Моделирование состояния жидких и взвешенных твердых фаз продуктивных пластов в поле упругих колебаний

1.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИБРОВОЛНОВОГО МЕТОДА

Как свидетельствует  история, еще в XIX веке некоторые  предприимчивые владельцы нефтяных скважин в США выкапывали вокруг их устья глубокие траншеи и закапывали в них мешки с порохом. После взрывов дебиты скважин часто значительно увеличивались. Толчком к систематическим исследованиям влияния вибрационно-сейсмических процессов на нефтегазовые залежи послужили наблюдения за землетрясениями. Обнаружилось, что во время землетрясений изменяются пластовые давления и дебиты скважин. Так, землетрясение в Южной Калифорнии в 1952 г. вызвало местами десятикратное повышение давления на устьях фонтанирующих скважин, которое держалось в течение более двух недель. На Новогрозненском месторождении во время землетрясений 1950 и 1955 гг., интенсивность которых достигала 6-7 баллов, происходило повышение пластовых давлений и добычи нефти. Во время Дагестанского землетрясения в 1970 г. добыча нефти повысилась на нефтяных залежах в радиусе более 200 км от эпицентра. Так, по одной из скважин Эльдаровского месторождения, расположенной в 220 км от эпицентра землетрясения, увеличение дебита составило более 900 т/сут [82].

Были известны случаи влияния на нефтяные залежи вибрации, создаваемой действием  не только природы, но и человека, например, дебиты скважин увеличивались при прохождении вблизи них тяжеловесных железнодорожных составов.

В Институте  физики Земли АН СССР и Кубанском  государственном университете в 70-80-е годы были система- тизированы многолетние наблюдения за сейсмической активностью различных участков Земли с целью теоретического обоснования возможности направленного сейсмического воздействия с поверхности на нефтяные пласты. Этому способствовало создание относительно мощных невзрывных поверхностных регулярных виброисточников-виброплатформ, предназначенных для вибрационного "прозвучивания" Земли. Подобные источники работают в диапазоне частот от 5 до 100 Гц и могут развивать усилия до 100 т.

Работы по изучению сейсмоакустического воздействия  на нефтяные пласты с целью увеличения их нефтеотдачи проводятся в России в Институте физики Земли РАН, ВНИИнефти, ВНИИЯГГе, а также в США.

Наряду с  этим, в 60-х годах на нефтяных месторождениях СССР начали применять воздействие упругими колебаниями на призабойную зону пласта (ПЗП) с помощью спускаемых в скважины различных забойных устройств. Именно в этом направлении были достигнуты наиболее впечатляющие предпосылки для развития виброволнового метода. Наибольшее распространение получили генераторы, использующие для работы гидродинамический напор закачиваемой в скважину технологической жидкости (вода, растворы ПАВ, нефть, растворители, кислоты и др.). Это, например, известные вибратор ГВЗ золотникового типа конструкции МИНГ [41, 42], вставной пульсатор ПВ-54 клапанного типа конструкции ТатНИПИнефти [33]. Так, по данным МИНГ за период с 1967 по 1985 г. с помощью вибратора ГВЗ-108 проведено около 6000 обработок скважин. Успешность работ составила 70 %. Продолжительность эффекта 1-1,5 года. Общий прирост добычи нефти по ним превысил более 5 млн т, увеличение приемистости по нагнетательным скважинам 15 млн м3. По данным ТатНИПИнефти, с использованием пульсаторов ПВ-54 за период 1984-1985 гг. обработано 100 нагнетательных скважин с успешностью 80 %. Приемистость скважин увеличилась в среднем на 25 %, эффект продолжался в течение 60-90 сут.

На нефтяных месторождениях Ставрополья примерно в то же время проводились опытно-промысловые  работы по воздействию упругими колебаниями  на ПЗП с помощью скважинных гидравлических пульсаторов конструкции Сев-КавНИПИнефти [45].

В ИГД СО АН СССР проводились работы по разработке электромагнитного скважинного  виброисточника, работающего на электроэнергии, подводимой по кабелю с устья скважины.

