ВПГ и ТГХВ на пластах баженовской свиты
Сравнительный анализ применения методов на базе математического моделирования
Огромные запасы углеводородов, содержащиеся в баженовской свите, сегодня относят к категории трудноизвлекаемых. Относительно наиболее эффективных методов их разработке единого мнения среди специалистов нет до сих пор. Авторы статьи, на основе обобщения теоретических, экспериментальных и промысловых исследований по волновому, тепловому и взрывному воздействию на кероген, обосновывают возможность эффективного применения методов термогазохимического воздействия на керогеносодержащие пласты типа баженовской свиты. Также в статье предложены замечания по особенностям организации горения в керогеносодержащих пластах и обоснован стадийный подход к анализу моделируемого технологического процесса.
Баженовская свита является уникальным объектом Западной Сибири. Несмотря на огромное число высококвалифицированных исследователей и детальность, с которой она изучалась, множество вопросов о ее строении, составе и свойствах до сегодняшнего дня остаются актуальными. Огромные запасы углеводородов, содержащиеся в баженовской свите, оцениваемые некогда специалистами как стратегические, сегодня относят к категории трудноизвлекаемых. На настоящий момент нет единого мнения о наиболее эффективных способах добычи углеводородов, распределенных на территориях этих залежей. Предлагаются различные подходы, включающие термические, химические и волновые методы воздействия. Учитывая сложившуюся экологическую и политическую ситуации в вопросе добычи углеводородов из таких пород, главной задачей является разработка эффективных и безопасных технологий извлечения этих нетрадиционных углеводородов.
Рассматривая залежи, приуроченные к баженовской свите, как объекты разработки, нельзя не сказать об их малых величинах пористости, проницаемости, насыщенности подвижной углеводородной фазы. К осложняющим факторам относят двойную пористость, повышенную пластовую температуру, наличие зон аномально высокого пластового давления. Однако главной особенностью пород баженовской свиты, делающей их отличными от традиционных залежей углеводородов, является высокое содержание в составе их твердой неподвижной фазы органического вещества (ОВ). Битумоиды и кероген – это основные компоненты ОВ, соответственно растворимые и нерастворимые в органических растворителях. Углеводородными ресурсами органического вещества являются: легкие компоненты битумоидов (масла, легкие смолы); связанные (сорбированные) битумоидами газ и нефть; связанный (сорбированный) керогеном газ; синтетические углеводороды, получаемые в результате пиролиза керогена. При моделировании объектов баженовской свиты часто выделяют слоистую структуру, с сильно отличающимися свойствами преимущественно двух типов пластов: плохо проницаемую матрицу с высоким содержанием ОВ и хорошо проницаемый коллектор с низким содержанием ОВ.
В баженовской свите Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции выделяются три типа коллекторов, приуроченных к аргиллитам, песчаникам, а также карбонатным породам. Карбонатный коллектор имеет каверново-трещинный тип пустотного пространства. Несмотря на сложность этого типа коллектора, у геологов накоплен большой опыт работы с ним. Песчаники баженовской свиты представлены линзами и имеют небольшое распространение по площади. Разработка данных объектов не составляет проблемы. Особую сложность представляют широко развитые аргиллиты баженовской свиты, характерной чертой которых является тонко - и микроплитчатость, слойчатость и листоватость сложения. Это совершенно новый тип коллекторов, который требует нетрадиционного подхода к стратегии поисковых работ [1]. Отличительными особенностями аргиллитовых коллекторов являются незакономерное размещение участков и зон нефтеносности, неодинаковая продуктивность, что обусловливает большие риски при разведке и разработке подобных залежей.
Отсутствует единая точка зрения по вопросу природы коллектора в породах баженовской свиты. Разные исследователи, в том числе авторы работы [2], указывают на четыре основных компонента: глинистые минералы, карбонаты, минералы кремнезема, органическое вещество. При этом установлено, что в каждом литотипе пород баженовской свиты содержится ОВ (от 5 до 25%), структурные изменения которого в процессах преобразования (окисления и нефтегенерации) приводят к возникновению вторичной пустотности. Согласно исследованиям [2] морфология возникающей пустотности зависит от типа исходного ОВ, т.е. от его нефтегенерационных возможностей. Исследованиями установлено, что при сокращении выхода летучих продуктов на органическую массу до 30% начинает образовываться микротрещиноватая структура. Изучение изменений микростроения ОВ показало, что пространственная сеть микротрещин, образующая в результате нефтегенерации в пленках ОВ, адсорбированного на поверхности глинистых частиц, должна способствовать эмиграции углеводородов без проявления флюидоразрыва. Исследование напряженного состояния пород баженовской свиты [3] показало, для миграции образующихся углеводородов необходимо тектоническое трещинообразование, в противном случае углеводородообразование в керогене тормозится вне зависимости от температуры. Авторы [2, 3] отмечают также пластичные свойства пород баженовской свиты.
