Уникальное Ярегское месторождение тяжелой нефти разрабатывается уже в течение нескольких десятков лет. За это время технология извлечения тяжелой нефти практически не изменилась и физически основана на тепловом методе воздействия на продуктивные пласты. Доставка тепловой энергии в пласт осуществляется путем закачки в пласт водяного пара в специальные пробуренные скважины. На основе геолого-геофизических данных разработаны геолого-технологические и математические модели, в соответствии с которыми в настоящее время реализуется технология разработки Ярегского месторождения.

Вместе с тем практической опыт реализации принятых технологических решений показывает, что в силу неоднородности продуктивного пласта в зоне прогрева тем не менее находятся низкопроницаемые участки, извлечение нефти из которых оказывается в силу их коллекторских свойств затрудненным или вообще невозможным. Этот факт указывает на то, что в этих участках, несмотря на тепловое воздействие, нефть оказывается гидродинамически неподвижной. Доля таких участков по отношению к зоне воздействия может достигать по оценкам порядка 25-35 %, поэтому актуальным является поиск технологических решений, направленных на извлечение нефти из этих участков, что будет способствовать повышению нефтеотдачи по месторождению в целом.

Анализ этих методов повышения нефтеотдачи пластов, а также специфичность пластовой системы этого месторождения указывают на необходимость дополнительной закачки энергии в пласт. Возможности изменения энергии пласта за счет теплоносителя практически исчерпаны и следует рассматривать альтернативные варианты. В этом плане значительный интерес представляет применение для решения обозначенной задачи волновых методов воздействия, а точнее ультразвукового воздействия. Применение ультразвукового воздействия привлекательно по нескольким причинам и, прежде всего, как энергетическим, так и по экологическим соображениям. Кроме того, известно, что ультразвуковая волна в зависимости от частотного диапазона может проникать на глубину до нескольких десятков метров, а ее энергия на этих расстояниях полностью переходит в тепловую. Таким образом, применение ультразвуковой обработки пласта позволит целенаправленно воздействовать на определенные участки пласта и изменять реологические (гидродинамические) свойства пластового флюида, как за счет вибрационного воздействия на межмолекулярное взаимодействие нефть-горная порода, так и за счет изменения вязкости пластового флюида в результате теплового нагрева.

В нефтегазовой отрасли начало применения волновых технологий относится к 1960-м гг. [1-5], когда метод виброударного воздействия, разработанный в институте МИНХиГП им. И.М. Губкина, стал применяться в дополнение к кислотным обработкам на месторождениях Азербайджана и ООО «Куйбышевнефть», а далее как самостоятельный метод – на нефтепромыслах Башкирии [6]. С этого момента волновые методы получили достаточно мощный толчок в развитии и применении для решения нефтегазовых задач.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия были разработаны, испытаны в промысловых условиях различные волновые методы воздействия, отличающиеся по способам возбуждения упругих волн в продуктивных пластах, расположению, частотным и энергетическим характеристикам генераторов и источников волн, зонам и глубине воздействия на продуктивные пласты, включая призабойную зону пласта или залежь в целом. За это время проведены широкомасштабные промысловые испытания технологий волнового воздействия, успешность которых составляла 60–80 % при длительности последействия от 1,0–1,5 до 2,5–5,0 лет.

Особый интерес, благодаря возможности управления воздействием (направлением и глубиной) на продуктивный пласт, в том числе на призабойную зону, определяющей добывные возможности скважин, представляет технология, основанная на применении ультразвуковой (УЗ) волны. Тем более, что в настоящее время, в связи с появлением малогабаритной аппаратуры высокой мощности, для этой технологии открываются новые перспективы ее применения, в том числе на новых объектах, включая нефтегазоконденсатные месторождения и месторождения высоковязких нефтей [7, 8].