Особую группу составляют забойные ударно-импульсные воздействия. К ним относятся ТГХВ, разрыв пласта давлением пороховых газов, виброфрак, стереофрак, воздействие гидроимпульсами, создаваемыми взрывами газообразных смесей, электрогидравлическое воздействие, ударное воздействие резким снятием давления с пакера или на устье скважины, создание управляемых депрессий и др.

Среди этих методов  наибольшее применение на месторождениях России, а также стран СНГ получили термога-зохимическое воздействие с помощью аккумуляторов давления АДС [49] и разрыв пласта с помощью пороховых генераторов ПГДБК [180].

Успешность  внедрения метода ТГХВ в среднем  составила около 60 % в эксплуатационных скважинах (по 1036 обработкам) и около 70 % в нагнетательных скважинах (по 270 обработкам). В среднем на одну успешную обработку добыто около 900 т нефти, дополнительно закачано воды 34 тыс. м3. Средняя продолжительность эффекта 8 мес. При использовании генераторов ПГДБК на 400 скважинах успешность составила 70 %, дополнительная добыча нефти в среднем по успешным обработкам достигла 500 т, продолжительность эксплуатации скважин с повышенным дебитом до 2,5-5 лет.

Время горения  пороховых зарядов АДС исчисляется  секундами, но может достигать и 200 с, не считая последующего времени пульсации газового пузыря. Давление на забое скважины растет достаточно медленно и не должно приводить к разрыву пласта. АДС оказывает импульсное гидравлическое, тепловое и физико-химическое воздействия. При горении пороховых зарядов ПГДБК время действия максимального давления составляет доли секунды, общее время воздействия с учетом пульсации газового пузыря 10-20 с, значение максимального давления может в два раза превышать горное давление. В радиусе 5-6 м от скважины образуется несколько разветвленных трещин, которые не смыкаются после снятия давления, поэтому, в отличие от гидроразрыва, отпадает необходимость их закрепления песком.

Взрывчатые  вещества (ВВ) могут использоваться также для образования широко разветвленных трещин в ПЗП. Твердое  ВВ типа нитрата аммония или тринитротолуола  измельчается и в виде суспензии подается на забой скважины, а затем задавливается в пласт. При этом измельченное ВВ скапливается в естественных трещинах. Затем в скважину спускают запальное устройство и взрывают. При взрыве детонируют ВВ в трещинах и пустотах ПЗП, образуется протяженная сеть глубоких трещин.

На нефтяных месторождениях Техаса в 1958 г. впервые  был успешно применен способ разрыва  пласта, получивший название "виброфрак". Сущность метода заключается в создании в ПЗП гармонических ударных волн за счет особого размещения специальных зарядов. В отличие от обычных взрывов ВВ, при которых разрушающее усилие распространяется в глубь пласта, постепенно затухая, при виброфраке гармонически следующие по времени пики давления заставляют образовывающиеся трещины вибрировать - смыкаться и расширяться, что приводит к гораздо более значительному последующему увеличению проницаемости ПЗП. Разновидностью виброфрака является сте-реофрак, где применяется специальная фокусировка кумулятивных зарядов.

Несмотря  на успешные результаты, широкое распространение импульсно-ударных методов на месторождениях в геолого-промысловых условиях, основанных на использовании взрывчатых веществ, сдерживается их невысокой эффективностью, недостаточной надежностью и весьма существенными проблемами безопасности.

