Энергосберегающие технологии: Разработки неоднородных коллекторов при нестационарном заводнении

Существенная доля запасов углеводородов находится в терригенных и карбонатных неоднородных коллекторах месторождений Урало-Поволжья и Западной Сибири, в том числе в пластах с суперколлекторами (Талинская площадь Красноленинского месторождения, Ванкорское и Оренбургское месторождения и т.д.). Среди этих коллекторов есть как характеризующиеся наличием гидродинамической связи во всем объеме пласта между слоями, областями, зонами с различной проницаемостью, так и показателями неоднородности в соответствии с классификаций ВНИИнефть имени академика А.П. Крылова, (песчанистость, расчленённость, зональная и послойная неоднородность) [4]. При определенном сочетании указанных параметров повышение эффективности разработки неоднородных коллекторов возможно при нестационарном заводнении (циклическое заводнение) с целью активизации упруго – капиллярных механизмов нефтеизвлечения.

Несмотря на большое количество исследований по вопросу технологий нестационарного заводнения, до настоящего времени при выборе технологических параметров недостаточно полно учитываются сложные механизмы нефтеизвлечения, связанные с обменом флюидами между неоднородными слоями, областями, зонами.

При нестационарном заводнении в периоды повышения пластового давления возникают гидродинамические градиенты давления в сторону малопроницаемых элементов пласта, в т.ч. усиливающие процесс капиллярной пропитки. При этом увеличивается упругий запас и, следовательно, объем воды, внедряемой в пласт. В период снижения пластового давления знак градиента давления меняется, и внедрившаяся вода вместе с нефтью получает возможность обратного перетока в высокопроницаемые участки; из-за микронеоднородности поровой среды и ее гидрофильных свойств (особенности смачивания) часть нефти в наименее мелких порах замещается водой под действием капиллярных сил. В пулуцикле снижения пластового давления происходит расширение системы пласт –флюид, способствующее выравниванию давления в областях с различной пьзопроводностью, т.е. перетоку флюида в высокопроницаемые составляющие.

Обобщение результатов теоретических, экспериментальных и промысловых исследований показало, что в настоящее время не достаточно обоснованы критерии применения как самих технологий нестационарного заводнения, так и технологических параметров (продолжительность полуциклов, гидродинамические градиенты и др.). Это связано с большим числом природных и технологических факторов, влияющих на эффективность разработки указанных коллекторов. Для оценки влияния указанных факторов на эффективность разработки исследуемых коллекторов используются приближенные зависимости, полученные при соответствующих допущениях, а также статистические зависимости как результат обобщения промысловых и экспериментальных лабораторных исследований. Учитывая вышеизложенное, дальнейшее изучение процессов извлечения углеводородов связано с проведением численных исследований при использовании современных программных продуктов. Для планирования, проведения и анализа численных исследований необходима разработка соответствующих научно-методических основ.

Методика планирования и проведения численных исследований процессов разработки карбонатных коллекторов порово-трещинного типа

Численные исследования поведены на подробных секторных моделях, в т.ч. на моделях двойной проницаемости. Данная модель предполагает моделирование двух сред: трещинной и поровой. Размер ячейки сеточной области составлял 20х20х5 метров. Капиллярные давления на начало расчетов в блоках матрицы задаются постоянными, что соответствует однородности блоков на микроуровне. Такое допущение можно считать оправданным для низкопроницаемой матрицы без учета микротрещин и каверн. В противном случае капиллярная пропитка реализуется в значительно меньшей степени. Принудительная капиллярная пропитка может быть достигнута при нестационарном заводнении с большими градиентами давления в полуциклах закачки.

Все закономерности, полученные в результате численных исследований по моделям фрагментов пластов, выявлены в рамках принятых допущений и в тех пределах, в которых варьировались природные параметры. Вместе с тем, результаты численных исследований являются достоверными (при принятых допущениях), поскольку при построении моделей фрагментов максимально учитывались геолого-промысловые условия.

