Представлен перспективный метод увеличения продуктивности скважин и повышения эффективности разработки месторождений с традиционными и трудноизвлекаемыми запасами, основанный на многостадийном термогазохимическом процессе, в ходе реализации которого в призабойной зоне скважины генерируются газы, в первую очередь водород, и горячие кислоты – азотная и соляная (в отдельных случаях плавиковая). Выделяющийся на начальной стадии термохимического процесса водород, улучшает проницаемость низкопроницаемого коллектора и способствует фильтрации химически активных компонентов в пласт, где происходят их вторичные реакции с его минеральной частью и кольматантами. На высокотемпературной стадии процесса (250-350 0С) в условиях высоких давлений, в присутствии атомарного и молекулярного водорода и катализаторов реализуется процесс гидрокрекинга АСПО с образованием газовых и дистиллятных фракций.
Повышению полноты извлечения углеводородов из скважин в настоящее время уделяется все большее внимание. Особый интерес представляет технологии для разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (ТриЗ) газа и нефти из низкопроницаемых коллекторов, технологии добычи высоковязких и высокообводненных залежей нефти и нефтяных оторочек. Примером успешного применения таких технологий в последнее время стала промышленная добыча газа из сланцев и плотных песчаников, превратившая США из страны-импортера в поставщика голубого топлива. Россия по различным оценкам занимает первое место в мире по разведанным запасам трудноизвлекаемых углеводородов. Стратегическое значение имеют отложения баженовской свиты, потенциальные запасы которой оцениваются в 22 млрд. тонн.
Анализ современных технологий повышения нефтегазоотдачи, применяемых на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами, показывает, что традиционно используемые методы - тепловые, кислотные, щелочные обработки призабойной зоны пласта (ПЗП) или их комбинации, при разработке месторождений с ТриЗ практически не дают результата. Дело в том, что эффективность обработок плотных пород-коллекторов нефтяных и газовых скважин существенным образом зависит от величин проницаемости их призабойных зон, так как активные химические компоненты рабочих составов должны диффундировать в поровое пространство, контактировать и реагировать с кольматантами непосредственно в продуктивном пласте. Однако малая проницаемость ПЗП не позволяет фильтроваться этим химически активным растворам в поровое пространство, что и делает обработку неэффективной. Тепловое воздействие на ПЗП незначительно улучшает ситуацию, так как с ростом температуры химическая активность кислот и щелочей увеличивается, а вязкость тяжелых углеводородов или АСПО снижается. Но и в этом случае в малопроницаемом коллекторе ожидаемые химические процессы могут не начаться.
Наиболее широкое применение для разработки ТриЗ на сегодня получил метод многостадийного гидродинамического разрыва пласта (ГРП), хотя и у него имеются свои ограничения в применении, особенно на нефтяных месторождениях с высоким содержанием парафина и высокой угрозой последующего увеличения обводненности пласта.
Решение проблемы увеличения добычи и роста коэффициента извлечения углеводородов видится в создании и внедрении технологий, в ходе реализации которых осуществляется интегрированное многофакторное физико-химическое воздействие на призабойную зону пласта, направленное на устранение в течение одной обработки всех основных причин кольматации, а также улучшения фильтрационной способности коллектора. Этим требованиям на сегодняшний день отвечает технология комплексного водородного и термобарохимического воздействия (КВТБХВ) на призабойную зону продуктивного пласта [1, 2]
Научно-практические основы и особенности технологии КВТБХВ на призабойную зону продуктивного пласта скважины
В основу технологии комплексного водородного и термобарохимического воздействия на продуктивный горизонт положено интегрированное использование аномальных свойств водорода в условиях многостадийного термогазохимического процесса, управляемого на каждой стадии, в ходе которого повышается температура, выделяются различные активные газы, в том числе водород, образуются горячие кислоты – азотная и соляная (в отдельных случаях плавиковая), производится обработка поверхностно-активными веществами.
Реализация технологии не требует специального оборудования, в том числе того, которое используется бригадами капитального ремонта. Производится раздельно-последовательное закачивание технологических растворов в призабойную зону скважины, где за счет разницы их плотностей происходит их смешивание. Реакции отдельных компонентов этих растворов инициируют протекание во всем объеме многостадийного термогазохимического процесса. Каждая последовательная стадия процесса характеризуется своим составом химически активных компонентов (газы, кислоты, ПАВы и пр.), воздействующих на пласт и флюид, а продолжительность стадий и их температурные режимы управляются наличием в растворах вещест активаторов и ингибиторов реакций и процессов.
