Способ разработки залежей высоковязкой нефти или битума

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к способам разработки залежей высоковязких нефтей или битумов, и может быть использовано при их добыче в условиях внутрипластового горения сочетанием теплового - следствие циклической подачи воздуха и гидродинамического воздействия на пласт. Обеспечивает повышение эффективности инициирования внутрипластового горения и, как следствие, повышение эффективности извлечения нефти или битума путем изменения направления их движения и газов созданием знакопеременных градиентов давления. Сущность изобретения: в процессе внутрипластового горения на продуктивный пласт осуществляют циклическую разнонаправленную закачку воздуха как окислителя. Это достигают изменением давления закачки окислителя и его объема, изменением местоположения точек нагнетания воздуха, отбора высоковязкой нефти (ВВН) или битума. Возникновение знакопеременных давлений между слоями разной насыщенности способствует ускорению капиллярной противоточной пропитки водой зон с ВВН или битумом, внедрению газов в участки с ВВН или битумом по мелким поровым каналам и перетоку ВВН или битума из разогретых зон по крупным поровым каналам. Изменение направления потоков газа ВВН или битума между скважинами усиливает процесс повышения охвата пласта внутрипластовым горением. Таким образом, от цикла к циклу увеличивают охват застойных зон и повышают коэффициент битумоизвлечения. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к способам разработки залежей высоковязкой нефти (ВВН) или битума путем внутрипластового горения, и может быть использовано при регулировании процесса внутрипластового горения (ВГ) при помощи нестационарных режимов закачки воздуха как окислителя при вытеснении ВВН или битума из разнопроницаемых пластов.

Известен способ разработки залежей высоковязких нефтей путем внутрипластового горения, включающий закачку воздуха в нагнетательную и отбор продукции через добывающие скважины. [См. пат. США №3179167, кл.166-11, опублик. - 1965 г.].

Способ предусматривает непрерывную закачку воздуха до подхода высокотемпературной зоны к добывающей скважине, а затем переход к циклической закачке воздуха.

Недостатком указанного способа является низкий коэффициент охвата горением и трудность управления перемещением фронта горения при повторных циклах. Это объясняется тем, что фронт горения, продвигаясь по более проницаемым участкам к добывающей скважине, охватывает продуктивный пласт лишь небольшой толщины, поскольку при повторных циклах фронт горения будет перемещаться преимущественно по тем же пропласткам, что и прежде. Это объясняется тем, что после доведения фронта горения или высокотемпературной зоны до добывающей скважины неоднородность пласта лишь усиливается, поскольку в более проницаемых пропластках или трещинах высоковязкая нефть оказывается замещенной более подвижным агентом (воздухом или водой).

Известен также способ разработки высоковязкой нефти или битума [см. РЖ "Горное дело", сводный том, 1969, №6, инд. 6Г253П].

Способ включает циклическую закачку через нагнетательные скважины воздуха с постоянным расходом и отбор пластовой продукции через добывающие скважины. В периоды остановки закачки воздуха в пласт через нагнетательные скважины закачивают воду для снижения температуры пласта ниже температуры крекирования нефти. После закачки воды производят отбор нефти через добывающие скважины до тех пор, пока температура пласта остается выше температуры воспламенения пластовой нефти при последующем возобновлении закачки окислителя.

Основным недостатком известного способа является малый охват пласта горением и соответственно низкий коэффициент нефтеотдачи вследствие того, что данный способ предусматривает постоянный темп закачки воздуха без учета температурной обстановки в пласте и скорости горения топлива во времени.

При закачке больших объемов воздуха в начале цикла создается избыток кислорода (в этот период скорость горения топлива замедлена из-за снижения температуры), который, прорываясь через фронт горения к добывающим скважинам, образует взрывоопасную смесь с углеводородными газами. Это приводит к вынужденному прекращению процесса разработки пласта.