Как показывает практический опыт применения волновых технологий к их отличительным особенностям и преимуществам можно отнести [1-3, 5, 9-12]:

• возможность применения на месторождениях с осложненными условиями эксплуатации скважин при неэффективности и нерентабельности других методов;
  

• комплексность в сочетании с другими методами воздействия (тепловыми, химическими и др.);

• вариацию глубины и охвата воздействием продуктивной залежи;

• возбуждение спектра дополнительных волновых эффектов и физико-химических явлений, сопровождающих монопольное волновое воздействие;

• возможность восстановления фильтрационных характеристик призабойной зоны пласта и интенсификация притока флюида в скважины;

• изменение реологических свойств флюида за счет различных физических эффектов волнового воздействия на флюидальную систему;

• экологичность.

Вместе с тем перед специалистами, работающими в данном направлении, с самого начала внедрения УЗ технологий стоит ряд неразрешенных вопросов:

• выбор оптимальных параметров обработки (частот воздействия, интенсивности, времени обработки и т.д.) для каждого конкретного случая (характеристики породы, свойства флюида, пластовые давления и температура и т. д.);

• определение степени влияния составляющих УЗ обработки (тепловая компонента, и, соответственно, волновая механика);

• оценка эффективности и долгосрочности эффекта от УЗ обработки.

С учетом вышеизложенного основной целью настоящей работы было экспериментальное изучение влияние ультразвукового воздействия на пластовую систему Ярегского месторождения, результаты которых позволили бы обосновать в последующем технологические решения применения этого метода для повышения УВ отдачи продуктивных пластов этого месторождения.

Для оценки ультразвукового воздействия на пласт Ярегского месторождения были проведены экспериментальные исследования на нефтенасыщенном образце керна Лыаельской площади и нефти Ярегского месторождения, а также модельной системе, имитирующей пластовую систему этого месторождения.

Керновый материал был отобран из продуктивной толщи Лыаельской площади Ярегского месторождения и из него был выбурен параллельно напластованию образец длиной 70 мм и диаметром 30 мм. В этом образце на расстоянии 15 и 66 мм от одного из его торцов были просверлены небольшие отверстия глубиной 4 мм, в которые при проведении эксперимента для измерения температуры внутри образца керна устанавливались термопары (рисунок 1а).

Для создания в образце керна ультразвуковой волны использовался УЗ излучатель, который имел следующие технические характеристики: частота излучения 16,0–19,0 кГц; выходная мощность УЗ генератора до 1 кВт.

Для проведения экспериментальных исследований была собрана установка, изображенная на рисунке 1б и состоящая из: генератора УЗГ колебаний с излучателем УЗ волны (2); образца озвучиваемого керна (5); термопар (4); регистратора показаний сигнала термопар.

РИС. 1. Образец керна Лыаельской площади (а) и экспериментальная установка для УЗ озвучивания образца керна (б)

Экспериментальные исследования на нефтенасыщенном образце керна проводились на частоте 18,3 кГц с выходной мощностью УЗ излучателя в диапазоне 400–1000 Вт соответственно при значениях: 400; 600; 800 и 1000. Озвучивание образцов керна проводилось на каждой из указанной выходной мощности генератора УЗ колебаний в непрерывном режиме в течение примерно 4 часов.

Результаты изменения температур образца керна в процессе УЗ облучения представлены на рисунке 2. Видно, что после включения УЗ излучателя температура образца керна экспоненциально нарастет в течение примерно 2 000 с и плавно достигает насыщения в последующих 2 000–3 000 с. При этом значения температуры на ближней термопаре, выходят на стабилизацию немного раньше (3 000–4 000 с), а на дальней термопаре примерно после 4 000–5 000 с, что закономерно и связано с дополнительным «медленным» притоком тепла, от близлежащей к излучателю части керна, вследствие теплопроводности. При этом максимально достижимые в образце керна значения температуры Т оказываются прямо пропорциональными мощности УЗ генератора Р и описываются уравнениями:

Коэффициенты пропорциональности определяют скорость нагрева образца керна в точках, расположенных на разных расстояниях от источника УЗ волны. Естественно, что наибольшая скорость нагрева соответствует точке, находящейся ближе всего к излучателю.