Используются высокоэнергетические горюче-окислительные смеси, тепловой эффект реакции которых достигает 14-20 МДж/кг, и гидрореагирующие вещества (ГРВ) на основе натрия, алюминия, лития и бора.
Одним из основных научных положений данной технологии, является экспериментальное подтверждение того, что водород, особенно атомарный, является активатором процесса диффузии и повышает газопроницаемость коллекторов продуктивных пластов в 2–4.5 раза. Не менее важными являются результаты, которые доказали, что газопроницаемость плотных пород коллекторов при проведении водородной активации диффузии увеличивается не только во время процесса обработки, но и сохраняется после его завершения [3].
Данные исследования проводились на цилиндрических кернах уплотненных карбонатных и терригенных пород, извлеченных из нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Особенно эффективной водородная активация диффузии оказалась при воздействии на керны с минимальной газовой проницаемостью по воздуху - 0.02-0.03 мкм2. Остаточная проницаемость таких кернов, обработанных атомарным водородом, увеличилась в 3.5 - 4.5 раза. Продувка кернов водородом осуществлялась в условиях пластовых температур (60-100 0С). Моделировалась депрессия от 0.5 до 2.0 МПа. Экспериментально доказано, что обработка кернов водородом, особенно полученным в ходе реакции гидролиза гидрореагирующих веществ существенно увеличивает фильтрационную способность керна и по отношению к другим газам (монооксидам и диоксидам азота и углерода) и их смесям.
Учитывая тот факт, что водород первым фильтруется в пласт, увеличивает его проницаемость, а при его содержании более 4-6 массовых процентов стимулирует фильтрацию в поровое пространство других химически активных газов и жидкостей, в данной технологии водород в качестве активатора процесса диффузии применяется уже на начальной низкотемпературной стадии термохимического процесса.
Другой особенностью данной технологии является организация процессе гидрокрекинга парафинов и АСПО непосредственно в продуктивном пласте за счет генерирования атомарного и молекуляного водорода в интервале температур 250-350 0С (давление 5.0 МПа и выше) [4]. Аналогичный процесс широко применяется в нефтеперерабатывающей промышленности для увеличения глубины переработки нефти. Не сдедует путать гидрокрекинг с высокотемпературными процессами крекинга-пиролиза углеводородов, которые протекают при температурах выше 800 0С.
В связи с малой плотностью и взрывоопасностью газообразного водорода, в технологии КВТБХВ применяются специальные методы доставки ГРС с устья на забой скважины, где и происходит их реакция с водой. В этом случае кроме экзотермического процесса генерирования водорода, решается еще одна важная задача – снижение обводненности продуктивного пласта в призабойной зоне (вода является источником водорода).
Управляемый процесс генерирования водорода на различных стадиях термохимической обработки осуществляется за счет разработанных новых методов пассивации поверхностей гидрореагирующих веществ, в том числе, на основе алюминия. Особый практический интерес представляют соединения на основе алюминия - алюмогидрид натрия (NaAlH4) и композит АГНК–50, состоящий из 50% алюминия и 50 % гидрида натрия NaH. Эти ГРВ обладают высокой скоростью генерирования водорода. Ранее, применение данных ГРВ было невозможным вследствие их высокой гигроскопичности и реакционной активности с водой или влагой. С этой целью были разработаны новые приемы доставки данных типов гидрорагирующих веществ в зону протекания термохимичесмкого процесса. Это доставка ГРВ как в химически стойких, но разрушающихся под воздействием температуры (от 80 до 300 0С) пассивирующих оболочках, так и в составе ультрадисперсных суспензий.
Несмотря на относительную простоту реализации технологии КВТБХВ на промысле, процесс ее адаптации к конкретному объекту достаточно сложный и наукоемкий.
Одним из этапов подготовки к внедрению технологии является компьютерное 3-D моделирование водородного термобарохимического воздействия на ПЗС. При моделировании учитываются конструктивные особенности обрабатываемой скважины, в том числе количество, диаметр и длина перфорационных отверстий, эксплуатационные характеристики скважины, петрографические и теплофизические параметры породы пласта, состав и теплофизические характеристики пластового флюида и кольматантов. Параметры водородного, химического и термобарического воздействий на ПЗС задаются.
