Полный текст

Введение. Во многих отраслях народного хозяйства Российской Федерации, в том числе и на объектах промышленного комплекса [1-6], повышение энергетической эффективности всех, без исключения, средств, систем, комплексов и различного оборудования является в настоящее время ключевым направлением. Часто в условиях практической эксплуатации сложных технических систем и комплексов возникает необходимость применения методов, техники и систем дистанционного пространственно-распределенного энергетического или теплового воздействия на особо опасную, агрессивную, жидкостную вязкую среду, скрытую в ограниченных замкнутых воздушном, наземном и подземном пространствах [1-18]. Для решения таких проблем в связи с их высокой актуальностью в настоящее время ведутся активно разработки различных инновационных технологий [8-18]. Наиболее актуально применение разрабатываемых энергетически эффективных инновационных технологий и систем пространственно-распределенного дистанционного теплового воздействия на особо опасные, агрессивные, жидкостные, высокой вязкости нефтесодержащие среды, находящиеся в ограниченном подземном пространстве. Использование способов дистанционного теплового воздействия на среды вызвано необходимостью понижения вязкости, например нефтепродуктов, что особенно важно для обеспечения повышения их текучести и наиболее эффективного извлечения вязких компонентов, находящихся в объеме замкнутых подземных пространств. Методы теплового дистанционного воздействия на горючие нефтесодержащие продукты в этих случаях предъявляют специальные требования к способам, методикам, конструкциям схем ввода энергии в объем подземного пространства для теплового воздействия на нефтяную среду. Целью работы являются анализ и сопоставление известных [9-18] методов формирования дистанционного теплового воздействия на ограниченные объемы подземных пространств (полости, резервуары, месторождения и т.п.), заполненные нефтепродуктами средней и высокой вязкости, для наилучшего выбора, если не оптимальной, то наиболее рациональной технологии их извлечения со средней и высоковязкой консистенцией на основе передовых в мире технологий. Анализ проблематики выполнен с привлечением фундаментальных основ теории подобия [19] - путем скринингового подбора аналогов решений со схожими свойствами и проблемами, с выделением группы перспективных методов, по которым имеются лабораторные исследования, аналитический расчет или пилотные испытания. В современном мире проблема повышения эффективности воздействия на трудноизвлекаемые консистенции нефтепродуктов высокой вязкости со временем становится все более актуальной, особенно в задачах извлечения из подземных хранилищ нефтегазовых энергоносителей, поскольку количество месторождений с легкими для извлечения консистенциями сокращается. По этой причине возрастает интерес к более полному извлечения нефти не только с месторождений, но и из подземных хранилищ с более вязкой консистенцией, считавшейся ранее нерентабельной из-за низкой эффективности применяемых технологий ее извлечения. Нефтепродукты, получаемые с месторождений Западной Сибири с традиционно присущей высокой вязкостью нефти, содержат в своем составе как регулярные компоненты подошвенную воду и газовые составляющие. При хранении в подземных хранилищах это приводит к образованию слоистой структуры (газовая шапка - нефть - подошвенная вода), поэтому возникают ограничения на применение известных методов извлечения нефтепродуктов, что снижает эффективность использования существующих традиционных способов. В результате извлечение нефти ведется на режиме заводнения (с применением закачки холодной воды) с низкими дебитами нефти и высокой обводненностью (на слой нефтепродукта приходится 20 % от общих извлекаемых запасов, а текущий КИН (количество извлеченной нефти) часто не превышает 0,07). Как видно из кривой фракционного потока (рис. 1), для средней насыщенности водой (~ 0,5) хранилища такой консистенции нефти стартовая обводненность извлекаемого из хранилища потока нефти составит 88 % [11]. Рис. 1. Зависимость значения кривой фракционного потока от водонасыщенности С целью подбора оптимальной стратегии был проанализирован мировой опыт разработки методов извлечения из подземных месторождений нефти высоковязкой консистенции. Следуя основам фундаментальной теории подобия [19], были выбраны четыре аналога месторождений - хранилищ со схожими свойствами, на которых применялись, опробовались или рассчитывались на модели и аналитически