Следует отметить, что нагрев образца керна при разных значениях выходной мощности УЗ излучателя (400… 1000 Вт) подчиняется одной и той же закономерности. Это наглядно прослеживается на данных приведенных значений температур, построенных путем отношения текущих показаний температуры к максимально достигнутому значению температуры образца керна при данной мощности УЗ излучателя (рисунок 3).

1 – термопара на входе образца керна; 2 – термопара на конце образца керна

РИС. 2. Изменение температуры образца керна в зависимости от выходной мощности генератора: 1000 (а); 800 (b); 600 (с) и 400 (d) Вт

РИС. 3. Изменение приведенных значений температуры образца керна в зависимости от выходной мощности генератора: 1000 (а); 800 (б) Вт

На основании статистической обработки полученных данных установлено, что эта зависимость описывается уравнением вида (R² = 0,9950):

Полученные закономерности указывают на то, что при всех значениях мощности УЗ озвучивания керна термический нагрев осуществляется за счет одних и тех же физических механизмов. Интересным является факт, что стабилизация температуры образца керна происходит примерно через час при непрерывной подаче УЗ энергии. Это означает, что по мере накачки УЗ энергии в керн и его нагрева за счет поглощения энергии волны постепенно подключаются конкурирующие процессы теплопередачи. Наиболее вероятными будут механизмы, связанные с теплопотерями через поверхность образца керна за счет конвекции и излучения, «скорости» которых пропорциональны градиенту температур «образец-окружающая среда». С позиции технологического применения УЗ волны для воздействия на продуктивный пласт Ярегского месторождения эти процессы будут оказывать дополнительное положительное термическое воздействие на пластовую систему.

На втором этапе экспериментальных исследований для изучения термического воздействия УЗ волны на нефтяную подсистему Ярегского месторождения был собран экспериментальный стенд на базе стандартного кернодержателя для моделей пласта производства ЗАО «Геологика» (рисунок 4), представляющего собой цилиндрическую трубу длиной 1 м и диаметром 5 см, на боковой образующей которой имеются отверстия для установки термопар. Для возбуждения ультразвукового воздействия использовались те же УЗ генератор и УЗ излучатель, применявшийся при озвучивании образца керна.

Для сопряжения УЗ излучателя и модели пласта были изготовлены торцевые втулки с резиновыми прокладками, обеспечивающие акустическую развязку излучателя, приемника и корпуса модели пласта. Торцевые втулки были изготовлены такой длины, чтобы в них укладывалось для наилучшего прохождения УЗ энергии целое число длин полуволны. Втулки имели сквозное отверстие для прокачки через них нефти и в них были высверлены углубления для установки термопары. К входной втулке крепился УЗ излучатель, а к выходной втулке УЗ приемник, выход которого коммутировался с регистрирующим осциллографом, по показаниям которого велся контроль прохождения УЗ волны, через закаченную в модель пласта нефть Ярегского месторождения. В процессе УЗ озвучивания велся контроль прохождения УЗ волны и температуры нефти по длине модели пласта с помощью термопар, установленных на расстояниях от входной втулки: 13,5; 36,5; 48,0 и 71,0 см.

УЗ воздействие на нефть проводилось на частоте 18,6 кГц в течение пяти часов при выходной мощности УЗ генератора, равной 800 Вт.

РИС. 4. Блок-схема стенда

1 – ультразвуковой излучатель; 2 – волновод; 3, 7 – манометры; 4, 8 – торцевые втулки; 5 – корпус модели пласта; 6 –термопары; 9 –ультразвуковой приемник (акселератор); В₁, В₂ – вентили; УЗГ – ультразвуковой генератор; Н –насос; ЕН – емкость с нефтью; ОСР – осциллограф регистрирующий

Результаты изменения температуры нефти в процессе озвучивания представлены на рисунке 5. Видно, что в процессе УЗ воздействия происходит постепенный нагрев нефти с последующей стабилизаций ее температуры по длине модели пласта примерно через 8000–9000 сек. Стабилизация температуры нефти в процессе ее УЗ нагрева в модели пласта указывает на существование конкурирующих процессов, которые обсуждены выше.