Следует отметить, что при применении циклического заводнения может иметь место гистерезис фазовых проницаемостей и капиллярных давлений, а также гистерезис проницаемости системы при увеличении эффективного давления (полуцикл снижения давления). Указанные выше процессы могут учитываться в современных программных продуктах по гидродинамическому моделированию. Для повышения достоверности гидродинамических расчетов необходимо иметь полный комплекс геолого-геофизических исследований и данные физического моделирования. Например, при гидравлическом обжиме керна можно оценить границы изменения пластового давления при недопущении необратимых потерь проницаемости системы.

Гидродинамическая модель фрагмента карбонатного пласта для проведения численных исследований построена на основе фильтрационно-емкостных и физических свойств системы, близких к условиям Приразломного месторождения арктического шельфа РФ. Гидродинамические модели фрагментов терригенного пласта с суперколлектором и терригенного неоднородного расчлененного пласта построены для условий, близких к Талинской площади Красноленинского месторождения и для одного из горизонтов месторождения Узень республики Казахстан, показатели неоднородности которого соответствуют эффективному применению нестационарного заводнения [4].

Во всех случаях капиллярное давление низкопроницаемых составляющих соответствовало особенностям смачивания гидрофильных коллекторов, а также учитывалось изменение проницаемости системы от эффективного давления, т.е. технологии заводнения, при которых возможна активизация упругих и капиллярных сил, могут способствовать повышению эффективности разработки.

Авторами был проведен значительный комплекс исследований для получения закономерностей влияния природных параметров и управляющих воздействий на показатели разработки указанных типов неоднородных коллекторов [1-3]. Ниже приведены результаты, которые можно считать типовыми для обоснования технологических параметров при циклическом заводнении.

Влияние гидродинамических градиентов при стационарном заводнении карбонатных коллекторов

На первом этапе исследования изучалось влияние гидродинамических градиентов на эффективность разработки карбонатных коллекторов порово-трещинной структуры (основные запасы приурочены к низкопроницаемой матрице). Проведены расчеты для модели с размерами блоков матрицы 10*10*10 м при полной компенсации, перекомпенсации (105%) и неполной компенсации (95%) (таблица 1, рисунки 1-3). Под уровнем компенсации в данном случае понимается ограничения на дебиты и приемистости скважин. При разных ограничениях пластовые давления поддерживаются на разных уровнях. Результаты расчетов показали, что недокомпенсация приводит к увеличению накопленной добычи нефти по сравнению с полной компенсацией на 7 %, перекомпенсация – к уменьшению на 3%. При этом в варианте в недокомпенсацией уменьшается накопленная добыча воды на 6% и накопленная закачка на 5% по сравнению с базовым вариантом при полной компенсации. Добыча воды и закачка в варианте с перекомпенсацией сопоставимы с показателями в базовом варианте. Так, вариант с неполной компенсацией характеризуется более высокими показателями разработки (табл. 1). Неполная компенсация приводит к постепенному снижению пластового давления. Поэтому данный вариант характеризуется более низкими гидродинамическими градиентами давления в пласте, что способствует активизации упруго-капиллярных сил. Напротив, в варианте с перекомпенсацией наблюдается рост пластового давления до некоторого максимального значения, величина которого зависит от приемистости нагнетательной скважины. Более подробно исходные данные для построения секторных гидродинамических моделей приведены в [1].

Обоснование режимов работы добывающих и нагнетательных скважин при циклическом заводнении карбонатных коллекторов

Представлены результаты численных исследований процесса циклического заводнения для рассмотренной модели карбонатного пласта. Сравнение показателей разработки проведено с вариантом полной компенсации отборов закачкой. Рассмотрено 3 варианта циклического заводнения (циклика 1/1,циклика 1/3, циклика 1/6). Под цикликой 1/3 понимается, что нагнетательная скважина находится в работе, например, 1 месяц с последующей остановкой на 3 месяца. Добыча ведется постоянно. Аналогично для других вариантов циклического заводнения. Кроме того, приведено исследование влияния продолжительности полуциклов добычи на эффективность нефтеизвлечения. В данном разделе циклическое заводнение рассмотрена как альтернатива традиционному заводнению.

