к.т.н., доцентК.С.Нурбекова,

магистрант Д.С.Габбасов, магистрант Г.М.Абаева

Казахстан, г. Алматы, КазНИТУ им. К.И. Сатпаева

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

Мировая статистика нефтедобычи утверждает, что после 40-50 лет эксплуатация на многих месторождениях неизбежен спад объемов добычи. Сегодня многие месторождения нефти нашей страны, разрабатываемые с 60-70 годов, вплотную подошли к этой отметке. Есть уже не мало и таких, которые простаивают из-за нерентабельности и обводненности продуктивных горизонтов, хотя извлечено нефти всего 12-20 процентов от объема подтвержденных запасов. Это означает, что по данным месторождениям ожидается или уже происходит неизбежное уменьшение объемов добычи.

В такой ситуации в первую очередь необходимо усилить работу по увеличению коэффициента извлечения нефти (КИН) путем поиска и внедрения в процессы нефтедобычи инновационных технологий и техники. На сегодняшний день средний показатель КИН по стране составляет около 30-40%. Как известно, увеличение коэффициента даже на несколько процентов на разрабатываемых месторождениях равносильно открытию нового месторождения.

В настоящее время приоритетным направлением прироста запасов нефти в мировой нефтедобыче является - развитие и промышленное применение современных интегрированных методов увеличения нефтеотдачи (МУН), которые способны обеспечить синергетический эффект в освоении новых и разрабатываемых нефтяных месторождений.

Методы увеличения нефтеотдачи (МУН) подразделяется на 2 группы:

1. Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи, включают в себя различные методы интенсификации притока жидкости к скважине и их комбинации:

· Гидравлический разрыв пласта (ГРП), Газодинамический разрыв пласта (ГДРП);

· Щелевая разгрузка прискважинной зоны продуктивного пласта;

· Реагентная обработка скважин;

· Технология акустической обработки скважин;

· Технология электрогидравлической обработки скважин (ЭГУ);

· Азотно-импульсная обработка;

· Объемное волновое воздействие на месторождение;

· Виброволновое воздействие на породы продуктивного пласта;

· Технология электрической обработки скважин;

· Реагентно-гидроимпульсно-виброструйная обработка;

2. Третичные методы увеличения нефтеотдачи:

· Физико-химические методы (заводнение с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимерное заводнение, мицеллярное заводнение и т.п.);

· Газовые методы (закачка углеводородных газов, жидких растворителей, углекислого газа, азота, дымовых газов);

· Тепловые методы (вытеснение нефти теплоносителями, воздействие с помощью внутрипластовых экзотермических окислительных реакций);

· Микробиологические методы (введение в пласт бактериальной продукции или ее образование непосредственно в нефтяном пласте).

Нефтеотдача представляет собой сложный процесс, требующий самых современных технологий и огромного производственного опыта в реализации экономически эффективных и экологически ответственных проектов. Существует множество способов извлечения нефти из пласта. Как правило, первичные и вторичные методы добычи имеют КИН в пределах 30–35%. На стадии применения первичных методов нефть самотеком поступает в ствол скважины под воздействием пластового давления. Поэтому на этапе применения вторичных методов нефтеотдачи, т. е. ее улучшения (Improved Oil Recovery, или IOR), использование таких методов, как заводнение или закачка газа в пласт, помогает повысить падающее пластовое давление и способствует вытеснению нефти из коллектора.

Третичные методы добычи, или, иначе, методы увеличения нефтеотдачи (МУН), которые могут использоваться практически в любой период эксплуатации месторождения (в некоторых коллекторах даже с самого начала), основываются на снижении поверхностного натяжения или вязкости, что способствует вытеснению нефти из пласта. МУН могут способствовать извлечению дополнительно 5–20% геологических запасов нефти. В зависимости от свойств коллектора общее извлечение может достичь 50–70%, а иногда и выше.

