Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается тенденция увеличения фонда малодебитных и неработающих скважин практически на всех эксплуатируемых месторождениях России. Например, в РБ неработающий фонд нефтедобывающих скважин АНК «Башнефть» составляет 22,5%, а нагнетательных – 42,2%. Основными причинами вывода скважин из эксплуатации являются нерентабельность скважин в связи с уменьшением углеводородного сырья и низкого пластового давления, кольматация прискважинной зоны пласта (ПЗП) асфальтосмолистыми и парафинистыми отложениями, трудноизвлекаемость битумных нефтей, приводящих к экономической нецелесообразности их добычи, низкая проницаемость в пластах с ухудшенными коллекторскими свойствами и т.д.
Одним из методов воздействия на пласт с целью восстановления первоначального дебита является термический, основанный на уменьшении вязкости нефти при повышении температуры. Для этой цели применяют пороховые термогазогенераторы. Горение порохового заряда термогазогенератора в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается повышением температуры и пульсациями давления. В настоящее время осуществляется поиск путей уменьшения вредоносного влияния температуры и давления на обсадную колонну и цементное кольцо за счет регулирования процесса горения, а также модернизации конструкции порохового заряда и технологии воздействия. Для совершенствования технологий воздействия на ПЗП уникальным высококонденсированным источником энергии пороховых газов необходимо проведение углубленных теоретических исследований, в частности, полей давлений, смещений и скоростей в скважине при пороховом воздействии. Одним из важнейших направлений исследований в этом плане представляется развитие теории волновых полей, возникающих в системе «скважина-пласт-окружающие породы» в условиях термического воздействия пороховыми зарядами.
Изучению механизмов теплового воздействия на ПЗП посвящен значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, авторами которых являются Чекалюк Э.Б., Оганов К.А., Бурже Ж., Сурио П., Комбарну М., Сургучев М.Л. и др. Близкие к диссертационной теме работы по теории температурных и массообменных процессов при закачке жидкости в пласты, фильтрации газожидкостных смесей и аномальной жидкости, движении жидкости по скважине выполнены А.И. Филипповым, П.Н. Михайловым, О.В. Ахметовой, М.А. Горюновой, Д.А. Гюнтером, И.Н. Михайличенко и др. В частности, в диссертации Ефимовой Г.Ф. исследован баротермический эффект при колебательном движении жидкости в пласте, построена математическая модель температурных процессов в фильтрационно-волновых полях с учетом фазовых переходов, обусловленных выделением или растворением парафина, применительно к нефтяным пластам. Решение построено в виде суммы нулевого и первого коэффициентов разложения бесконечной асимптотической последовательности. В качестве параметра выбрано отношение теплопроводностей . Однако недостаточно обосновано ограничение решения двумя первыми коэффициентами разложения. Кроме того, не приведена оценка остаточного члена для осредненной задачи, тепловая функция неточно описывает экспериментальный график, не учтены влияния температуры на вязкость пластовой жидкости, которые приводят к усилению нелинейности задачи.
В данной работе нами осуществлено детальное исследование гидродинамических процессов при воздействии пороховыми зарядами. Решение этих задач создает перспективы развития технологии порохового воздействия на нефтяные пласты для увеличения нефтеотдачи.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели термодинамических процессов при колебательном движении жидкостей в пористой среде с учетом фазовых переходов вследствие растворения парафинов и теплового взаимодействия нефтяного пласта с окружающими породами при пороховом воздействии.
Основные задачи исследования
анализ вклада основных процессов в температурные поля;
применение асимптотического метода к температурным задачам, определение коэффициентов разложения решения в виде ряда по формальному параметру для «в среднем точного» аналитического решения температурной задачи;
проведение расчетов температурных и упругих волновых полей в пласте и скважине при пороховом воздействии;
сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными;
анализ возможностей совершенствования технологии порохового воздействия на призабойную зону пласта.
Научная новизна. Впервые получено аналитическое решение задачи о температурных полях в пласте при циклическом пороховом воздействии с учетом зависимости коэффициента вязкости от температуры. На основе полученных решений осуществлены расчеты пространственно-временных зависимостей. Уточнено аналитическое выражение тепловой функции, описывающей фазовое превращение парафина в определенном температурном интервале.
Достоверность основных результатов диссертационной работы обоснована применением в качестве исходных посылок основных законов сохранения массы, импульса и энергии. Сопоставление полученных результатов с результатами других исследователей и с экспериментальными данными показывает их удовлетворительное согласие.
Практическая значимость. Построенный новый способ расчета температуры в пласте при воздействии энергией пороховых зарядов позволяет определять параметры направленного воздействия на продуктивный пласт с целью восстановления и увеличения дебита нефтяных скважин, а также повысить эффективность воздействия на ПЗП.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель термодинамических процессов при колебательном движении жидкостей в пористой среде с учетом теплового взаимодействия нефтяного пласта с окружающими породами и фазовых переходов вследствие растворения парафинов. Аналитические зависимости температуры от времени, расстояния до скважины и параметров пористого пласта, обосновывающие возможность увеличения нефтеотдачи пластов при воздействии на них волновыми полями давления.
2. Закономерности переменных полей давлений на основе телеграфного уравнения, обусловленные волновыми процессами в системе «скважина-пласт».
3. Нелинейный эффект, заключающийся в возрастании скорости разогрева пласта с увеличением температуры в связи с зависимостью вязкости пластовой жидкости от температуры.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки и образования» (Уфа, 2010), VII научной конференции по проблемам теплофизики и газовой гидродинамики (Алушта, 2009); VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПбГУ ИТМО, (СПб, 2009); VI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово – Томск, 2009); Научной конференции БГУ, (Уфа, 2009); Республиканском научном семинаре «Математическое моделирование процессов и систем» (Стерлитамак 2007); VII Региональной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, БашГУ (Уфа, 2007); научных семинарах кафедр математического анализа (научный руководитель – д. ф.-м. н., проф. И.А. Калиев), прикладной математики и механики (научный руководитель – д. ф.- м. н., проф. И.К. Гималтдинов), теоретической физики и методики обучения СГПА им. Зайнаб Биишевой (научный руководитель – д. т. н., проф. А.И. Филиппов).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах, список которых приведен в конце автореферата, из них 1 – в журнале ВАК РФ. В работах [1] – [7] постановка задачи принадлежит профессору А.И. Филиппову. В остальном вклад авторов равнозначный. Результаты, выносимые на защиту, принадлежат автору.
Работа выполнена в рамках правительственной программы РБ «Интенсификация нефтегазоизвлечения трудноизвлекаемых запасов углеводородов, разработка и внедрение обновленных технологий и технических средств в нефтегазовых отраслях» на 2006 – 2008 гг. по теме «Повышение нефтеизвлечения и оживление бездействующего фонда нефтедобывающих скважин путем использования энергии пороховых зарядов».