Нефтегенерационная способность входящего в состав пород баженовской свиты керогена обусловливает повышенный интерес, проявляемый к данным формациям. В силу этого месторождения баженовской свиты можно относить к отдельной категории запасов. В природных условиях генерация дополнительное количество жидких углеводородов из керогена осуществляется за геологические времена. Повышение температуры пласта до 300°С увеличивает генерационную скорость на несколько порядков, а создание условий повышенного давления и температур более 700°С дает возможность генерировать подвижные углеводороды в режиме реального времени.
Очевидным оказывается вывод о том, что главной задачей при разработке обсуждаемых залежей является добыча их потенциальных запасов, сокрытых в керогене и не учтенных при подсчете геологических запасов. Обзор экспериментальных и теоретических работ, касающихся создания условий высоких давления и температур, описан в работе [4]. Среди технологий, опробываемых сегодня на слабопроницаемых пластах керогеносодержащих коллекторов, можно назвать методы множественного гидроразрыва пласта (ГРП), методы внутрипластового горения и комплексные методы увеличения нефтеотдачи (МУН), сочетающие в себе тепловые и термохимические методы. Следуя мировой практике, российские нефтегазодобывающие компании предлагают использовать на керогеносодержащих коллекторах сочетание тепловых и химических методов [2, 3]: термогазовый метод (ОАО «РИТЭК»), внутрипластовое горение (ВПГ) (ОАО «Сургутнефтегаз), термическое воздействие в сочетании с множественным ГРП (ПАО «Газпромнефть»). Однако применение указанных методов не обнаруживает цели достижения в породах баженовской свиты условий генерации дополнительных углеводородов, а лишь направлено на классические принципы повышения подвижности флюидов и удельной общей площади между скважиной и пластом за счет создания системы трещин, повышения фильтрационно-емкостных свойств, снижения вязкости нефти и т.п.
С точки зрения организации условий для генерации из керогена, а также для обеспечения максимально контроля в ходе термического воздействия, интересны методы, способствующие созданию в пластах импульсов высокого давления и температур за счет развития химических реакций, возникающих либо при закачке окислителей, стимулирующих развитие процессов ВПГ, либо за счет реакций разложения предварительно закаченных в пласт (в трещину ГРП) химически активных веществ, которым и посвящена настоящая работа.
Предположение о возможности применении ВПГ на керогеносодержащих пластах обосновывается в различных работах: [4-8], так в работе [7] анализируется технология процесса сухого прямоточного ВПГ на пластах, содержащих кероген. Процесс горения поддерживается за счет закачивания воздуха обогащенного кислородом. При реакции горения кислорода и нефти образуются вода и диоксид углерода, который за счет фильтрации проходит через пласт, растворяется в нефти, снижая вязкость нефти. Применение ВПГ на пластах баженовской свиты с 2005 года внедряет ОАО «Сургутнефтегаз» (пилотный проект по применению метода внутрипластового горения).
В литературе указываются способы инициирования реакций низкотемпературного окисления нефти в пластах баженовской свиты, применяя гомогенные либо гетерогенные катализаторы. Авторами [9] исследован углеводородный состав продуктов превращения при низкотемпературном окислении (в пределах 150-200°С) кислородом воздуха высоковязкой нефти в пористой карбонатной среде в присутствии нанодисперсного катализатора ацетилацетоната кобальта и зафиксировано улучшение ряда показателей данного процесса, в том числе низкую степень конверсии кислородсодержащих углеводородов, большой спектр новообразованных углеводородов, многочисленные признаки протекания реакций окислительно-восстановительного характера.
Родственным методу ВПГ является разрабатываемый ОАО «РИТЭК» и ОАО «Зарубежнефть» метод термогазового воздействия (ТГВ). Суть метода [10] заключается в закачке в пласт атмосферного воздуха вместе с водой при высоком давлении. При взаимодействии кислорода содержащегося в воздухе с пластовыми углеводородами происходит самопроизвольный окислительный процесс с выделением вытесняющего газового агента (азота, углекислого газа) При этом температура пласта должна быть выше 65-70oC. Процесс сопровождается разогревом нефтематеринской породы и увеличением содержания легких фракций УВ. Считается, что в сравнении с ВПГ метод ТГВ больше подвергается контролю с земной поверхности за счет возможности оперативного изменения объемов закачки воздуха и водо-воздушного соотношения закачиваемого состава. В продолжение этих утверждений имеет место упомянуть термогазохимическое воздействие (ТГХВ).