Таким образом, при закачке воздуха с постоянной скоростью процесс горения нерегулируемый, что в конечном счете снижает основной показатель разработки - нефтеотдачу пласта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ разработки залежи высоковязкой нефти или битума [см. пат. RU №1129986 от 15.07.83, кл. Е 21 В 43/24], заключающийся в закачке через нагнетательные скважины воздуха и отборе пластовой продукции через добывающие скважины, закачку воздуха в каждом цикле осуществляют в нарастающем темпе и после достижения максимально возможного расхода воздуха закачивают с постоянным темпом, причем суточный расход воздуха в периоды наращивания темпа закачки определяют из следующего соотношения:

где q_t - суточный расход воздуха в момент времени t (нм³/сут.);

Δt - продолжительность периода наращивания суточного расхода воздуха в цикле (сут.);

t - текущее время (сут.);

q_мин - начальный расход воздуха в цикле (нм³/сут.);

q_мах - максимально возможный расход воздуха (нм³/сут.);

Циклическое нагнетание окислителя в нарастающем режиме способствует увеличению охвата пласта горением.

Недостатком способа является ограниченное использование, так как при изменении геолого-физических характеристик разрабатываемых ВГ пластов эффективность его резко падает из за отсутствия возможности регулирования процесса закачки воздуха. Технической задачей предлагаемого способа разработки залежи высоковязкой нефти или битума является повышение эффективности разработки неоднородных залежей за счет регулирования процесса внутрипластового горения при помощи нестационарных режимов закачки воздуха как окислителя и сочетания теплового и гидродинамического воздействия на пласт.

Поставленная задача решается описываемым способом разработки ВВН или битума путем создания внутрипластового очага горения, включающим циклическую закачку воздуха с изменением темпа его закачки через нагнетательные скважины и отбор ВВН или битума через добывающие скважины.

Новым является то, что оптимальную частоту циклов закачки воздуха определяют по формуле

t_{1/2 ц}=L²/2χ,

где t_{1/2 ц} - длительность полуцикла закачки окислителя в пласт, сут.;

L - характерная длина пласта, м;

χ - средняя пьезопроводность пласта,

χ=к/μ c m,

где

μ - вязкость ВВН или битума, Па·с;

к - проницаемость пласта, мкм²;

m - пористость пласта, доли единицы;

с - коэффициент упругоемкости пласта, 1/МПа, (2÷5)·10^-4.

При этом амплитуду колебаний расхода нагнетаемого воздуха определяют как отношение превышения или снижения уровня нагнетания воздуха над средним объемом нагнетания при циклическом внутрипластовом горении к среднему уровню закачки воздуха при его стационарной закачке по формуле:

B=(Q_i3-Q₀₃)/Q₀₃,

где

В - амплитуда колебаний расхода нагнетаемого воздуха.

Q₁₃ - максимальный или минимальный уровень закачки воздуха в зависимости от фазы цикла, при циклическом внутрипластовом горении (Q_13min=0), нм³/сут.;

Q₀₃ - средний уровень стационарной закачки воздуха (Q₀₃=Q₁₃/2), нм³/сут.;

 _i - номер цикла (i=1, 2),

причем начало циклической закачки воздуха определяют по времени прорыва газа горения в эксплуатационную скважину при стационарной закачке воздуха по пропластку с большей проницаемостью, при этом периодически изменяют местоположение точек нагнетания воздуха и отбора ВВН или битума, а проявление эффекта от циклического воздействия определяют в виде дополнительной добычи ВВН или битума по устойчивым интегральным зависимостям объема извлеченных ВВН или битума и закачанного воздуха вида:

Q(t)=f[Q_возд.(t)],

где

Q(t) - накопленный объем добытых ВВН или битума с участка к данному времени отслеживания, т;

Q_возд.(t) - накопленный объем закачанного воздуха к данному моменту, м³.

Предлагаемый способ разработки залежи высоковязкой нефти или битума при внутрипластовом горении основан на сочетании теплового и гидродинамического воздействия на пласт. Гидродинамическое воздействие заключается в периодическом изменении объемов закачки воздуха и отборе жидкости. Тепловое воздействие при этом получается как следствие подачи воздуха как окислителя.

При нестационарном режиме закачки воздуха между зонами пласта с различной проницаемостью и битумонасыщенностью создаются знакопеременные градиенты давлений, под воздействием которых увеличивается процесс капиллярной пропитки.

