Интегрированные волновые технологии

Отмеченные в предыдущих разделах особенности геодинамики продуктивных пластов в отдельности, и включающей их геосреды вообще, создают очевидные предпосылки для разработки инициирующих технологий, так же основанных на динамических, в частности, на волновых принципах.

Вследствие этого, в российской и мировой нефтегазовой отраслях проводятся достаточно интенсивные исследования в области практического применения таких технологий. Однако, как отмечалось, общим их недостатком является отсутствие системного подхода, на котором основывалось бы их развитие в сложных геологических условиях.

В связи с этим, актуальна задача разработки научных основ исследования и интенсификации работы пластов, исходя из представлений о взаимосвязи геодинамиче-ских явлений различного регионального и локального уровней.

Первые связаны с особенностями строения геосреды. К таковым, прежде всего, относятся: характер её напряженно-деформированного состояния (НДС), наличие транзитных зон трещиноватости, наличие кольцеобразных зон разнонапряженного состояния, наличие большого числа вновь выявленных мелко- и среднемасштабных тектонических нарушений в платформенных областях, и др. С такими особыми тектоническими зонами связаны месторождения принципиального нового трансседиментационного и приразломного типов. Естественно, что инициация таких месторождений необычного строения и генезиса требует иных технико-технологических решений, основанных так же и на новых сейсмоакустических и геодинамических данных.

Вследствие действия геодинамических факторов, инициируемых при волновом воздействии, обеспечивается повышение эффективности разработки за счет увеличения продуктивности как отдельных добывающих скважин (локальный эффект), так и за счет интегрального (площадного) технологического эффекта, связанного целенаправленным регулированием и интенсификацией процессов вытеснения УВ по зонам площадного и по интервалам послойного блокирования.

В то же время, традиционные технологии инициирования продуктивных пластов в очень малой степени учитывают геодинамические аспекты, влияющие весьма существенным образом на показатели разработки месторождений, т.к. последние зависят от характера проявления пластовой энергии на различных стадиях разработки, в особенности на поздней её стадии.

Необходимость привлечения геодинамических моделей горной среды совместно с обычными геолого-геофизическими и гидродинамическими данными связана с тем, что использование таких моделей позволяет оптимизировать технологию волнового воздействия по энергетическим затратам и обеспечить наибольший эффект её применения.

Одна из таких моделей связана с тем, что в пределах месторождений поле напряжений определяют системы разломов, осложняющих складки. На их сводах вниз разрастаются сбросы, а на крыльях сверху вниз взбросы (или крутые сбросы). Места, где касательные напряжения достигает наибольшей величины, являются участками снижения всестороннего сжатия. Они обладают повышенной трещиноватостью и отличаются высокой проницаемостью. Напряженное состояние способствует тому, что образуются нарушения сплошности среды (трещины), которые, в свою очередь, приводят к перераспределению поля напряжений. Это вызывает лавинообразный процесс, в вследствие которого возникают новые деформации и образуются новые микро-и макротрещины.

Одновременно с процессом трещинообразования происходит заполнение свободных полостей трещин газожидкостными флюидами и твердыми осадками (в процессе вторичного минералообразования). При перераспределении напряжений процесс заполнения препятствует полному смыканию ранее образовавшихся трещин и способствует возникновению ещё более сложной системы трещиноватости. Всё это приводит к увеличению объёма горных пород в зонах трещиноватости (дробления). В то же время, такое увеличение объёма приводит к тому, что на участках, примыкающих к зонам дробления, происходит сжатие (уплотнение) горных пород и, как следствие, уменьшение занимаемого ими объёма.

Таким образом, в горной среде образуются чередующиеся участки дробления

(трещиноватости) и уплотнения (консолидации) горных пород, которые характеризуются, соответственно, высокими и низкими фильтрационно-ёмкостными свойствами. Применение геодинамических моделей даёт возможность выявления зон с высокой и низкой проницаемостью, и, в соответствии с этим позволяет оптимизировать выбор участков и скважин для гидроразрыва пластов и применение волновой технологии.