Наблюдаемые в начальный период УЗ воздействия температурные колебания на термопаре, установленной непосредственно на входе модели пласта, обусловлены, вероятнее всего, изменением акустического импеданса УЗ излучателя и нефти при повышении температуры. Небольшая подстройка частоты излучателя приводила к исключению этих температурных колебаний.

1 – 0 см; 2 – 13,5 см; 3 – 36,5 см; 4 – 59,5 см; 5 – 71,0 см

РИС. 5. Изменение температуры нефти от времени излучения по показаниям термопар, установленных по длине модели пласта при выходной мощности УЗ генератора 800 Вт

Распределение температуры нефти по длине модели пласта r, возникающее при УЗ воздействии, хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, задаваемой формулой

соответствует теоретическому распределению, которое могло бы возникнуть вследствие разогрева нефти за счет диссипации ультразвуковой энергии. Коэффициент, стоящий в показателе экспоненты, по сути определяет глубину прогрева нефти и определяется как коэффициентом затухания УЗ волны в нефти, так и величиной энергии ультразвука, подаваемой на озвучиваемую нефть.

На заключительном этапе работ по экспериментальному изучению УЗ воздействия была создана модельная пластовая система на основе насыпной модели пласта, имитирующая пластовую систему Ярегского месторождения.

Насыпная модель пласта готовилась на основе специально подготовленной (промытой, просушенной) фракции песка размером 110-150 мкм, которая помещалась в описанный выше кернодержатель и тщательно трамбовалась. По завершении трамбования песка модель пласта закрывалась торцевыми втулками и проводилось определение ее рабочего объема и абсолютной газопроницаемости по гелию методом стационарной фильтрации по ГОСТ 26450.2-85. По результатам этих измерений пористость модели оказалась примерно равной 38 %, а средняя проницаемость на разных режимах расхода газа – 19,21 мкм². Затем модель пласта была отвакуумирована, заполнена под избыточным давлением нефтью Ярегского месторождения и к ней были подсоединены УЗ излучатель и УЗ приемник.

Экспериментальные исследования по ультразвуковому воздействию на модельную пластовую систему выполнялись в непрерывном режиме на частоте 18,3 кГц в течение пяти часов при мощности на выходе УЗ генератора 800 Вт. В процессе эксперимента контролировались прохождение УЗ волны и с помощью термопар – температура по длине модели пласта.

На рисунке 6 показано изменение температуры насыпной модели пласта в зависимости от времени. Видно, что изменение температуры, как и в случае ультразвукового нагрева нефти, происходит немонотонно и примерно через два часа (к 8 000–9 000 с) достигает максимальных значений и стабилизируется.

При этом стабилизация температуры на торцевой втулке, на которой установлен УЗ излучатель, происходит существенно позднее (лишь к 16 000–18 000 с), по сравнению с самой моделью пласта. Причем температура в этой области достигает сначала более высоких значений, которые наблюдаются при стабилизации температуры. Наблюдаемое изменение температуры в этой области еще раз свидетельствует о том, что по мере разогрева модели пласта все большую роль с ростом температуры начинают играть конкурирующие процессы теплопередачи, приводящие к стабилизации температуры в модели пласта. Очевидно, что эти процессы, стабилизирующие температуру в модели пласта, в реальных пластовых условиях будут исключены. Поэтому в пластовых условиях следует ожидать достижения больших значений температуры за счет УЗ нагрева, поскольку все процессы тепло- и температуропереноса буду направлены в пласт.