Технологии и методы улучшения (IOR) и увеличения нефтеотдачи (EOR) в значительной мере взаимно дополняют друг друга. В конечном итоге все они направлены на оптимизацию нефтеотдачи и стимулирование притоков нефти, т. е. увеличение добычи.

МУН реализует ряд технологий, каждая из которых предназначена для использования на разных глубинах залегания коллектора и работы с нефтями различных свойств. Выбор оптимальной технологии увеличения нефтеотдачи требует глубокого понимания характеристик коллектора и экономических параметров освоения месторождения. Например, на месторождениях высоковязкой нефти добыча возрастает при закачке пара для разжижения нефти или полимеров для утяжеления воды, что повышает выход нефти.

Химические МУН. Химические МУН применяются для дополнительного извлечения нефти из сильно истощенных, заводненных нефтеносных пластов с рассеянной, нерегулярной нефтенасыщенностью. Объектами применения являются залежи с низкой вязкостью нефти (не более 10 мПа*с), низкой соленостью воды, продуктивные пласты представлены карбонатными коллекторами с низкой проницаемостью.

Заводнение с применением ПАВ. Схемы заводнения должны проектироваться таким образом, чтобы рабочий агент мог преодолевать действие капиллярных сил в пористой породе коллектора, которые препятствуют притоку нефти в призабойную зону. Применение ПАВ снижает уровень поверхностного натяжения водонефтяного контакта в породе и уменьшает действие этих сил. К сожалению, учитывая те объемы порового пространства, которые необходимо обработать рабочим агентом, для вытеснения значительных дополнительных объемов нефти требуется большое количество ПАВ. Поэтому применение только одних ПАВ делает данную технологию в большинстве случаев экономически неэффективной.

Решить эту проблему можно нагнетанием в пласт не столь дорогой щелочи, которая реагирует с кислотами, присутствующими в сырой нефти, с образованием нефтяного мыла или ПАВ в пласте. При этом также происходит снижение тенденции ПАВ к абсорбированию в породе. Однако все это не так просто, как может показаться. Для достижения хороших результатов необходимо отличное понимание химических процессов в коллекторе и тщательный контроль над закачкой щелочи.

Вытеснение нефти растворами полимеров. Полимерное заводнение заключается в том, что в воде растворяется высокомолекулярный химический реагент – полимер (полиакриламид), обладающий способностью даже при малых концентрациях существенно повышать вязкость воды, снижать ее подвижность и за счет этого повышать охват пластов заводнением. 

Основное и самое простое свойство полимеров заключается в загущении воды. Это приводит к такому же уменьшению соотношения вязкостей нефти и воды в пласте и сокращению условий прорыва воды, обусловленных различием вязкостей или неоднородностью пласта. Кроме того, полимерные растворы, обладая повышенной вязкостью, лучше вытесняют не только нефть, но и связанную пластовую воду из пористой среды. Поэтому они вступают во взаимодействие со скелетом пористой среды, то есть породой и цементирующим веществом. Это вызывает адсорбцию молекул полимеров, которые выпадают из раствора на поверхность пористой среды и перекрывают каналы или ухудшают фильтрацию в них воды. Полимерный раствор предпочтительно поступает в высокопроницаемые слои, и за счет этих двух эффектов – повышения вязкости раствора и снижения проводимости среды – происходит существенное уменьшение динамической неоднородности потоков жидкости и, как следствие, повышение охвата пластов заводнением.

Газовые МУН. Данная технология открывает огромные возможности непосредственно с точки зрения увеличения нефтеотдачи. Кроме того, ее применение повышает эффективность разработки залежей при наличии в коллекторе кислого и загрязненного газа. Не менее важным преимуществом этого МУН является его экологичность, так как при закачке растворенного СО₂ снижаются объемы выбросов этого газа в атмосферу.