В латеральном направлении такое изменение строения и физико-механических свойств горной среды не непрерывно, а имеет скачкообразный пространственно-локализованный характер в связи с кольцеобразным чередованием зон высоких и низких напряжений, при этом зоны низких напряжений отождествляются с зонами фильтрации. Особенно велика роль напряженного состояния для карбонатных пород, где фильтрация флюидов идет преимущественно по трещинам, которые могут смыкаться и размыкаться. Это создаёт условия для фильтрации углеводородов в систему трещинных полостей, особенно под влиянием возникающих при волновом воздействии полей упругих напряжений, причем искусственно создаваемые поля напряжений взаимодействуют с естественными полями напряжений горных пород. При разработке схемы волнового воздействия необходимо обеспечить оптимальные условия такого взаимодействия, т.к. самопроизвольный сток углеводородов в зону разуплотнения несущественен из-за достижения стационарного состояния обмена в системе «зона разуплотнения - вмещающая порода -залежь». Интенсификация этого процесса происходит при волновом воздействии, нарушающем равновесное состояние системы и приводящем к появлению градиентов P,V, Та также к формированию вторичных залежей в зоне разуплотнения пород.

В зонах разуплотнения пород (трещиноватых зонах) образуются фильтрационные аномалии. Их возникновение связано с фильтрационными перетоками флюидов в пределах таких зон. При миграции углеводородов в разуплотненной горной среде на границах фаз «вода-газ-нефть-порода» развиваются такие физико-химические процессы, как адсорбция, капиллярная сорбция, физическая сорбция. Эти процессы эк-зотермичны, поэтому миграция углеводородов сопровождается выделением теплоты адсорбции и окисления. Учитывая, что количество сорбированных углеводородов в породах зоны фильтрации составляет значительную часть от блокированных в залежи, это приводит к разогреву зон. Принимая во внимание тот факт, что повышение температуры в зоне фильтрации всего на 1 °C сопровождается выделением пластовой энергии в количестве 2*10 КДж, становится ясен вклад этих процессов, инициируемых при волновом воздействии, в повышении У В-отдачи пластов, происходящей как вследствие диффузионного проникновения флюидов, так и за счет фильтрационного массопереноса по ослабленным зонам.

В совокупности с этими двумя процессами действуют так же явление конвективного массопереноса. Энергия напряженного состояния горной среды выполняет функции стимуляторов тепло-массообмена, в особенности в ослабленных, хорошо дренируемых трещиноватых зонах.

Существенной, принципиально важной особенностью структуры полей напряжений горных пород является образование зонально-кольцеобразного кросс - пластового изменения физических свойств пород, т.е. пространственное распределение зон разнонапряженного состояния горной среды. Чередующиеся зоны трещиноватых и консолидированных горных пород имеют не только площадное распространение (пластовые зоны), но и вертикальное развитие, при котором захватываются все пласты разреза на месторождениях. Характерной особенностью вертикального зональнокольцеобразного распределения трещиноватых зон является то, что разуплотнению подвержены не только карбонатные породы разреза, но и пластические породы перекрывающих и разделительных экранов. То обстоятельство, что такие зоны охватывают как участки хорошей гидропроводности, так и слабопроницаемые зоны коллекторов (в вертикальном разрезе пласта) создаёт при волновом воздействии условия для инициирования процессов массопереноса и перетока («подсоса») флюидов из слабопроницаемых областей коллектора в зоны с хорошей проницаемостью.

При латеральном распределении зон разнонапряженного состояния горных пород, представляющих участки уплотненного (консолидированного) состояния горных пород и участки их разуплотнения (трещиноватости), волновое воздействие способствует усиление процессов фильтрационного массопереноса флюидов. Горизонтальная фильтрация усиливается за счет раскрытия каналов в плохопроницаемой части пласта при длительном воздействии упругими импульсами в условиях порогового перепада давления Р на границе областей разнонапряженного состояния среды.

Эти особенности геодинамики месторождений определяют важность разработки волновых технологий, обеспечивающий площадной характер воздействия на месторождение в целом (или на значительные его участки) наряду с технологиями локального волнового воздействия, в т. ч. на ПЗП.