Следует отметить, что эффект водородной активации процессов диффузии в нефтегазоносных пластах еще не достаточно хорошо изучен, поэтому современные математические модели его не учитывают. Авторами впервые реализован алгоритм уточнения компьютерной модели с учетом данного эффекта. При этом в компьютерную модель вместо константы проницаемости обрабатываемого пласта закладываются регрессионные уравнения, описывающие зависимости проницаемости горной породы от эффективности водородной обработки, которые в каждом контректном случае определяются экспериментально [5].
На рис. 1 представлен результат моделирования водородного воздействия на призабойную зону пласта с известными свойствами горной породы (пористость, проницаемость, химический и гранулометрический составы) и флюида. Показано распределение объемной доли водорода в ПЗП (реальный размер выделенного фрагмента 3000х3000х500 мм) в течение одинакового времени обработки с учетом и без учета эффекта водородной активации диффузии (рис.1 а и б). Хорошо видно, что обработка пласта с учетом водородной активации диффузии проходит более интенсивно и охватывает больший радиус призабойной зоны скважины.
Компьютерное моделирование всех стадий термохимической обработки ПЗП моделируются с учетом водородной активации диффузии.
На основе результатов компьютерного моделирования осуществляется выбор типов и концентраций горюче-окислительных составов и ГРВ, активаторов и ингибиторов термохимических процессов, обеспечивающих управляемость комплексного водородного и термобарического воздействия на ПЗП с учетом ее индивидуальных особенностей.
Процесс водородного и термобарохимического воздействия реализует комплексное и многофакторное воздействие на ПЗП и насыщающий ее флюид, является управляемым и протекает по заранее заданному алгоритму, который, в свою очередь, вырабатывается с учетом геолого-физических свойств коллектора и причин его кольматации. В ходе геофизических исследований, проведенных на нескольких скважинах после проведения технологии КВТБХВ, зафиксировано увеличение проницаемости коллектора в радиусе 25-30 метров, а снижение скин-фактора с 6 до -1.
На сегодняшний день при помощи данной технологии обработано более 70 скважин в России, Украине, Грузии, Туркмении и Китае, в которых запасы углеводородов по различным причинам (обводненность пласта, высокое содержание АСПО, низкая проницаемость и др.) относятся к категории «трудноизвлекаемых». Полученные результаты по увеличению дебитов углеводородов подтвердили высокую эффективность данного технологического подхода.
В 2014 году технология впервые и успешно реализована на скважинах с горизонтальными окончаниями, что позволяет сделать вывод о ее широком применении, в том числе и на месторождениях с нетрадиционными и трудноизвлекаемыми запасами.
Литературные источники.
1. Кравченко О. В., Велигоцкий Д.А., Хабибуллин Р. А. Перспективные технологии комплексного воздействия на пласт для разработки трудноизвлекаемых запасов нефти и газа Труды Российской технической нефтегазовой конференции и выставки SPE по разведке и добыче (14-16 октября 2014, ВВЦ, Москва), SPE-171676-RU.
2. Пат. 102501, Украина, МПК E21B 43/24 (2006.01), E21B 43/25 (2006.01) Способ комплексного водородного и термобарохимического воздействия на призабойную зону продуктивного пласта [Текст] / Кравченко, О. В., Велигоцкий, Д. О., Мацевитый, Ю. М., Симбирский, О. В. – Заявитель и патентодержатель Научно-технический концерн “Институт проблем машиностроения” НАН Украины. – № а 2013 03001. – Заяв. 11.03.2013. Опубл. 10.07.2013. Бюл. № 23.
3. Кравченко, О.В. 2013. Водородная активация в процессах повышения проницаемости нефтегазоносных пород. Восточно-Европейский журнал передовых технологий 1/6 (61): 21–25.
4. Кравченко О.В. Применение водорода в химических и термохимических технологиях интенсификации добычи углеводородов/ О.В. Кравченко // Промышленность Казахстана. − 2013. − № 6 (81). − С. 58 –63. – ISSN 1608-8425
5. О. В. Кравченко, Д. А. Велигоцкий, А. Н. Авраменко, Р. А. Хабибуллин Совершенствование технологии комплексного воздействия на продуктивные пласты нефтяных и газовых скважин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. − 2014. − № 6/5 (72). − С. 4 –9.