различные методы повышения нефтеотдачи месторождений и хранилищ при извлечении нефти. Наиболее широко применяемые и перспективные методы извлечения нефти приведены ниже в табл. 1 [13]. Таблица 1 Потенциально эффективные методы извлечения нефтепродуктов из слоистых структур и пластов, содержащих высоковязкую нефть «Холодные» методы Тепловые методы Альтернативные методы Режим истощения (холодного заводнения) Закачка пара и горячей воды Микробиологические методы Карьерный способ Пароциклическая обработка Микроволновый нагрев Закачка инертного газа Внутриполостное горение Технология «CHOPS» Технология «SAGD» Технология «VAPEX» По результатам анализа применимости (с учетом ограничений технологии, преимуществ и недостатков каждого из методов) можно выделить три технологии: «VAPEX», «SAGD», метод микроволнового нагрева. Vapour Extraction Process - VAPEX. Эта технология подразумевает наличие пары горизонтальных скважин одна над другой. В верхнюю скважину с целью снижения вязкости закачивается растворитель, который способствует миграции нефти и нефтепродуктов в нижнюю добывающую скважину (в качестве растворителя используют легкие фракции газа или специальные химические добавки). Преимущества данной технологии: достаточно низкая ее стоимость (по отношению к тепловым методам), слабая чувствительность к наличию подошвенной воды и газовой шапки в хранилище, а также высокое значение потенциально достигаемого коэффициента извлечения нефтепродуктов. Несмотря на недостатки (необходимость очистки нефтепродуктов, низкие дебиты потока извлекаемой нефти из-за необходимости ее обработки при низкой депрессии потока), данная технология - потенциально перспективна. Steam assisted gravity drainage (SAGD). Этот метод при конструктивной реализации, как и технология «VAPEX», подразумевает наличие структуры двух горизонтальных скважин, находящихся одна над другой. В течение определенного периода времени в обе скважины закачивается пар, после чего нижняя скважина переводится в режим извлечения нефти, дренирующей вниз под действием гравитационной силы тяжести, в то время как в верхнюю продолжает закачиваться пар, который вследствие меньшей плотности начинает подниматься вверх, создавая паровую камеру, благодаря которой вязкость нефти, постоянно находящейся в контакте с горячим паром, существенно снижается. После того как паровая камера достигает кровли коллектора хранилища, происходит ее расширение и, следовательно, увеличение зоны воздействия. Как видим, технология SAGD является ничем иным как рациональным усовершенствованием технологии «VAPEX». Преимущества технологии SAGD: более высокая эффективность по сравнению с другими термическими методами в коллекторах-хранилищах слоистых структур нефтепродуктов с присутствием газовой шапки и подошвенной воды с месторождений; уменьшение вязкости нефти; более высокий дебит потока извлекаемых нефти и нефтепродуктов из хранилищ (отсутствие ограничений по максимально допустимой депрессии). Вполне естественно, что эффективность данного метода снижается в неоднородных слоистых структурах хранилищ - коллекторах нефти, поскольку уменьшается взаимодействие между расчлененными частями пласта. Данная проблема может быть решена применением технологии JAGD - добавления J-образной скважины для соединения расчлененных паром прослоек общего пласта нефтепродуктов. Кроме того, данная модификация метода позволяет существенно снизить эффект влияния конденсации, присутствующей в хранилищах подошвенной воды. Микроволновый нагрев. Исследование влияния электромагнитного поля высокой частоты (ЭМ-поле ВЧ) на однородные и неоднородные среды имеет достаточно длительную, почти вековую историю [1-7, 13]. Многие аспекты физического и физиологического, положительного и отрицательного влияния ЭМ-поля ВЧ на объекты живой и неживой природы довольно подробно изучены целым рядом известных ученых. Сущность влияния ЭМ воздействия ВЧ на облучаемые объекты живой и неживой природы заключена в селективном восприятии действия на них поля. Имеется обширный экспериментальный материал, служащий фактической основой для веских убедительных доказательства практической возможности использования определенных режимов и вариантов создания постоянной и переменной интенсивности ЭМ-полей для изменения физических и улучшения технологических свойств различных сред и материалов [1-18]. Однако слабоизученным остается вопрос влияния ЭМ-полей ВЧ на углеводородное сырье (нефть и нефтепродукты), обладающее широким спектром составляющих его