В соответствии с принципом суперпозиции, энергетические соотношения в пласте при этом могут быть существенно улучшены. Так, при группировании источников (одновременной работе на месторождении двух идентичных по мощности волновых излучателей) амплитуда упругой волны в зоне взаимодействия возрастет в два раза. Ещё более значительный эффект достигается при выполнении условия когерентности источников упругих волн, при котором возникающая интерференция дает увеличение амплитуды в 4 раза.

Эффективность волнового воздействия определяется тем, что геологическая среда в состоянии неустойчивого равновесия способна весьма сильно реагировать на слабые энергетические воздействия, в особенности на воздействия, совершаемые в импульсном установившемся режиме в течение длительного времени.

Возникновение эффектов последействия в случае применения волновой технологии происходит в результате накопления локальных эффектов от длительной серии слабых воздействий в неравновесной напряженно-деформированной среде.

Условием нормальной эксплуатации месторождения является сохранение энергетического баланса в продуктивном пласте. Интенсификация обычных технологических режимов их разработки изменяет (ухудшает) это соотношение и требует притока в пласт дополнительной упругой энергии, израсходованной на активацию запасов. Отток кинетической энергии непосредственно восполняется при волновом воздействии от источника упругих волн. В то же время, волновое воздействие инициируют разгрузку пласта, находящегося в напряженно-деформированном состоянии, дополнительно высвобождая его потенциальную энергию в форме вторичных волн дефор мации (напряжения), так же обеспечивающих развитие эффектов волнового воздействия в пласте (гравитационная сегрегация, диффузия, дегазация, и др.).

Эффекты массообмена между разнонапряженными зонами, возникающего при волновом воздействии вследствие фильтрационного, диффузного и конвективного массопереноса и связанные с возникновением градиентов давления, не исчезают после снятия волновых полей. В системах, находящихся в напряженно-деформированном состоянии и включающих так же пластовые агрегаты в виде насыщенных пористых сред, последействие имеет весьма длительный временной промежуток. Возникающие при волновом воздействии процессы массопереноса могут продолжаться в течение многих месяцев после его прекращения (в условиях Урало-Поволжья зафиксировано длительное проявление эффекта ОВВ в течение 36 месяцев [4]).

В этих условиях за счет действия градиента давления, имеющего разное значение в проницаемой и плохо проводящей зонах, происходит «подсос» флюида в проницаемые пласты, в том числе и в области кристаллического фундамента.

Вовлечение в разработку месторождений нового типа - приразломных и их волновое инициирование требует учета специфических особенностей этих месторождений, когда пластовая энергия обеспечивается не только его пьезо- и гидродинамическими характеристиками, но так же и индуцированной энергией тектонических сложнонапряженных приразломных областей. В работах [4, 10] показаны критерии выделения как самих разломных зон, так и приразломных ловушек.

При выборе мест проведения волнового инициирования таких месторождений огромное значение имеет информация о сейсмической активности в их окрестностях.

Источником таких данных являются наблюдения сейсмических станций системы «Газ-сейсмика» [10]. Множество эпицентров зарегистрированных сейсмических событий фиксируются вдоль зон разломов в процессе сейсмического мониторинга. Наложение импульсных полей ОВВ на сейсмический фон приразломных зон при волновом сопровождении разработки месторождений способствует интенсификации рассмотренных выше процессов.

Исходя из особенностей волновых процессов, развивающихся в коллекторах разного типа под действием внешних источников, на основе анализа физических явлений, сопровождающих процессы взаимодействия естественных и искусственно создаваемых упругих волн, определяются основные требования к технологии и технике проведения работ по повышению нефтеотдачи пластов методом объёмного волнового воздействия:

  • - при работах по волновому воздействию источники волнового поля должны обеспечить возбуждение наиболее интенсивной низкочастотной составляющей спектра воздействия, что связано с требованием минимального поглощения энергии, переносимой упругими волнами;
  • — должно соблюдаться соответствие спектра воздействия и частотной характеристики пласта, обеспечивающее условие максимализации энергии воздействия;

технология волнового воздействия должна обеспечивать создание нормальных мод стоячей волны и бегущих волн, образующих каналовые волны. Создание стоячих волн с частотой, кратной собственной частоте пласта, позволяет на порядок повысить амплитуду колебаний в пласте;