В целом рассмотренные варианты циклического заводнения характеризуются лучшими показателями разработки по сравнению с базовым вариантом стационарного заводнения при полной компенсации (рисунки 1-3, таблица 1). Так, накопленная добыча для циклики 1/6 выше на 11%, незначительно уменьшаются объемы попутно добываемой воды и закачка (1-2%) (табл.1). Однако, циклика 1/1 не приводит к значительным изменениям показателей разработки. Это свидетельствует о том, что для данных геолого-промысловых условий более эффективной оказывается циклическое заводнение с неравномерными полуциклами при увеличении продолжительности полуцикла добычи [1].

Рисунок 1. Динамика накопленной добычи нефти при циклическом и стационарном заводнении

Рисунок 2. Характеристики вытеснения «Обводненность - КИН» при циклическом и стационарном заводнении

Рисунок 3. Характеристики вытеснения «Накопленная добыча нефти – накопленная добыча жидкости» при циклическом и стационарном заводнении

Таблица 1. Показатели для вариантов разработки порово-трещинного коллектора с различными размерами блоков матрицы

№	Название варианта	Накопленная добыча нефти, тыс.м3	Накопленная добыча воды, тыс.м3	Накопленная закачка, тыс.м3	Срок разработки, год	Обводненность, д.е.	КИН, %	Изменение КИН, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Проницаемость матрицы 5мД, трещин - 200 мД, размер матричного блока 10х10х10м
13	Компенсация отборов	222.56	2839.06	3092.14	57	0.98	27.71	-
14	Перекомпенсация	215.76	2852.79	3107.54	57	0.98	26.86	-3
15	Неполная компенсация	239.54	2676.04	2922.57	57	0.97	29.82	8
16	Циклика 1/1	259.14	2801.65	3100.74	57	0.97	32.26	16
17	Циклика 1/3	277.41	2777.77	3088.07	57	0.97	34.54	25

Применение систем горизонтальных скважин при циклическом заводнении карбонатных коллекторов

Для исследуемого типа карбонатных коллекторов (проницаемость матрицы 5 мД, проницаемость трещин – 200 мД.) оценивались показатели разработки при циклическом заводнении при применении горизонтальных добывающих скважин (ГС) при шахматном расположении. Длины добывающих горизонтальных скважин: 200, 400, 600, 800, 1000 м. Рассмотрены варианты циклического заводнения с полуциклом повышения пластового давления (закачки) продолжительностью 1 месяц; продолжительность полуциклов падения пластового давления изменялась от 1 до 6 месяцев, рисунок 4.

Для низкопроницаемых карбонатных коллекторов (проницаемость матрицы – 3 мД, проницаемость трещин – 30 мД.), длины добывающих горизонтальных скважин: 200 и 1000 м., рассмотрены варианты циклического заводнения с полуциклом повышения пластового давления (закачки) продолжительностью 1 месяц; продолжительность полуциклов падения пластового давления изменялось от 1 до 6 месяцев, рисунок 5.

Учитывая вышеизложенное, циклическое заводнение эффективно для низкопрооницаемого карбонатного коллектора при одинаковой продолжительности полуциклов. При этом с увеличением длины горизонтального участка эффективность нефтеизвлечения возрастает, в то время, как для высокопроницаемого коллектора при увеличении длины горизонтальных скважин эффективность нефтеизвлечения снижается вследствие обводнения продукции ГС по трещинам.

Рисунок 4. - КИН в зависимости от длительности полуцикла падения пластового давления и длины ГС для высокопроницаемого коллектора

Рисунок 5. - КИН в зависимости от длительности полуцикла падения пластового давления и длины ГС для низкопроницаемого коллектора.

Обоснование режимов работы добывающих и нагнетательных скважин при циклическом заводнении пластов с суперколлектором

При проведении численных исследований получены количественные закономерности влияния на эффективность заводнения следующих природных и технологических параметров: размеров блоков матрицы, капиллярного давления и проницаемости матрицы, а также темпов разработки и продолжительности полуциклов.