Есть две основные причины, почему двуокись углерода используется в качестве растворенного газа при смешивающемся заводнении. Во-первых, двуокись углерода является очень эффективным реагентом, стимулирующим нефтеотдачу, и имеет хорошие показатели в области повышения уровня добычи. Во-вторых, применение СО₂ позволяет снизить отрицательное воздействие на климат, которое оказывают выбросы углекислого газа в атмосферу.

Заводнение с закачкой растворенного газа особенно эффективно для поддержания пластового давления и повышения уровня добычи нефти. В отношении нефти газ действует исключительно как растворитель: получаемый в результате раствор снижает ее вязкость и повышает текучесть. Как правило, используются такие газы, как метан (иногда обогащенный легкими углеводородами), сжиженный нефтяной газ, азот и, что наиболее важно, двуокись углерода. Этот метод хорошо известен, но часто очень трудно бывает подыскать удобно расположенный источник дешевого газа для его подачи на выбранное месторождение.

Закачка воздуха в пласт. Метод основан на закачке воздуха в пласт и его трансформации в эффективные вытесняющие агенты за счет низкотемпературных внутрипластовых окислительных процессов. В результате низкотемпературного окисления непосредственно в пласте вырабатывается высокоэффективный газовый агент, содержащий азот углекислый газ и ШФЛУ (широкие фракции легких углеводородов).

К преимуществам метода можно отнести:

· использование недорого агента – воздуха;

· использование природной энергетики пласта – повышенной пластовой температуры (свыше 60–70^oС) для самопроизвольного инициирования внутрипластовых окислительных процессов и формирования высокоэффективного вытесняющего агента.

Быстрое инициирование активных внутрипластовых окислительных процессов является одним из важнейших следствий использования энергетики пласта для организации закачки воздуха на месторождениях легкой нефти. Интенсивность окислительных реакций довольно быстро возрастает с увеличением температуры.

Тепловые МУН. Тепловые методы увеличения добычи играют важнейшую роль в реализации в полном объеме потенциала сложных запасов тяжелых нефтей и открывают путь к их коммерческой разработке. Решение проблем, связанных с применением этого метода, прежде всего повышение его энергоэффективности, требует серьезного производственного опыта, технических и иных возможностей реализовывать крупные комплексные проекты и постоянного стремления к совершенствованию технологий.

Основным преимуществом технологии парогравитационного газонефтяного дренажа является значительное сокращение числа скважин, необходимых для нагрева коллектора.

Как правило, тепловые методы нефтеотдачи применяются при добыче нефти с высокой вязкостью. Тепло в виде пара или горячей воды, а иногда в результате внутрипластового горения, разжижает нефть и повышает ее текучесть. Эффективность процесса зависит от тепловых потерь в породе коллектора и количества теплоты, передаваемого нефти.

При всей кажущейся его простоте на практике процесс усложняется в зависимости от свойств нефти и, в особенности, от свойств коллектора. Кроме того, нужно учитывать энергоэффективность метода и вопросы утилизации двуокиси углерода, которая образуется в процессе его реализации.

Паротепловое воздействие на пласт. Вытеснение нефти паром – метод увеличения нефтеотдачи пластов, наиболее распространенный при вытеснении высоковязких нефтей. В этом процессе пар нагнетают с поверхности в пласты с низкой температурой и высокой вязкостью нефти через специальные паронагнетательные скважины, расположенные внутри контура нефтеносности. Пар, обладающий большой теплоемкостью, вносит в пласт значительное количество тепловой энергии, которая расходуется на нагрев пласта и снижение относительной проницаемости, вязкости и расширение всех насыщающих пласт агентов – нефти, воды, газа.

Внутрипластовое горение. Метод извлечения нефти с помощью внутрипластового горения основан на способности углеводородов (нефти) в пласте вступать с кислородом воздуха в окислительную реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества теплоты. Он отличается от горения на поверхности. Генерирование теплоты непосредственно в пласте – основное преимущество данного метода (Рис. 6).