В связи с циклическим изменением объемов закачки воздуха и отбора ВВН или битума в элементе разработки наступают периоды повышения и снижения пластовых давлений, под действием которых увеличивается процесс капиллярной пропитки.

В периоды увеличения объемов закачки темпы роста давления в газонасыщенных высокопроницаемых и смежных битумонасыщенных зонах будут отличаться за счет разницы их проводимости. При этом возникают положительные градиенты давлений, под действием которых поток ВВН или битума проходит из битумонасыщенных зон в газонасыщенные.

При последующем повышении давления ВВН или битум будет вытесняться к зонам отбора. Таким образом цикл повторяется. От цикла к циклу будет увеличиваться охват застойных зон и повышаться коэффициент битумоизвлечения.

Неоднократные скачки насыщенности, возникающие вследствие неравномерного вытеснения битума газами из неоднородных пластов, создают неравновесное состояние капиллярных сил на контакте зон с разной насыщенностью. Возникновение знакопеременных давлений между слоями разной насыщенности способствует ускорению капиллярной противоточной пропитки водой битумонасыщенных зон, внедрению газов в битумонасыщенные участки по мелким поровым каналам и перетоку ВВН или битума из разогретых зон по крупным поровым каналам. Изменение направления потоков газа ВВН или битума между скважинами усиливает процесс повышения охвата пласта внутрипластовым горением.

Процесс изменения направления фильтрационных потоков происходит достаточно длительное время. В зависимости от проницаемости пластов процесс стабилизации потоков может продолжаться от нескольких десятков суток до нескольких месяцев. Поэтому проявление эффекта от циклического воздействия происходит с некоторым запаздыванием. Эффект в виде дополнительной добычи определяется по интегральным показателям объема извлеченной ВВН или битума и закачанного воздуха - окислителя.

Механизм внутрипластового горения в пласте предопределяет прямую связь между объемами нагнетания воздуха и добычи ВВН или битума. Дифференциальные зависимости между ними в связи с запаздыванием эффекта от нестационарности закачки воздуха непригодны. Поэтому необходимо использовать устойчивые интегральные зависимости между объемами закачки и отбором ВВН или битума.

Совокупность отличительных признаков позволяет повысить эффективность разработки неоднородных залежей за счет регулирования процесса ВГ при помощи нестационарных режимов закачки окислителя и сочетания теплового и гидродинамического воздействия на пласт.

Из доступных источников патентной и научно-технической литературы нам не известна заявленная совокупность отличительных признаков. Следовательно, предложенный способ отвечает критерию изобретения "изобретательный уровень".

Способ осуществляют в следующей последовательности (совмещен с примером конкретного выполнения).

На Мордово-Кармальском месторождении битумов выбирали ряд скважин для испытания предлагаемого способа разработки залежей. Скважины обустроили в соответствии с существующим проектом обустройства, дополнительно оборудовали исследовательской площадкой, манометром, термометром и устройством для отбора битума.

Начальная битумонасыщенность пласта составляла не менее 40% объема пор, при этом продуктивный пласт характеризуется следующими параметрами:

1) глубина залегания пласта, м - до 120;

2) битумонасыщенная толщина, м - не менее 3;

3) проницаемость пласта, мкм² - не менее 0,5;

4) пористость, доли единиц - не менее 0,18;

5) динамическая вязкость битума в пластовых условиях, Па·с - 3-10;

6) коэффициент упругоемкости пласта, зависящий от насыщения пласта битумом и газами, и характеризует степень сжимаемости пласта на единицу давления, который изменяется в пределах - (2÷5)·10^-4, 1/МПа, для нахождения оптимальных значений с точки зрения достижения поставленной технической задачи.

В процессе эксплуатации месторождения предлагаемым способом давление нагнетания теплоносителя в пласт составляло не более 4 МПа, температура теплоносителя не выше 250°С.

При испытании предлагаемого способа разработки залежей ВВН и природных битумов использовали оборудование, применяемое в нефтяной промышленности:

- стационарные компрессоры типа ОВГ-75-70 У;

- передвижные каротажные станции типа СКТ-1 и СКТ-2;

Контроль за давлением нагнетания осуществлялся по показаниям манометров, установленных до и после штуцера на линиях нагнетания.

Учет объемов закачки производился расчетным путем в зависимости от влажности воздуха и давления закачки на единицу объема пласта (140-160 нм³/м³).

При разработке битумонасыщенных пластов или пластов с ВВН методом ВГ технология обеспечивает устойчивый прогрев пласта, оптимальную температуру на фронте горения не выше температуры воспламенения пласта (не выше 250°С).

Перед началом работ производили ревизию устьевого оборудования скважин на герметичность, устанавливали манометры и термометры.

Снимали контрольные замеры дебита, пластовой температуры, статического уровня, отбирали пробы газа и жидкости реагирующих скважин.

Назначение нагнетания воздуха заключается в поддержании очага горения в битуминозном пласте.

Суть изменения режима нагнетания воздуха заключается в регулировании процесса горения битума в пласте и его продвижения к добывающей скважине при более полном охвате тепловым воздействием разрабатываемого участка пласта.

Расчетный объем воздуха определяли исходя из условий конкретной скважины (элемента). Максимальный темп закачки в одну скважину 30-40 тыс. нм³/сут. (фактический).

Пускали скважину под закачку воздуха с измененным объемом.

Амплитуду колебаний расхода нагнетаемого воздуха определяют как отношение превышения или снижения уровня нагнетания воздуха над средним объемом нагнетания, при циклическом внутрипластовом горении к среднему уровню закачки воздуха при его стационарной закачке по формуле

B=(Q_i3-Q₀₃)/Q₀₃,

где В - амплитуда колебания расхода нагнетаемого воздуха;

Q₁₃ - максимальный (или минимальный) уровень закачки (в зависимости от фазы цикла) при циклическом ВГ, нм³/сут.;

Q₀₃ - средний уровень стационарной закачки воздуха, нм³/сут.;

(Q_13min=0; Q₁₃=2Q₀₃); i - номер цикла (i=1, 2).

При условии необходимости сохранения среднего объема циклической закачки воздуха равным объему при стационарной закачке "В" не может быть более 1. Это означает, что в полупериод повышения давления нагнетания объем закачки воздуха должен увеличиться в два раза и в полупериод снижения давления сократиться до 0 в результате отключения нагнетательных скважин. Замеряли температуру призабойной зоны нагнетательной скважины. В случае применения способа на элементе уменьшали объем или прекращали закачку воздуха в нагнетательные скважины в течение 10-30 суток, продолжая отбор битума из добывающих скважин в прежнем режиме. Оптимальная частота циклов, полученная из гидродинамических расчетов, определяется по формуле

t_{1/2 ц}=L²/2χ,

где

t_{1/2 ц} - длительность полуцикла закачки окислителя в пласт, сут.;

L - характерная длина пласта, м;

χ - средняя пьезопроводность пласта,

χ=к/μ с m,

где

μ - вязкость битума, Па·с;

к - проницаемость пласта, мкм²;

m - пористость пласта, доли единицы;

с - коэффициент упругоемкости пласта, 1/МПа.

Для Мордово-Кармальского месторождения t_{1/2 ц}=30 сут. На третьи сутки от начала закачки, далее периодически - один раз в неделю, проводили замеры пластовой температуры, уровней, отбирали пробы газа и битума по реагирующим скважинам.

Восстанавливали закачку воздуха с увеличенным до двух раз объемом в нагнетательную скважину (с суточным расходом 30-40 тыс. нм³/сут) в течение 10-20 суток, одновременно прекращая отбор битума из добывающих скважин в течение 5-10 суток. (В связи с запаздыванием по времени проявления эффекта от циклического воздействия по наблюдениям примерно в два раза время прекращения отбора изменялось соответствующе).

Если дебиты скважин по битуму не превышали дебиты до закачки воздуха, то осуществляли следующий цикл по закачке воздуха, начиная с пуска скважины под закачку воздуха с измененным объемом. При превышении дебита реагирующих скважин после закачки воздуха продолжали эксплуатацию пласта до прекращения поступления битума в реагирующие скважины.

При отсутствии влияния закачки воздуха на пласт подбирали и подготавливали другую скважину под закачку воздуха.