Идея метода ТГХВ заключается в создании волны высокого давления, возникающей за счёт инициации скачка давления в призабойной зоне скважины или в удаленной от забоя зоне трещины гидроразрыва. Для генерирования скачка давления в скважину сначала поочередно закачивают химически активные вещества и инертные жидкости (водный раствор аммиачной селитры, кислоты, иногда ПАВ, продавочная и буферная вода). При их взаимодействии начинается интенсивная реакция разложения монотоплив с резким повышением давления и температуры. В одной из модификаций организации метода ТГХВ [11] для предотвращения преждевременной реакции вслед за монотопливом до подачи кислоты в скважину закачивают буферную жидкость на основе нефтяной эмульсии, инертной по отношению к обеим жидкостям. Для продавки реагирующих составов вглубь пласта, после монотоплива в скважину закачивают продавочную жидкость на основе технической воды и легких угдеводородов. Контролируемое развитие неустойчивости поверхностей раздела [12] приводит к тому, что непосредственный контакт воспламенителя и монотоплива происходит уже на значительном расстоянии от скважины. Среди компаний активно ведущих работы с технологией ТГХВ можно назвать ООО «ЦНТ», «Салым Петролеум Девелопмент» (СПД), ООО «ПЕТРОБУСТ» и другие, зачастую сервисные компании.
Предпосылками эффективного применения метода ТГХВ на месторождениях баженовской свиты является следующие за ним в пласте изменения состояния внутрипластовой системы. В результате воздействия на пласт волны высокого давления происходит образования дополнительной системы мелких трещин, что приводит к изменению проницаемости пласта, прогреваются ближайшие к зоне реакции области, а ударная волна может провоцировать фазовые переходы и химические превращения части компонентов, входящих в состав насыщающего флюида (керогена).
Применение описанных методов при разработке залежей баженовской свиты неизбежно требует сопровождения их гидродинамическими моделями. Применение известных классических симмуляторов не представляется вполне приемлемым, так как никакие из них не содержат в себе модуля керогена, обладающего уникальным составом, строением, свойствами и поведением при внешнем «быстром» воздействии. А организация воздействия с целью высвобождения нефтегенерационного потенциала представляет собой задачу многофазной фильтрации в сложнопостроенном пласте, сопровождающейся химическими реакциями и фазовыми переходами наступающими в результате взаимодействия компонентов флюидов и пласта. Поэтому необходимо создание новых собственных гидродинамических моделей, построенных на основе результатов качественных лабораторных и теоретических исследованиях. Проблема построения математической модели пород баженовской свиты упирается в замыкание математической части (уравнений) параметрами состояния и скорости разложения керогена. Пока нет экспериментальных работ, которые бы давали количественные, а не качественные характеристики процесса.
Авторами данной работы уже были сделаны попытки анализа особенностей поведения системы «насыщенный керогеносодержащий пласт» в условиях процесса перехода твердой фазы (керогена) в жидкую фазу (жидкие углеводороды), предложен ряд математических моделей, позволяющих описывать многофазную фильтрацию в керогеносодержащих породах с разной степенью точности и с учетом разных сторон процесса преобразования керогена [4, 13, 14]. В настоящее время ведутся работы по усложнению и совершенствованию описания кинетики процесса перехода керогена в подвижные углеводороды с учетом температуры и давления [15]. В рамках более упрощенного подхода к описанию процесса генерации авторами проработаны математические модели процессов фильтрации углеводородов в керогеносодержащей среде с учетом генерации дополнительной нефти при организации в пласте процесса ВПГ или ТГХВ.
Для исследования процесса ВПГ создана математическая модель многофазной многокомпонентной фильтрации с учётом фазовых переходов и химических реакций, подробно описанная в работе [15]. Математическая модель отвечает классическому подходу описания процесса ВПГ в пластах традиционной нефти с дополнением реакции разложения керогена. Основным результатом модели является вывод о том, что при быстром распространении фронта горения и низких скоростях генерации может происходить выгорание не только подвижной нефти, но и самого керогена, поэтому для уточнения коэффициентов реакции в математической модели и получения более объективных прогнозов необходимо проведение лабораторных исследований по организации процесса горения на кернах содержащих кероген.