при разработке схем волнового воздействия необходим учет эффектов, связанных с нелинейностью и частотной избирательностью среды. Нелинейная зависимость модулей упругости и сжимаемости насыщенных пористых сред при сложном характере взаимодействия между скелетом породы и поровыми флюидами, приводит к возникновению зависимости коэффициента проницаемости коллекторов от эффективного напряжения Е=(д - Р), где 6- горное давление, Р - поровое давление. При распространении продольной компоненты объёмной волны на статическое напряжение Ест существующие в пласте, накладывается знакопеременное динамическое напряжение Eq на фронте возбуждаемой в нём волны. При этом суммарное напряжение Есул, = Ест + Eq Изменение коэффициента сжимаемости по гиперболическому закону приводит к тому, что он может достигнуть достаточно больших величин при волновом воздействии с относительно невысокой акустической интенсивностью поля, что связано с отмеченными выше нелинейными свойствами геосреды. Возник новению этих эффектов способствует проведение воздействия с накоплением в пласте энергии суммарного поля от большого числа импульсов;

  • - при проведении работ по волновому воздействию наиболее выгодным с энергетической точки зрения является режим создания стоячих и бегущих каналовых волн при работе с группированием скважинных источников поля. В соответствии с принципом суперпозиции это приводит к существенному увеличению мощности воздействия за счет суммирования в каждой точке пространства амплитуд колебаний, вызванных в отдельности каждым источником;
  • - требования к местоположению источника волнового поля в скважине (во внутренних точках среды) связаны с необходимостью создания интенсивных интерференционных каналовых волн, особенно поперечных волн SH, головных волн, скользящих по границе пласта, а также волн на поверхности жидкости в области во-доиефтяного контакта. Это требование относится к обеспечению определенных углов выхода сейсмической радиации или углов падения упругих волн, возбуждаемых источниками на границах пласта с окружающим пространством;
  • - при работе с несколькими (два и более) источниками волнового поля, т.е. с несколькими инициирующими скважинами, к выбору местоположения последних предъявляется ряд дополнительных специальных требований;

скважины должны располагаться по площади с максимальным взаимным перекрытием участков воздействия, т.е. инициирующие скважины должны образовывать систему с расстояниями между скважинами L=R/2, где R - радиус зоны охвата волновым воздействием одиночной скважины (рисунок 6.1). Величина R может изменяться в зависимости от конкретных условий разработки месторождений и составляет величину 1,5 -2,5 км;

7 - ВНК, 2 - инициирующие скважины, 3- зоны влияния воздействия.

Рисунок 6.1 - Схемы волнового воздействия при групповом расположении скважин (а), при линейном расположении скважин (б).

  • - при линейном расположении скважин они должны находиться вблизи осевой линии залежи;
  • - помимо размещения скважин - источников поля в центральной части месторождения какое-то количество скважин (2-4) должны быть расположены вблизи ВНК. При выполнении этого требования обеспечиваются условия для оптимизации вытеснения нефти нагнетаемой водой и условия для создания волн на фазной поверхности раздела нефть-вода и вязких волн [] ;

особенно важное значение при выборе скважин в качестве источника волнового поля имеет учет их местоположения по отношению к тектоническим элементам, линиям тектонических нарушений или системам дизъюктивиых нарушений при тектонической перебитости блока (участка) месторождения, а также к зонам напряженно-деформированного состояния горной среды в пределах и вблизи границ залежи.

Выполнение этих требований обеспечивает интенсификацию процессов фильтрации и вытеснения нефти из тектонически или литологически экранированных залежей за счет энергии интерференции падающей волны и волны отраженной от литологической границы или линии дизъюнктивного нарушения.

3

1 — инициирующая скважина; 2-линия тектонического нарушения; 3,4 - фронты падающей и отраженной волн, соответственно; 5- область конструктивной интерференции; б, 7 -лучи падающих и отраженных (рассеянных) волн, соответственно; 8- зона НДС.