Закачку воздуха в другую скважину производили в режиме нагнетания в основную скважину.

Смену места нагнетания и изменение объемов или давления закачки с целью изменения фильтрационных потоков производили на нескольких элементах одновременно.

Оценку эффективности предлагаемого способа производили путем сравнения дебита и обводненности реагирующих скважин до и после циклирования или построением характеристики вытеснения (фиг.1-2).

На фиг.1 показана накопленная добыча битума по прототипу. На фиг.2 показана накопленная добыча битума по предлагаемому способу разработки залежей ВВН или битума в виде заштрихованной площади, находящейся над линией прямолинейной экстраполяции зависимости между Q_б(t) и Q_возд.(t).

Для циклической закачки воздуха подбирали скважины элементов, на которых текущая выработка пласта составляла 10-30%.

Показатели прироста добычи битума за рассматриваемый период по каждому элементу месторождения, где проводилась циклическая закачка воздуха, сведены в таблицу.

Таблица
№ элемента	Прирост добычи за рассматриваемый период, тыс.т
13	0,03
306	0,15
303	0,2
320	0,33
342	0,67
345	0,03
362	0,19
381	0,07
401	0,004
404	0,13
Итого	1,804

Анализ разработки элементов показал, что эффективность от нестационарной закачки воздуха на Мордово-Кармальском месторождении природных битумов в виде дополнительной добычи в разной степени наблюдалась по всем рассматриваемым элементам, которая составляет от 0,03 до 0,67 тыс.т., а накопленная добыча битума по предлагаемому способу в целом составляет 144 тыс. тонн против 142,2 тыс. тонн по прототипу.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа складывается за счет повышения эффективности разработки неоднородных залежей путем регулирования процесса внутрипластового горения при помощи нестационарных режимов закачки воздуха как окислителя в сочетании теплового и гидродинамического воздействия на пласт.

В сумме дополнительная добыча за весь период опытной разработки составила 1,8 тыс. тонн.

Способ разработки залежей высоковязкой нефти или битума путем создания внутрипластового очага горения, включающий циклическую закачку воздуха как окислителя с изменением темпа его закачки через нагнетательные скважины и отбор высоковязкой нефти (ВВН) или битума через добывающие скважины, отличающийся тем, что оптимальную частоту циклов закачки окислителя определяют по формуле:

t_1/2ц=L²/2χ,

где t_1/2ц - длительность полуцикла закачки воздуха в пласт, сут.;

L - характерная длина пласта, м;

χ - средняя пьезопроводность пласта,

χ=к/μсm, где

μ - вязкость ВВН или битума, Па·с;

к - проницаемость пласта, мкм²;

m - пористость пласта, доли единицы;

с - коэффициент упругоемкости пласта, 1/МПа,

при этом амплитуду колебаний расхода нагнетаемого воздуха определяют как отношение превышения или снижения уровня нагнетания воздуха над средним объемом нагнетания при циклическом внутрипластовом горении к среднему уровню закачки воздуха при его стационарной закачке по формуле

B=(Q_i3-Q₀₃)/Q₀₃,

где В - амплитуда колебаний расхода нагнетаемого воздуха;

Q_i3 - максимальный или минимальный уровень закачки воздуха в зависимости от фазы цикла при циклическом внутрипластовом горении (Q_i3min=0), нм³/сут.;

Q₀₃ - средний уровень стационарной закачки воздуха (Q₀₃=Q_i3/2), нм³/сут.;

i - номер цикла (i=1,2),

причем начало циклической закачки воздуха определяют по времени прорыва газа горения в эксплуатационную скважину при стационарной закачке окислителя по пропластку с большей проницаемостью, при этом периодически изменяют местоположение точек нагнетания воздуха и отбора ВВН или битума, а проявление эффекта от циклического воздействия определяют в виде дополнительной добычи по устойчивым интегральным зависимостям объема извлеченных ВВН или битума и закачанного воздуха вида:

Q(t)=f[Q_возд(t)],

где Q(t) - накопленный объем добытых ВВН или битума с участка к данному времени отслеживания, т;

Q_возд(t) - накопленный объем закачанного воздуха к данному моменту, м³.