компонентов и структур поликомпонентного состава. Знание особенностей протекания процессов онтогенетической реакции восприятия каждым типом углеводородного сырья воздействия ЭМ-поля ВЧ важно для определения меры энергетического воздействия. Что касается эффективности режимов воздействия ЭМ-поля ВЧ на каждый из компонентов, то здесь важно выявить наиболее чувствительную составляющую на действие поле ВЧ снижающую в наибольшей степени вязкость среды. Как показывают исследования [9-18], использование высокочастотного нагрева зоны, прилегающей к источнику ВЧ ЭМ-излучения, позволяет снизить вязкость многих сортов нефти в радиусе нескольких метров от источника ВЧ ЭМ-излучения. Радиус воздействия ЭМ-поля ВЧ можно увеличить применением дополнительной процедуры - периодической закачкой растворителя. Основные преимущества данной технологии: отсутствие неэффективных потерь тепла; нечувствительность к наличию образования слоистой структуры (газовой шапки и подошвенной воды) в хранилище; существенное снижение вязкости при ВЧ-воздействии на слой нефти. Несмотря на недостатки (отсутствие информации о натурных испытаниях, небольшой радиус воздействия без закачки реагентов, дорогостоящее оборудование), данная технология потенциально применима. Expanding Solvent SAGD - ES-SAGD method. В мировой практике встречаются примеры эффективной комбинации технологий JAGD и VAPEX для тонких слоев в хранилищах нефтепродуктов с подошвенной водой и газовой шапкой, поскольку это позволяет: сократить тепловые потери; более эффективно использовать изменение давления слоя нефти; снизить вязкость нефти; уменьшить объем используемого пара. Имеются сведения [13], что данная комбинация методов прошла успешно пробные испытания. Выбор оптимальной стратегии извлечения. Для оценки оптимальности применения рассматриваемых технологий была построена синтетическая модель нефтяного хранилища-месторождения размером 500×500×40 м, состоящая из 25 000 ячеек. Модель была адаптирована на реальные данные, общепринятые для практической эксплуатации и добычи нефти. При этом нами была построена термодинамическая модель флюида, позволяющая учесть тепловые эффекты при воздействии на него. Для оценки экономической эффективности извлечения была создана экономическая модель хранилища-месторождения нефти, учитывающая статистически усредненные данные на середину 2014 г. (в качестве экономического критерия был выбран чистый дисконтированный доход - ЧДД). Оценка эффективности метода закачки холодной воды с применением вертикальных и горизонтальных скважин. На первом этапе был проведен расчет базового варианта, реально применяемого в настоящее время в нефтяной отрасли на хранилищах-месторождениях, метода закачки холодной воды с применением вертикальных и горизонтальных скважин (рис. 2-3). Рис. 2. Динамика изменения обводненность Исходя из расчетов, вариант с применением горизонтальных скважин характеризуется более высоким дебитом нефти за счет большей эффективной нефтенасыщенной длины ствола и меньшей стартовой обводненности вследствие возможности расположения скважины на участке с большей нефтенасыщенностью. Из-за прорывов воды обводненность горизонтальной скважины увеличивается быстрее, однако более раннее извлечение нефти влияет на показатели. Значения КИН и ЧДД приведены в табл. 2. Рис. 3. Динамика изменения дебита нефти Таблица 2 Сравнение результатов расчета для горизонтальной и вертикальной скважины Параметр Вертикальные скважины Горизонтальные скважины КИН 0,130 0,239 ЧДД -167 -15 Применение горизонтальных скважин имеет более высокие значения ЧДД и КИН, однако показатель ЧДД все же отрицательный из-за более ранней обводненности скважин, больших эксплуатационных затрат на извлечение жидкости и более высокой стоимости бурения горизонтальной скважины. Оценка эффективности микроволнового нагрева. Исходя из лабораторных исследований, в среднем по зоне влияния микроволнового нагрева вязкость нефти снижается в 4 раза. К сожалению, более точной информации об эффекте данной технологии применительно к нефти пластов сибирских месторождений не имеется (исследования проводились на дегазированном типе хранилища). В принципе имеющейся информации достаточно для первичной оценки потенциала микроволнового метода. В нашей модели снижение вязкости нефти задавалось путем подбора фазовых проницаемостей в зоне влияния излучения микроволновой технологии (в программе Eclipse через функцию SATNUM, используя 2 типа сред с различными фазовыми проницаемостями). Изначально была рассчитана