При проведении численных исследований в пластах с суперколлекторами также получены количественные закономерности влияния указанных выше природных и технологических параметров (продолжительность полуциклов и др.). Так, влияние полуцикла закачки (при длительности полного цикла 90 суток) при различных проницаемостях основного пласта и суперколлектора (рис. 6).

Рисунок 6. Диаграмма максимального КИН для различного соотношения проницаемостей НПК и ВПК

Эффективность циклического заводнения оценивалась по сравнению со стационарным заводнением при максимально возможной добыче жидкости. В работе изменялся только режим работы нагнетательно скважины, добыча осуществляется непрерывно.

Численные исследования проводились при участии аспиранта кафедры Загайнова Александра Николаевича [2].

Обоснование режимов работы добывающих и нагнетательных скважин при циклическом заводнении расчлененных коллекторов.

При численных исследованиях оценивалось влияние на показатели разработки момента начала применения циклического заводнения и соотношения полупериодов закачки и падения пластового давления в соответствии с таблицами 2 - 5 и рисунками 7-10. Практически все исследуемые технологии циклического заводнения позволяют увеличить накопленную добычу нефти и снизить водонефтяной фактор за исследуемый период времени (30 лет) [3].

Следует отметить, что при применении циклического заводнения с начала разработки в пласте практически отсутствует подвижная вода и перетоки между прослоями приводят лишь к обмену равным количеством нефти - циклическое заводнение снижает темпы отбора нефти и практически не влияет на динамику обводнения. Циклическое заводнение начинает работать по мере насыщения водой высокопроницаемого коллектора.

Таблица 2 Зависимость КИН за расчетный период от продолжительности полуцикла падения пластового давления

КИН, д. ед		период простоя, сутки
		7	14	28	56
период закачки, сутки	7	0,341	0,342	0,308	0,282
	14	0,348	0,348	0,339	0,318
	28	0,345	0,356	0,356	0,337
	56	0,335	0,341	0,357	0,348

Таблица 3 Зависимость относительного прироста добчи нефти от продолжительности полуцикла падения пластового давления

изменение добычи нефти, %		период простоя, сутки
		7	14	28	56
период закачки, сутки	7	8%	5%	-3%	-11%
	14	10%	10%	7%	0%
	28	9%	12%	12%	6%
	56	6%	8%	13%	10%

Таблица 4 Значения ВНФ за расчетный период от продолжительности полуциклов закачки и падения пластового давления

ВНФ, м3/м3		период простоя, сутки
		7	14	28	56
период закачки, сутки	7	5,02	3,22	1,74	0,94
	14	6,7	4,78	3	1,97
	28	8,14	6,35	4,52	2,95
	56	9,45	5,02	6,19	4,57

Таблица 5 Относительное изменение водонефтяного фактора при циклическом заводении

изменение ВНФ, %		период простоя, сутки
		7	14	28	56
период закачки, сутки	7	-52%	-69%	-83%	-91%
	14	-36%	-54%	-71%	-81%
	28	-22%	-39%	-57%	-72%
	56	-10%	-52%	-41%	-56%

Получены зависимости относительного прироста добычи нефти и снижения ВНФ от доли периода бездействия, причем указанная доля периода бездействия – отношение длительности периода, в течение которого нагнетательная скважина бездействуют, к общей продолжительности цикла. Оптимальная доля периода бездействия составляет 0.3-0.5 д.ед. и практически не зависит от длительности цикла, который может составлять от 2 до 8 недель, причем с увеличением периода остановки нагнетательной скважины снижается ВНФ.

Таким образом, показано, что для исследуемых условий [3] технологии циклического заводнения более эффективны по сравнению со стационарным заводнением, накопленная добыча нефти увеличивается на величину более 10 %, а водонефтяной фактор снижается на величину от 10 до 90%. Оптимальное отношение периода бездействия нагнетательной скважины к длительности цикла составляет 0.3-0.5 д.ед. Длительность цикла в диапазоне от 1 до 8 недель практически не влияет на эффективность циклического заводнения. Циклическое заводнение целесообразно начинать после прорыва воды в добывающие скважины. Позднее начало циклического заводнения снижает его эффективность, однако оно всё равно остаётся эффективнее стационарного заводнения. Эффективность циклического заводнения зависит от соотношения показателей послойной и зональной неоднородности в соответствии с результатами интерпретации ГИС.