К импульсно-ударным  методам также относится электрогидравлический (ЭГВ) метод обработки скважин, где для получения импульсов давления используется эффект от электрического пробоя скважинной жидкости между электродами скважинного устройства. Помимо электромагнитного излучения разряда и выделяющегося тепла, в скважинной жидкости образуются импульс давления, газопаровая полость и ее последующее пульсирующее схлопы-вание. Для этого метода были разработаны скважинные ЭГВ генераторы конструкций СКТБ "Электрогидравлика" АН УССР, СКИФ-4 ПКБЭ АН УССР, ЛИСИ, ИФИНГ, Октябрьского филиала Уфимского нефтяного института, фирмы "Соникс интернешнл инк.", которые могут выдавать электрические разряды в скважинах с частотами от 0,05 до 10 Гц [105, 138, 139, 152]. Метод прошел испытания на месторождениях России, СНГ, в США - в штате Техас. Так, например, на месторождениях АНК "Башнефть" 60 % обработок оказались успешными, с длительностью эффекта в среднем более 7 мес. Дополнительная добыча нефти на одну обработку в среднем составила свыше 200 т. Наилучший эффект был достигнут при обработках скважин, в которых снижение продуктивности было вызвано отложениями минеральных солей на стенках обсадной колонны скважины и в ПЗП.

Метод ЭГВ  не получил широкого распространения из-за невысокой эффективности, в особенности при его использовании на глубоких скважинах. Это объясняется тем, что для образования разряда и газопаровой полости в жидкости требуется напряжение в десятки тысяч вольт, с ростом глубины и давления в жидкости необходимо все больше увеличивать подаваемое напряжение, причем также сильно возрастают электрические потери в кабеле.

На артезианских скважинах г. Минска был испытан  гидроимпульсный метод Белорусского политехнического института [2]. Метод основан на использовании энергии взрыва смеси водорода и кислорода, которую получают электролизом воды на забое скважины. Способ успешно опробован на 20 неглубоких артезианских скважинах, при этом их дебиты возросли в 1,5-2,5 раза. На более глубоких скважинах он не нашел применения из-за резкого снижения его эффективности с увеличением глубины скважин.

В исследовании, разработке и практическом использовании виброволнового метода принимали участие отечественные и зарубежные исследователи: И.М. Астрахан, И.М. Ах-метов, Э.А. Ахметшин, В.А. Бабешко, С.М. Гадиев, Р.Ф. Га-ниев, М.Т. Горбунов, Б.Е. Доброскок, С.А. Ефимова, О.Л. Кузнецов, Р.Я. Кучумов, Р.А. Максутов, А.Х. Мир-заджанзаде, Р.Ш. Муфазалов, Р.И. Нигматулин, В.Н. Николаевский, Г.А. Орлов, Ю.С. Ощепков, Н.П. Ряшенцев, М.А. Садовский, Э.М. Симкин, М.Л. Сургучев, Э.И. Таги-ев, А.Я. Хавкин, B.C. Ямщиков, Е. Ансел, Дж. Боудан, Б. Симон, X. Скотт и др.

Переходя  к описанию состояния призабойной  зоны скважин и ее "отклика" на воздействие упругими колебаниями, остановимся на разъяснении термина "виброволно-вое воздействие", который использован авторами в названии книги и будет употребляться в дальнейшем в контексте с общим раскрытием темы. Для обозначения воздействия на призабойную зону пласта упругими колебаниями существует много различных терминов: "вибрационное", "акустическое", "гидроакустическое", "волновое", "гидроволновое" и т.д. Эти термины часто применяются для обозначения одного и того же процесса и, по существу, не несут в себе физического смысла. Термин "виброволновое воздействие" возник у авторов непосредственно в ходе проведения исследований по материалу книги, когда выяснилось, что максимальный "отклик" ПЗП на воздействие упругими колебаниями находится в избирательном низкочастотном диапазоне 20-300 Гц, а глубина эффективного воздействия, определяемая пространственно-энергетическим распределением упругих колебаний и энергетическими порогами наступления эффектов, достигает от нескольких до 10 м и более. Это расстояния в среде пласта для рассматриваемых частот порядка длины волны. Воздействие упругими колебаниями на ПЗП при этом охватывает области вибрации среды и области формирования упругой волны в среде, а также области вступления волны в среду. Таким образом, термин "виброволновое воздействие" обозначает реальную глубину охвата ПЗП воздействием и несет в себе смысл оптимальности его осуществления по частотному диапазону.

