку газообразных углеводородов осуществлялась через редуктор из газовых баллонов. Отбор продукции из модели пласта или объема бомбы PVT -производился с помощью ВТР и устройства отбора проб. При этом углеводородная смесь из рабочего объема модели пласта или бомбы PVT дросселировалась с помощью ВТР до атмосферного давления и нагревалась до температуры однофазного состояния (t =200-300 С). После чего эта смесь подавалась на разделительные ловушки, в которых высококипящие углеводороды отделялись от легких фракций t= -70 С.
Объем газообразных углеводородов при комнатной температуре и атмосферном давлении измерялся с помощью ГСБ-400. Отсепарированные в ловушках жидкие углеводороды Cs+ взвешивались на аналитических весах. В ходе отбора продукции через пробоотборное устройство производились отборы микропроб углеводородной смеси, находящейся в однородном газовом состоянии с помощью электрошприца.
В проведенных экспериментах использована гипотетическая многокомпонентная углеводородная смесь с повышенным содержанием промежуточных углеводородов, которые моделировались пропаном, н-бутаном и двуокисью углерода.
Высококипящие углеводороды С5+ в этой смеси выбраны с учетом группового состава природных газоконденсатов валанжинских залежей Уренгойского ГКМ, характеризующихся, в основном, как метан-нафтеновые.
Состав (расчетный и фактический) использованной в опытах газоконденсатной смеси, и ее основные физико-химические свойства приведен в таблице 3.2.
Процесс разработки на режиме истощения исследовался на модели пласта при температуре +72 С. Отбор газоконденсатной смеси производился со скоростью около 40 см3/мин. Темп падения давления в модели при этом не превышал 0.9 МПа в час. Истощение модели было начато с начального давления 32 МПа.
На рисунке 3.10 представлена зависимость содержания углеводородов Сз+ в газовой фазе, полученная в процессе истощения. Давление начала конденсации определено в 26.4 МПа, давление максимальной конденсации углеводородов С5+ - 9 МПа. Коэффициент извлечения углеводородов Сз+ от давления начала конденсации до давления 4 МПа составил 27% от запасов.
На рисунке 3.11 показана динамика состава отбираемой продукции, в процессе истощения модели. Из приведенных данных видно, что при снижении давления ниже давления максимальной конденсации наблюдается некоторое повышение мольной доли фракции Фі и Фг (пентана и циклогексана соответственно) в продукции, что связано с процессом их прямого испарения.
Прямого испарения фракции Фз (ундекана) в исследованном диапазоне давлений не отмечено.
Эффект прямого испарения фракций Фі и Ф2 нашел отражение в повышении КГФ с 39 г/м3 при давлении максимальной конденсации до 45 г/м3 при давлении 4 МПа.
Отмечено, что давление максимальной конденсации фракций Фі и Ф2 существенно различны (7 и 13 МПа соответственно) и отличаются от давления максимальной конденсации углеводородов Cs+ в целом.
Частичный сайклинг-процесс исследовался на модели пласта длинной 3 метра. Коэффициент возврата (отношение объема закачки к объему добычи) в среднем составлял 0.5.