Процесс горения нефти в пласте начинается вблизи забоя нагнетательной скважины, обычно нагревом и нагнетанием воздуха. Теплоту, которую необходимо подводить в пласт для начала горения, получают при помощи забойного электронагревателя, газовой горелки или окислительных реакций.

После создания очага горения у забоя скважин непрерывное нагнетание воздуха в пласт и отвод от очага (фронта) продуктов горения (N₂, CO₂, и др.) обеспечивают поддержание процесса внутрипластового горения и перемещение по пласту фронта вытеснения нефти.

В качестве топлива для горения расходуется часть нефти, оставшаяся в пласте после вытеснения ее газами горения, водяным паром, водой и испарившимися фракциями нефти впереди фронта горения. В результате сгорают наиболее тяжелые фракции нефти.

Пароциклические обработки скважин. Циклическое нагнетание пара в пласты, или пароциклические обработки добывающих скважин, осуществляют периодическим прямым нагнетанием пара в нефтяной пласт через добывающие скважины, некоторой выдержкой их в закрытом состоянии и последующей эксплуатацией тех же скважин для отбора из пласта нефти с пониженной вязкостью и сконденсированного пара. Цель этой технологии заключается в том, чтобы прогреть пласт и нефть в призабойных зонах добывающих скважин, снизить вязкость нефти, повысить давление, облегчить условия фильтрации и увеличить приток нефти к скважинам.

Механизм процессов, происходящих в пласте, довольно сложный и сопровождается теми же явлениями, что и вытеснение нефти паром, но дополнительно происходит противоточная капиллярная фильтрация, перераспределение в микронеоднородной среде нефти и воды (конденсата) во время выдержки без отбора жидкости из скважин. При нагнетании пара в пласт он, естественно, внедряется в наиболее проницаемые слои и крупные поры пласта. Во время выдержки в прогретой зоне пласта происходит активное перераспределение насыщенности за счет капиллярных сил: горячий конденсат вытесняет, замещает маловязкую нефть из мелких пор и слабопроницаемых линз (слоев) в крупные поры и высокопроницаемые слои, то есть меняется с ней местами.

Именно такое перераспределение насыщенности пласта нефтью и конденсатом и является физической основой процесса извлечения нефти при помощи пароциклического воздействия на пласты. Без капиллярного обмена нефтью и конденсатом эффект от пароциклического воздействия был бы минимальным и исчерпывался бы за первый цикл.

В 2050 году глобальный спрос на энергоносители может возрасти вдвое или даже втрое по сравнению с прошлыми годами, учитывая дальнейшее развитие современных отраслей экономики. Доля возобновляемых источников энергии неуклонно растет и может составить 30 % к 2050 году. В связи с тем, что огромный дефицит энергии никуда не исчезнет, нефть и газ еще несколько десятилетий будут играть ведущую роль в мировой энергетике. В то же время происходит истощение разрабатываемых месторождений нефти, что делает еще актуальней вопросы поиска новых запасов и увеличение нефтеотдачи при их разработки. Следовательно, высокая потребность в углеводородах выдвигает задачи, которые необходимо решать эффективными и инновационными методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каушанский Д. А. IV Межд. Научный симпозиум "Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов", 2013. Том I. c.168 – 172.

2. Журнал «Нефтегазовой вертикали» (по итогам российской технической нефтегазовой конференции и выставки SPE по разведке и добыче 2010 года)

3. Мошинский А. И. Об уточнении условия типа “Тепловая ёмкость”, применяемого в задачах тепломассопереноса // ТВТ. – 1997. – Т. 35. – № 1. – С. 160–162.

4. Проект разработки месторождения Узень(13-18 горизонты). 2005ж.

5. Т.К.Ахмеджанов, Е.С.Орынгожин «Повышение нефтеотдачи пластов» Методические указания к практическим занятиям 2008г