Особое внимание, которое уделяется процессам, происходящим в ПЗП - части общей пластовой гидродинамической системы, объясняется тем, что здесь фильтрация газожидкостных смесей происходит при повышенных градиентах давления и температуры, осложняется появлением трещиноватых, неоднородных по проницаемости зон, фазовыми переходами. Здесь формируются основные свойства многофазной многокомпонентной промысловой продукции, происходит "срабатывание" значительной доли естественной и привнесенной пластовой энергии.

Призабойная зона пласта находится в существенно  неравновесном термодинамическом состоянии активного энер-го- и массообмена со скважиной и пластом, при этом ее состояние непрерывно изменяется в ходе разработки месторождения. Размер призабойной зоны принято оценивать по радиусу зоны нарушения линейного закона фильтрации которая может простираться на 6-23 м от оси скважины. Несмотря на малые размеры, области ПЗП во многом определяют процесс разработки всей залежи нефти [35].

В ходе разработки нефтегазовых месторождений наблюдается постоянное ухудшение нефте- и газопроницаемости призабойной зоны, особенно неблагоприятное в низкопроницаемых и неоднородных коллекторах. Ухудшение естественной проницаемости наступает еще в процессах бурения, когда при выемке породы в кольцевой зоне вокруг скважины образуются сжимающие напряжения, а поверхность породы при механическом взаимодействии с породоразру-шающим инструментом и буровым раствором термодинамически активируется, что способствует впоследствии образованию высоковязких поверхностных кольматирующих слоев [92, 160]. При этом буровой раствор также образует на стенках скважины глинистую корку толщиной 2-3 мм [83], а фильтрат проникает в пласт. Буровой раствор способен и более глубоко проникать в пласт через трещины призабойной зоны, возникающие вследствие появления гидростатических давлений выше давления разрыва пласта, например, при операциях восстановления циркуляции промывочной жидкости или при спускоподъемных операциях [144]. По данным лабораторных исследований [145], именно по этой причине может наблюдаться снижение абсолютной проницаемости пород в 2-50 раз, а в некоторых случаях до нуля.

Фильтраты буровых растворов  способны проникать, в продуктивные пласты еще на более значительную глубину. По данным работы [145], глубина  проникновения последних достигает 0,2-3,0 м. При этом сильное ухудшение  естественных коллекторских свойств ПЗП происходит вследствие:

набухания глинистых частиц коллектора, если вода фильтрата отличается по своему солевому составу от пластовой воды;

снижения фазовой проницаемости  по нефти из-за появления водной фазы и образования пристенных слоев воды на поверхности пор, обладающих повышенной вязкостью и упругим сопротивлением сдвигу [19];

возникновения капиллярных  явлений на границах контакта воды с пластовой нефтью;

образования стойких водонефтяных эмульсий типа "вода в нефти", слабо  фильтрующихся не только из-за высокой вое воздействие", который использован авторами в названии книги и будет употребляться в дальнейшем в контексте с общим раскрытием темы. Для обозначения воздействия на призабойную зону пласта упругими колебаниями существует много различных терминов: "вибрационное", "акустическое", "гидроакустическое", "волновое", "гидроволновое" и т.д. Эти термины часто применяются для обозначения одного и того же процесса и, по существу, не несут в себе физического смысла. Термин "внброволновое воздействие" возник у авторов непосредственно в ходе проведения исследований по материалу книги, когда выяснилось, что максимальный "отклик" ПЗП на воздействие упругими колебаниями находится в избирательном низкочастотном диапазоне 20-300 Гц, а глубина эффективного воздействия, определяемая пространственно-энергетическим распределением упругих колебаний и энергетическими порогами наступления эффектов, достигает от нескольких до 10 м и более. Это расстояния в среде пласта для рассматриваемых частот порядка длины волны. Воздействие упругими колебаниями на ПЗП при этом охватывает области вибрации среды и области формирования упругой волны в среде, а также области вступления волны в среду. Таким образом, термин "виброволновое воздействие" обозначает реальную глубину охвата ПЗП воздействием и несет в себе смысл оптимальности его осуществления по частотному диапазону.