модель с сокращением вязкости нефти всего пласта в 4 раза, после чего начальная вязкость была восстановлена, но подобраны фазовые проницаемости, дающие аналогичный эффект прироста дебита. Данный способ позволяет оценить применимость микроволнового метода на аналитическом этапе поиска оптимального воздействия. Результаты аналитического и имитационного моделирования приведены на рис. 4-5 и в табл. 3. В табл. 4 приведены экономические данные, используемые для оценки рентабельности микроволнового метода. Рис. 4. Динамика изменения обводненности Рис. 5. Динамика изменения извлекаемости нефти Таблица 3 Сравнение вариантов с применением микроволнового метода Параметр Горизонт. скв. Микроволновый метод (верт. скв) Микроволновый метод (горизонт. скв.) КИН 0,040 0,039 0,071 ЧДД -5 -47 54 Таблица 4 Затраты на реализацию метода микроволнового нагрева Затраты Стоимость, млн руб Генератор ВЧ: AKIP-3201A/8 1,5 Дополнительное оборудование 0,25 Замена оборудования (каждые 5 лет) 2,2 Стоимость растворителя 0,8 Расходы на электроэнергию (в год) 1,7 Из полученных результатов можно сделать вывод, что положительный ЧДД может быть достигнут применением технологии микроволнового нагрева на горизонтальных скважинах. В вертикальных скважинах достичь положительного эффекта с точки зрения экономики не удалось, так как воздействию подвергается значительно меньший объем углеводородов. Полученные результаты являются перспективными для возможного применения и требуют более углубленных лабораторных исследований для учета эффекта пространственного изменения вязкости в зоне прилегающей к скважине (при наличии реальных данных моделирование процесса прогрева станет возможным путем задания разных уравнений течения, подобранных в PVTi-модели для каждого диапазона изменения вязкости). Расчет эффективности применения технология «ES-SAGD». Оценка данной технологии была проведена на термической модели флюида. Рассмотрено несколько вариантов с различной расчлененностью слоев пласта по методике, примененной для оценки микроволнового нагрева. Анализ полученных при моделировании результатов привел к выводу о низкой по сравнению с микроволновым нагревом эффективности данной технологии. Вариант с применением SAGD имеет самое маленькое значение ЧДД, при этом коэффициент извлечения нефти существенно уступает варианту микроволнового нагрева. Дальнейшие исследования этого варианта не имеют смысла, поскольку можно сделать вывод о неэффективности данной технологии вследствие: низкой начальной нефтенасыщенности (в зоне добывающей скважины - 0,41, при связанной воде - 0,305); высокой расчлененности слоев среды; значительных стоимости оборудования и эксплуатационных затрат. Выводы. Таким образом, анализ показал, что современные подходы и методы увеличения нефтеотдачи в процессе извлечения высоковязкой нефти из подземных хранилищ-месторождений по большей части экономически нерентабельны; сравнительный анализ методов, известных из мирового опыта разработки месторождений-аналогов хранилищ, показал, что наиболее эффективными технологиями повышения нефтеотдачи при извлечении высоковязкой нефти из хранилищ являются технологии «VAPEX», «SAGD» («JAGD») и метод микроволнового нагрева; результаты проведенного нами анализа и моделирования показали неэффективность технологии SAGD. Наличие нерациональной конструкции схемного структурного решения (низкого положения нижней добывающей скважины) приводит к низкой нефтенасыщенности и высокой степени расслоения неоднородной структуры нефтепродуктов в хранилище, сильно снижающей эффект от нагнетания газа в хранилище; применение метода микроволнового нагрева показывает в разных вариантах, в том числе и в комбинациях с другими технологиями, весьма высокую эффективность ввиду положительного значения ЧДД и высокого КИН, что свидетельствует о перспективности технологии микроволнового воздействия на нефть высокой вязкости и об актуальной необходимости проведения дополнительных исследований по определению закономерностей и особенностей пространственного влияния на вязкость нефти.

Об авторах

В. С Деева

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Ю. С Березовский

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Ю. В Скрыль

Алтайский государственный университет

С. М Слободян

Национальный исследовательский Томский политехнический университет; Омский государственный технический университет

П. Ю Гусев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 49

PDF (Russian) - 36

Ссылки

• Ссылки не определены.