1 – 0 см; 2 – 13,5 см; 3 – 36,5 см; 4 – 48,0 см; 5 – 71,0 см

РИС. 6. Изменение температуры насыпной модели от времени излучения по показаниям термопар, установленных по длине насыпной модели пласта при выходной мощности УЗ генератора 800 Вт

На рисунке 7 показано в сравнении распределение температуры по длине модели пласта при УЗ воздействии на нефть и модельную пластовую систему. Видно, что при одинаковой выходящей энергии УЗ излучателя (800 Вт) наблюдается практически одинаковое распределение температурного поля, которое устанавливается после стабилизации показаний температуры в модели пласта, заполненной нефтью или пластовой модельной системой. Этот факт представляет большое практическое значение, поскольку указывает на то, что в матрице (горной породе) УЗ волна поглощается очень слабо. Основное поглощение энергии УЗ волны обусловлено в пластовой системе, насыщающей ее нефтью, в результате чего происходит разогрев последней и повышение температуры примерно до 40 °С и более, что будет сопровождаться, в частности, уменьшением ее вязкости примерно в 10-20 раз.

РИС. 7. Распределение приведенной температуры в нефти (1) и модельной пластовой системе (2) по длине модели пласта от расстояния до излучателя

Таким образом, в результате экспериментальных исследований по изучению ультразвукового воздействия на образцах керна, нефти и модельной пластовой системе, имитирующей Ярегское месторождение, получены следующие результаты:

• при УЗ воздействии за счет диссипации энергии волны происходит нагревание образцов керна, нефти и модельной пластовой системы;изменение температуры образцов керна линейно зависит от величины энергии ультразвуковой волны;

• изменение (увеличение) температуры при ультразвуковом воздействии на всех исследованных объектах (керн, нефть, модельная система) происходит подобным образом по экспоненциальному закону;

• значения температур нефти и модельной пластовой системы при одинаковой выходящей энергии УЗ излучателя оказываются одинаковыми, что указывает на практически важный результат – преимущественное рассеяние энергии волны в насыщающей коллектор Ярегского месторождения нефти и, следовательно, возможность ультразвукового воздействия на ее физико-химические свойства, в том числе и ее гидродинамическую подвижность.

1. Кузнецов О.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. – М.: Недра, 1983. – 192 с.

2. Повышение продуктивности и реанимация скважин / В.П. Дыбленко, Р.Н. Камалов, Р.Я. Шарифуллин и др. – М.: Недра, 2000. – 381 с.

3. Сургучев М.Л., Кузнецов О.Л., Симкин Э.М. Гидродинамическое, акустическое, тепловое циклические воздействия на нефтяные пласты. – М.: Недра, 1975. – 184 с.

4. Влияние ультразвуковых полей на проницаемость горных пород при фильтрации воды / Н.В. Черский, В.П. Царев, В.М. Коновалов и др. // ДАН СССР, 1977. – Т. 232. – № 1. – С. 201–205.

5. Падалка Е.С. Ультразвук в нефтяной промышленности. – Киев: Гостехиздат УССР, 1962. – 67 с.

6. Кучумов Р.Я. Применение метода вибровоздействия в нефтедобыче. – Уфа: Башк. кн. изд-во, 1988. – 112 с.

7. Латышев А.А. О возможном механизме ультразвукового воздействия на газоконденсатные системы / А.А. Латышев, В.О. Некучаев, П.П. Ракк // Технологии нефти и газа, 2016. – № 5 (106). – С. 32–36.

8. Федоров И.А. Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему / А.А. Латышев, В.О. Некучаев, П.П. Ракк // Вести газовой науки, 2016. – № 4 (28). – С. 190 – 195.

9. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технологии – М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. – 712 с.

10. Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. – М.: Мир, 2001. – 260 с.

11. Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. – М.: Наука, 1977. – 135 с.

12. Музипов Х.Н. Интенсификация притоков нефти с помощью звуковых волн: автореф. дис. … канд. техн. наук: 25.00.17. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – 24 с.

Авторы:

Сергей Михайлович Дуркин, к.т.н., доцент кафедры РЭНГМ и ПГ, Ухтинский государственный технический университет

Александр Александрович Латышев, к.т.н., доцент, заместитель начальника отдела корпоративного центра исследований пластовых систем, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухте

Антон Владимирович Поляков, начальник лаборатории экспериментальных исследований пластовых флюидов филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухте,

Павел Павлович Ракк, аспирант, инженер 2-й категории, филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ»