Лурьева И.И.

Институт нефти и газа, Туркменистан

 

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБВОДНЕНИЯ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

 

Характерной особенностью разработки газовых месторождений на поздних стадиях является проявление водонапорного режима. Внедрение воды в газовую залежь приводит к избирательному обводнению продуктивного пласта и селективному обводнению интервала перфорации. В начале разработки поступающая вместе с газом пластовая вода не скапливается в скважине, так энергии потока газа ещё достаточно для выноса всей газожидкостной смеси на поверхность. По мере снижения пластового давления скорость газожидкостного потока снижается, а количество поступающей в скважину пластовой воды увеличивается. На завершающих стадиях разработки газовых месторождений важно рационально применить методы регулирования естественного обводнения газовых месторождений.

Одной из причин, уменьшающих эффективность разработки газовых месторождений на завершающей стадии и значительно снижающих компонентоотдачу, является неоднородность продуктивных пластов по проницаемости. Наличие высокопроницаемых участков в пласте приводит к преимущественному вытеснению газа из них и более быстрому прохождению пластовых вод к добывающим скважинам.

Для предотвращеня преждевременного обводнения продук­тивных интервалов и увеличения компонентоотдачи в последние годы в газодобыче используются специально разработанные полимер­ные гелеобразующие системы, имеющие вязкость, сравнимую и боль­шую, чем вязкость пластовых флюидов, и способность к структурообразованию не за счёт поступления дополнительных компонентов извне, а за счёт наличия времени структурообраэования. Полимерные гелеобразующие системы находят широкое применение в нефтегазодо­бывающей отрасли. Они применяются для:

-     регулирования водопроницаемости, ограничения водопритоков к скважине, селективной изоляции зон повышенной проницаемости, повышения коэффициента охвата вытеснения закупорки высокопрони­цаемых зон в карбонатном коллекторе;

-       перераспределения    вытесняющего    агента,   выравнивания профиля приемистости;

-       тампонирования пласта, борьбы с поглощением бурового раствора, ликвидации перетоков и утечек, глушения скважины, гидроразрыва пласта и так далее.

Для получения гелеобразующих растворов используются различные реагенты, как органического, так и неорганического про­исхождения: вода (в том числе и пластовая), полимеры, смолы, эфиры, спирты, кислоты, соли, и другие. Такие свойства гелей, как время структурирования, прочность структуры и усадка значительно изменяются в зависимости от концентрации реагентов, типа гелеобразующего агента, от пластовых условий, температуры, минерали­зации жидкости и насыщенности пласта углеводородами. Время струк­турирования гелей (от эластичных до твердых) может изменяться от нескольких секунд до нескольких часов и суток. Неорганические кислоты и реагенты обладают способностью быстро реагировать. Ор­ганические реагенты, которые медленно гидролизуются или окисляют­ся, образуют гели медленее. Во многих пластах, характеризующихся высокой минерализацией, жесткостью воды или высокой температурой, гелеобразование ускоряется.

Наиболее полно вопрос образования гелевого борьера в пластовых условиях изучен для нефтяных скважин. Кроме того, гелеобразующие составы нашли широкое применение в бурении нефтегазовых скважин.

Для газовых месторождений, на поздней стадии разработки которых происходит обводнение пластов и скважин, методы активного воздействия на водонапорный режим применяются крайне ограниченно. Однако, закачка в пласт гелеобразующих растворов иногда может являться одним из способов эффективного регулирования процесса обводнения газовых месторождений. Безусловно, кроме технологического решения, одним из современных инструментов современной науки является математическое моделирование активного воздействия на водонапорный режим, а именно создание комбинированного режима разработки за счёт использования его положительных сторон (поддержание пластового давления, вытеснение газа водой) и ограничения отрицательных (избирательное обводнение скважин, двухфазные потоки жидкости и газа в газовых скважинах, самозадавливание скважин и т.д.).

Моделирование процесса разработки газовых и газоконденсатных месторождений, в зависимости от их геолого-промысловых особеннос­тей, по различным технологиям, является важным этапом на пути качественного прогноза показателей, выбора рационального варианта разработки и выработки рекомендаций по доразработке.

        В связи с тем, что комбинированный режим эксплуатации залежи создается искусственно, закачкой в пласт раствора химических реа­гентов, которые при контакте с солями металлов в пластовой воде создают непроницаемый для неё барьер, рассмотрим происходящие при этом физико-химические процессы на примере реак­ции в пласте, например, между гипаном и ионами кальция в составе пластовой воды.

Принимая формулу гипана в виде

          (1)

или                                                  ,                                      (2)       

в общем виде химическую реакцию можно записать

.        (3)

Эта реакция первого порядка, при взаимодействии гипана с ионами Са2+ происходит сшивка карбоксильных групп в сложных мак­ромолекулах гипана и образуются нерастворимые резиноподобные сое­динения за счет прочной связи "углерод-углерод".

         Молекулы гипана можно представить в виде длинных цепочек, состоящих из атомов углерода, водорода и натрия, длина которых соизмерима с размерами пор пласта. При движении водного раствора гипана в пористой среде молекулы полимера как бы "цепляются" за зерна породы, создавая дополнительные фильтрационные сопротивле­ния и сорбируясь на поверхности зёрен. В связи с этим, с ростом градиента давления скорость фильтрации раствора гипана возрастает медленнее, чем скорость водного раствора во закону Дарси. Тогда, вводя коэффициент r, учитывающий дополнительное сопротивление, закон, описывающий фильтрацию водного раствора полимера (ВРП),  можно представить в виде:

           или  ,                (4)

где V – скорость фильтрации; k – коэффициент проницаемости для газа; μ – вязкость; Р – пластовое давление; n – экспериментальная константа, 0 < n < 1.

        Физико-химический процесс фильтрации ВРП описывается системой уравнений фильтрации и переноса гипана с учётом его сорбции пористой средой.

Для вывода уравнения переноса рассмотрим элемент пористой среды, где фильтрация ВРП происходит слева направо (рис.)

 

Рис. Схема элемента пласта, через который происходит фильтрация водного раствора гипана.

 

Через левую грань вместе с водой за время Δt входит количество гипана, равное

,                                                (5)

где С – концентрация гипана; В – ширина элемента пористой среды; h – толщина элемента пористой среды.

В результате физико-химических процессов и под действием градиента давления, через правую грань выходит количество гипана, равное            

 .                              (6)

При этом в остаточной воде, насыщающей рассматриваемый элемент пласта, за время Δt происходит увеличение массы гипана на величину

,                                       (7)

где S – водонасыщенность пласта; Δх – элементарный шаг вдоль оси Х.

         На  поверхности  зёрен  породы  за этот  же  отрезок  времени сорбируется количество гипана, равное

                                ,                                          (8)

где А – общее количество сорбирующегося гипана.

Тогда, согласно (6) – (8) баланс гипана в элементе пласта

         .       (9)                       

Отсюда получим дифференциальное уравнение переноса гипана в прямолинейном пласте

                                                                        (10)

или, с учетом уравнения неразрывности:

                           .                                        (11)

Для описания процесса сорбции гипана в пористой среде можно применить два вида изотерм: изотерму Лэнгмюра, где

                                         ,                                                 (12)

или изотерму Генри, имеющую место при малых концентрациях полимера, где

                                     ,                                                  (13)

здесь а, b – коэффициенты, определяемые экспериментально.

       Динамика   массообмена   характеризуется   системой   уравнений: материального баланса и кинетики химической реакции (3)

                                    (14)

                                           (15)             

где q – концентрация вещества, получающегося в результате химической реакции; t – время; С – концентрация вещества, раство­ренного в пластовой воде сионов кальция); u – скорость фильтрации пластовой воды; K – константа скорости химической реакции.

Начальные и граничные условия системы (14)–(15):

                       ,                           (16)

то есть в начальный момент времени t=0 в полупространстве х>0 пластовой воды нет, а на границе х=0 концентрация ионов кальция равна С0.

В результате химической реакции между гипаном и ионами кальция в пластовой воде, образуется гель концентрацией q и соз­даются условия для осуществления комбинированного режима эксплуа­тации газовой залежи, так как искусственный гелевый барьер пре­пятствует дальнейшему поступлению в залежь пластовой воды.

При использовании предлагаемой технологии разработки методика прогнозирования технологических показателей сводится к следующему алгоритму:

-    расчёт показателей разработки при газовом режиме до начала проявления водонапорного режима под действием естественного на­чального градиента давления;

-    расчёт показателей разработки при водонапорном режиме;

-    расчёт параметров образования барьера для пластовой воды (объём закачиваемого в пласт раствора гипана, скорость его филь­трации, распределение концентрации гипана в пласте, скорость Фронта сорбции гипана, ширина образующегося физико-химического барьера, изменение концентрации ионов поливалентных металлов в пластовой воде, динамика концентрации геля во времени и т.д.);

-     расчёт показателей разработки при газовом режиме после искусственного прекращения влияния водонапорного режима, то есть после остановки внедрения пластовой воды на контакте с раствором гипана.