Рисунок 6.2 - Сейсмотектоническая схема ОВВ

а) - случай экранирующего тектонического нарушения, б) - случай наличия зоны НДС.

Важное значение имеет образование поля рассеянных на акустических неоднородностях вторичных волн. В последнем случае воздействие таких волн на участки среды, находящиеся в предельном напряженно-деформированном состоянии, провоцирует разрядку сконцентрировавшихся напряжений, вызывая длительные колебания типа афтершоков с частотой, характерной для пласта. Эти явления, механизм которых описан в разделе 4.5 приводят к активизации целиков нефти и застойных, неподвижных и малоподвижных скоплений блокированной нефти.

Техника работ по волновому воздействию должна учитывать особенности циркуляции нефти в трещиноватых коллекторах с учетом давления и температуры. При микроперепадах давления, создаваемого распространяющимися в пласте упругими волнами, состояние равновесия между фазами пластового флюида может нарушиться вследствие того, что выделившийся из нефти газ, из-за его разгазирования при ОВВ, поднимается в верхнюю часть пласта и вызывает интенсивное движение нефти в зону отбора. Взамен её из нижней части пласта тяжелая нефть поднимается по трещинам вверх, и в пласте возникают циклические конвективные процессы. Конвективные процессы такого рода благоприятны для активации малоподвижных и неподвижных запасов нефти, при разработке слоистых пластов с чередованием нормальных и плохопроницаемых пропластов, а также залежей вязкой нефти. В результате непрерывной циркуляции флюидов в трещинах создаются условия для выравнивания свойств нефти, диффузии газа из матрицы в трещины, увеличение подвижности нефти.

Эффективность инициирующих технологий существенно повышается за счет применения различных модификаций технологии волнового воздействия на продуктивные пласты. Это относится, прежде всего, к реализации максимального площадного охвата воздействием, а также к применению технологии разночастотного воздействия на пласты.

В разделе 3.1 рассмотрены характеристики волновых процессов в трех основных пространственных зонах продуктивных пластов, определяющие особенности волнового инициирования в каждой из этих зон. Оптимизация технологических процессов повышения продуктоотдачи выдвигает задачу одновременного инициирования всех трех зон. Но если волновое воздействие на призабойную зону пласта реализуется путем непосредственного, чаще всего контактного воздействия на горные породы этой зоны через перфорированную часть эксплуатационной колонны, то инициирование удаленных зон пласта требует проведения дистанционного волнового воздействия на значительные объёмы геосреды. Очевидный путь решения этой задачи, связанный с инициированием пластов с поверхности земли не может быть реализован из-за малой мощности воздействия, достигающего продуктивный объект, что связано с чрезвычайно высоким поглощением упругой энергии волнового поля на пути поверхность земли - пласт.

Компромиссное решение этой проблемы представляется возможным за счет проведения объёмного волнового воздействия с помощью дискретного волнового источника, помещенного непосредственно в добывающей (нагнетательной) скважине. При этом модель волнового воздействия включает:

импульсный характер воздействия, что обеспечивает широкий частотный спектр упругого воздействия и автоматическое согласование одной из частот этого спектра с собственной частотой пласта;

высокий КПД импульсного воздействия за счет возбуждения упругого импульса в среде скважинной жидкости, находящейся под большим гидростатическим давлением, что создает условия водной «укупорки» (сферической концентрации энергии) источника.

Одна из особенностей такой модели волнового воздействия, требующая специального обсуждения, состоит в том, что оно осуществляется на горные породы пласта через обсадную колонну. При такой схеме воздействия излучающим цилиндрическим элементом является часть трубы, который под действием вызываемых ударным импульсом радиальных сил приводит в движение контактирующую с колонной горную породу. Нагрузка, развиваемая таким излучателем, воспринимается некоторым объёмом пласта, так называемым присоединенным объёмом или присоединенной массой. Под действием этих сил в присоединенном объёме возникают объёмные (div ср) и сдвиговые (rot ф) деформации, распространяющиеся в виде бегущих продольных и поперечных волн в пласте, либо образующих в нём систему интерференционных стоячих волн. Таким образом, в скважине образуется излучающая система, состоящая из ударника с водной укупоркой, обсадной зацементированной колонны и присоединенного объёма пласта. Очень важно, что здесь, в силу технологических условий разработки месторождений, выполнено одно из важных требований к эффективной работе вибрационных генераторов вообще - требование жесткого контакта вибратора с поверхностью земли [11].