Гидродинамические расчеты по технологии ТГХВ проводились для скважины с трещиной ГРП и моделировали два различных процесса: последовательной закачки реагирующих жидкостей непосредственно в пласт в области зоны перфорации скважины и закачки реагентов в трещину гидроразрыва. Схематично процесс последовательной закачки жидкостей в трещину изображен на Рис. 1, где цветом указаны различные составы жидкостей, насыщающих пласт. На рис.2 приведены результаты динамики дебита водных (инертных) жидкостей на нагнетательной скважине.
Рис.1. Схема поочередной закачки активных составов в пласт при организации ТГХВ.
Рис.2. Динамика дебита воды на нагнетательной скважине.
В модели считается, что реакция, сопровождаемая повышением давления и температуры, начинается на момент, когда в пласт закачаны все объемы регламентируемых составов и когда за счёт истончения зоны буферной жидкости и неустойчивости поверхностей раздела создаются условия для вступления в контакт монотоплива и кислоты. По результатам распределения полей водонасыщенности в разные моменты времени можно отслеживать продвижение в пласт порций закачиваемой буферной водной фазы, а также оценивать местоположение ее истончения и, соответственно, положения зоны смешения взаимодействующих химических веществ, которая в свою очередь будет определять зону повышенного давления и температуры. (Рис.3).
Рис.3. Поле распределения водонасыщеностей в разные моменты времени.
На рисунке 4 приведены результаты моделирования воздействия на баженовскую свиту. Модель включает два пропластка разной проницаемости и одинаковой пористости, кроме этого в составе верхнего слоя присутствуют керогеновые включения, с которыми реагирует химическое вещество, заставляя их разлагаться на подвижные углеводороды. Процесс разложения твердой фазы (керогена) приводит к увеличению пористости, и, следовательно, проницаемости. Согласно результатам работ [16, 17] в модели принято скачкообразное увеличение проницаемости до значений соответствующих порядку проницаемости трещин.
Рис.4. Динамика изменения полей распределения пористости и проницаемости в расчете, моделирующем химическое воздействие на баженовскую свиту.
На основе обобщения теоретических, экспериментальных и промысловых исследований по волновому, тепловому и взрывному воздействию на кероген обоснована возможность эффективного применения методов термогазохимического воздействия на керогеносодержащие пласты типа баженовской свиты [13]. Сделаны замечания по особенностям организации горения в керогеносодержащих пластах [15]. Результаты моделирования разных этапов процессов воздействия показали качественное совпадение с данными реальных промысловых экспериментов, чем обоснован стадийный подход к анализу моделируемого технологического процесса. Поэтому возможно применять описанных моделей для сравнительного анализа эффективности теплового воздействия на породы баженовской свиты методом ВПГ и ТГХВ при условии наличия всех необходимых для моделирования данных о свойствах залежи и скважинной продукции.
Литература
1. Коробов А.Д., Коробова Л.А. Минералогические критерии выделения контура продуктивности пород баженовской свиты // Нетрадиционные ресурсы углеводородов: распространение, генезис, прогнозы, перспективы развития: Материалы Всероссийской конференции с международным участием 12–14 ноября 2013 г. М.: ГЕОС, 2013. – с. 113-116.
2. Киреева Т.А. Структура пустотного пространства пород баженовской свиты // Нетрадиционные ресурсы углеводородов: распространение, генезис, прогнозы, перспективы развития: Материалы Всероссийской конференции с международным участием 12–14 ноября 2013 г. М.: ГЕОС, 2013. – с. 100-103.
3. Коровина Т.А., Кропотова Е.П., Гультяев С.В., Крицкий И.Л., Шадрина С.В. Генетические аспекты формирования баженовской свиты и критерии прогноза её промышленной продуктивности // Нетрадиционные ресурсы углеводородов: распространение, генезис, прогнозы, перспективы развития: Материалы Всероссийской конференции с международным участием 12–14 ноября 2013 г. М.: ГЕОС, 2013. – с.116-119.
4. Кравченко М.Н., Дмитриев Н.М., Мурадов А.В., Диева Н.Н., Герасимов В.В. Инновационные методы разработки керогеносодержащих коллекторов, стимулирующие нефтегенерационный потенциал. // Георесурсы, - 2016. – Т. 18. – №4. – Ч. 2. – С. 321-326.
5. Кокорев В. И. Инновационный термогазовый метод разработки отложений керогена баженовской свиты месторождений Западной Сибири // Нефтяное хозяйство. 2009. № 9. С. 37-39.
6. Копытов А. Г., Узбеков В. Р. Перспективы разработки битуминозных отложений Западной Сибири внутри- пластовым горением, вероятные технические и технологические сложности его реализации и способы их решения // Наука и ТЭК. 2012. № 2. С. 28-31
7. Узбеков В.Р. Влияние керогена, сосредоточенного в породах-коллекторах баженовской свиты, на процесс внутрипластового горения.//Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2015. № 2. С. 70-73
8. Боксерман А.А., Савельев В.А., Джафаров И.С., Соломатин А.Г., Миронов Д.Т. Термогазовое воздействие – инновационная технология разработки месторождений Сибири. [Электронный ресурс]. // Режим доступа: http://www.enercon-ng.ru/ru/history/2010/doc
9. Петров С.М., Каюкова Г.П., Романов Г.В., Туманян Б.П., Петрухина Н.Н., Борисов Д.Н., Абдрафикова И.М. Превращения высоковязкой нефти под действием катализаторов в пористой карбонатной среде. // Нетрадиционные ресурсы углеводородов: распространение, генезис, прогнозы, перспективы развития: Материалы Всероссийской конференции с международным участием 12–14 ноября 2013 г. М.: ГЕОС, 2013. – с.209-212.
10. Боксерман А.А., Савельев В.А., Джафаров И.С., Соломатин А.Г., Миронов Д.Т. Термогазовое воздействие – инновационная технология разработки месторождений Сибири. [Электронный ресурс].//Режим доступа:http://www.enercon-ng.ru/ru/history/2010/doc
11. Заволжский В.Б., Бурко В.А., Идиятуллин А.Р. и др. Способ обработки призабойной зоны пласта. ПатентРФ №2440490 М: 2009.
12. Smirnov N.N., Nikitin V.F., Maximenko A., Thiercelin M., Legros J.C. Instability and mixing flux in frontal displacement of viscous fluids from porous media. Physics of Fluids, 2005, vol.17, 084102.
13. Dieva N.N., Dmitriev N.M., Kravchenko M.N., Muradov A.V. Possibility Of Kerogen Decomposition Using Termo-Gas Wave Stimulation In Bazhenov Formation. // Российская нефтегазовая техническая конференция SPE (6-28 октября 2015). – М.: ИнфоПространство. – SPE-176705-MS. – 9 с.
14. Вольпин С.Г., Диева Н.Н., Кравченко М.Н. Построение модели процесса разработки керогеносодержащего коллектора // Повышение эффективности разработки нефтяных месторождений. Сборник научных трудов ОАО «Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт им.акад. А.П. Крылова», 2010, Выпуск143, с.78-85.
15. Кравченко М.Н., Мурадов А.В., Диева Н.Н., Перехожев Ф.А. Методы внутрипластового горения на керогеносодержащих пластах. // Neftegaz.RU – 2017 – 10. – с. 50-54.
16. Коровина Т.А., Кропотова Е.П., Гультяев С.В. и др. Генетические аспекты формирования баженовской свиты и критерии прогноза ее промышленной продуктивности. // Георесурсы, геоэнергетика, геополитика // Нетрадиционные ресурсы углеводородов: распространение, генезис, прогнозы, перспективы развития. Материалы Всероссийской конференции с международным участием 12–14 ноября 2013 г. М.: ГЕОС, 2013, с. 116-119.
17. Нестеров И.И., Симоненко Б.Ф., Ларская Е.С., Калинко М.К., Рыльков А.В. Влияние геостатического давления на образование углеводородных флюидов в процессе термокатализа ОВ (по экспериментальным данным) // Геология нефти и газа, 1993, №12, с. 22-25.
Факты:
30%
Уровень сокращения выхода летучих продуктов на органическую массу, при котором образовываться микротрещиноватая структура
300°С
Температура пласта пласта, при которой увеличивается генерационная скорость на несколько порядков
700°С
Температура (плюс повышенное давление) дающая возможность генерировать подвижные углеводороды в режиме реального времени
ТГХВ
Метод создания волны высокого давления, возникающей за счёт инициации скачка давления в призабойной зоне скважины или в удаленной от забоя зоне трещины гидроразрыва
70oC
Температура пласта, при которой самоокислительный процесс сопровождается разогревом нефтематеринской породы и увеличением содержания легких фракций УВ
Авторы:
Мурадов Александр Владимирович,
Профессор, д.т.н., Российский государственный университет нефти и газа НИИ им. И.М. Губкина,
Диева Нина Николаевна,
старший преподаватель, к.т.н., Российский государственный университет нефти и газа НИИ им. И.М. Губкина
Кравченко Марина Николаевна,
доцент, к. ф.-м. н., Российский государственный университет нефти и газа НИИ им. И.М. Губкина,
Перехожев Фёдор Анатольевич,
Российский государственный университет нефти и газа НИИ им. И.М. Губкина,