Заключение

Для повышения эффективности разработки неоднородных коллекторов, в том числе карбонатных, при нестационарном заводнении выявлены качественные и количественные закономерностей влияния на показатели разработки природных факторов (макро- и микронеоднородности пластов по фильтрационно-емкостным и физическим свойствам) и управляющих воздействий (расстановка и режимы работы добывающих и нагнетательных скважин и др.).

Показано, что одним из основных механизмов извлечения углеводородов является активизация упруго-капиллярных проявлений. Вместе с тем при изменении эффективного давления необходимо учитывать кинетику проницаемости. Зависимость проницаемости от изменения эффективного давления может быть получена при воспроизведении испытаний скважин. Для обоснования границ изменения пластового давления необходимо физическое моделирование процессов увеличения и уменьшения эффективного давления при гидравлическом обжиме керна для учета необратимых потерь фильтрационно-емкостных свойств (гистерезис проницаемости).

Эффективность циклического заводнения увеличивается с увеличением полуцикла падения пластового давления. Это связано с активизацией упругих и капиллярных проявлений в пластовой системе при нестационарном режиме разработки.

Для пластов с суперколлекторами определены параметры полуциклов повышения и падения пластового давления при циклическом заводнении, которые позволяют достичь максимальный коэффициент извлечения нефти для различного соотношения проницаемостей низко- и высокопроницаемых слоев (при соответствующих зависимостях капиллярных давлений и остаточной водонасыщенности). Так, в пласте с проницаемостью низкопроницаемых слоев 25 мД и суперколлектора - 1500 мД максимальный КИН, равный 0.453 (точка 1), достигается при циклическом заводнении с продолжительностью полуцикла закачки 55 суток.

При применении цикличного воздействия для расчлененных коллекторов в соответствии с методикой ВНИИнефть имени акад. А.П. Крылова рациональное соотношение полупериодов закачки и простоя нагнетательных скважин получается различным, несмотря на существенное влияние упруго-капиллярных сил. Длительность цикла в диапазоне от 1 до 8 недель практически не влияет на эффективность циклического заводнения. Полученные результаты можно считать типовыми для исследуемого типа коллекторов. Для расчленённых пластов с показателями зональной и послойной неоднородности благоприятными по классификации ВНИИнефть имени акад. А.П. Крылова выявлены и систематизированы количественные закономерности влияния технологических параметров при циклическом заводнении на эффективность нефтеизвлечения.

Следует отметить, что при циклическом заводнении может иметь место гистерезис фазовых проницаемостей и капиллярных давлений, а также гистерезис проницаемости системы при увеличении эффективного давления (полуцикл снижения давления). Указанные выше процессы должны учитываться в современных программных продуктах по гидродинамическому моделированию. Для повышения достоверности гидродинамических расчетов необходимо иметь полный комплекс геолого-геофизических исследований и данные физического моделирования.

Литература:

1. Мищенко И.Т., Бравичев К.А., Загайнов А.Н. Повышение эффективности разработки карбонатных коллекторов порово-трещинного типа с низкопроницаемой гидрофильной матрицей. // Нефть, газ и бизнес, 10/2013, стр. 34-42.
2. Мищенко И.Т., Бравичев К.А., Загайнов А.Н. Обоснование технологии циклического заводнения пластов с суперколлекторами в условиях упругих деформаций. // Нефтяное хозяйство, 10/2014, с. 89-91.
3. Мищенко И.Т., Бравичев К.А., Казаков К.В. Шайхлисламова Э. Р. Анализ эффективности применения технологии циклического заводнения в неоднородных расчленённых коллекторах // Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2/2019, с. 34-40.
4. Крянев Д.Ю. Нестационарное заводнение. Методика критериальной оценки выбора участков воздействия. – М.: ОАО «Всерос. нефтегаз. науч.-исслед. ин-т», 2008. – 208 с.

Keywords: non-stationary flooding, development of heterogeneous reservoirs, energy saving, hydrocarbon production, injection well