Величина присоединенной массы может быть определена из соотношения:

М,, =(1-^)W-A-L, (6.1)

где Мпр - присоединенная масса;

Vp, Vs - скорости продольных и поперечных волн, соответственно;

р - плотность пород;

S - площадь поверхности цилиндрического излучателя;

h - вертикальный размер излучателя ;

L - расстояние проникновения усилий в пласт.

Оценка М„р даёт величину порядка 15000 кг. Расстояние L зависит от частоты

(увеличивается при её понижении), а так же от типа возбуждаемых волн, в частности, соотношение присоединенных масс при Р и S воздействии М„/М, = 4/3 02.

Рассмотренный механизм волнового воздействия на пласт на средних и низких частотах через обсадную колонну подтвержден исследованиями, выполненными фирмой OYO (Япония) с помощью скважинного гидроударного устройства WS [4], обеспечивающего излучение из скважинной жидкости без механического контакта с колонной. При этом практически установлена возможность передачи упругой энергии на расстоянии более 200 м.

Эти данные подтверждают результаты более широких исследований, проведенных в России [4] и завершившихся созданием оригинальной технологии объёмного волнового воздействия.

Увеличение зоны охвата пласта волновым воздействием и повышение интенсивности последнего обеспечивается за счет как синхронного, так и разновременного возбуждения упругих полей в нескольких скважинах месторождения. В первом случае интенсивность упругих колебаний в точках пласта будет иметь учетверенное значение при обеспечении когерентности источников возбуждения, и удвоенное -при некогерентных колебаниях.

Реализация второго эффекта будет достигнута при сочетании волнового воздействия в ближней и дальней зонах продуктивного пласта. Технологические приёмы при этом выполняются в следующей последовательности:

  • - воздействие на призабойную и ближнюю зоны пласта источником средне- и высокочастотного поля. При этом достигается повышение проницаемости коллектора за счет декольматации, трещинообразования и разгазирования;
  • - воздействие на дальнюю зону пласта низкочастотными волновыми полями. При этом достигаются эффекты интенсификации вытеснения нефти для участка пласта, определяемого радиусом зоны его охвата волновым воздействием.

При такой последовательности технологических операций создаются одновременно условия для повышения нефтеотдачи пласта и КИН, исключается опасность блокирования транзитных фильтрационных потоков за счет низких фильтрациоиноёмкостных свойств призабойной зоны.

Выбор скважин под воздействие должен осуществляться с учетом гидродинамической обстановки и на основе карт разработки с целью снижения непроизводительных расходов волновой мощности в водонасыщенных зонах. Инициирующие скважины следует размещать в пределах выявленных (или предполагаемых) целиков, блокированных зон или защемленных запасов газа. При наличии данных о трещиноватости горных пород волновое воздействие следует осуществлять из скважин, расположенных на участках уплотненных пород, но вблизи контактных трещиноватых зон.

Выводы к шестому разделу

Максимальная эффективность волнового воздействия достигается при его применении в геодинамически активных зонах, включающих системы разломов и/или горные породы, находящиеся в сложном напряженно-деформированном состоянии. Особенно важен учёт трещиноватости горных пород, т.к. от её степени и характера зависит эффективность волнового инициирования.

Во всех случаях первоочередным вопросом является выбор точек (скважин) для проведения волнового воздействия, в частности, вблизи разломов, в трещиноватых зонах и т.п. Для установления таких зон и участков должны быть проведены специальные исследования, например, методом СЛБО [4]. В этом отношении интегральный комплекс динамических исследований и волнового воздействия представляется весьма эффективным.

Весьма важным представляется интегральный комплекс традиционных методов объёмного волнового воздействия на призабойные и удаленные зоны пласта, т.к. применение таких интегрированных технологий обеспечивает повышение проницаемости ПЗП и вовлечение в разработку блокированных зон, целиков и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >