ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ МЕТОДОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ

 

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ МЕТОДОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ

Научная статья

Гатауллин Р.Н.*

ORCID: 0000-0002-6265-155X,

Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ КазНЦ РАН, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (rustem.acadrome[at]mail.ru)

Аннотация

Статья посвящена актуальной проблеме добычи высоковязкой нефти и природных битумов при освоении углеводородных месторождений. Представлено состояние месторождений с высоковязкой нефтью и природных битумов, в большей части залежам на территории Республики Татарстан. Приведены наиболее успешные апробированные опытно-промышленные технологии извлечения высоковязких нефтей и природных битумов, отмечены их особенности и преимущества. Особое внимание уделено комбинированной технологии, которая основывается на совмещении теплофизического и волнового эффектов воздействия на пласт. Предлагаемые решения подтвердили свою эффективность, как по результатам научно-технических исследований, так и в условиях промысловых испытаний.

Ключевые слова: месторождение, добыча нефти, волновое воздействие, излучатель, скважина.

MAIN FEATURES OF APPLYING THERMAL METHODS AT DEVELOPMENT OF DEPOSITS OF HIGH VISCOSITY OILS AND NATIVE BITUMENS

Research article

Gataullin R.N.*

ORCID: 0000-0002-6265-155X

Institute of Energy and Advanced Technologies Federal Research Center Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, Kazan, Russia

* Correspondent author (rustem.acadrome[at]mail.ru)

Abstract

The article is devoted to the topical problem of high-viscosity oil and native bitumen extraction during the development of hydrocarbon deposits. The state of deposits with high viscosity oil and native bitumen is presented; mostly these are the deposits in the territory of the Republic of Tatarstan. The most successful proven pilot-industrial technologies for extracting high viscosity oils and native bitumen are given; their features and advantages are noted. Particular attention is paid to the combined technology based on combining thermal and wave effects of the impact on the reservoir. The proposed solutions have proved their effectiveness, both as a result of scientific and technical research and under the conditions of field trials.

Keywords: deposit, oil production, wave effect, radiator, well.

Современное состояние технологий добычи углеводородов определяется запасами, значительная часть которых – трудноизвлекаемые, в том числе природные битумы (ПБ) и высоковязкие нефти (ВВН). Прежде эффективность освоения месторождений определялась на ранних этапах, то сейчас необходимы технологии на поздних стадиях разработки.

Как показано в работе [1, C. 92], повышение уровня трудноизвлекаемых углеводородов сопровождается долголетним понижением нефтеотдачи продуктивных пластов: в недрах остается более 2/3 неразработанной нефти. Такие объемы сопоставимы с уровнем добытых углеводородов на месторождениях России на данный момент. За последние 50 лет средние показатели коэффициента извлечения нефти (КИН) сократились почти в 2 раза - с 0,48 до 0,27 (рис.1). Это подтверждает то, что сырьевая база уже десятилетиями формируется за счет трудноизвлекаемых запасов, которые основаны на применении методов заводнения, требующих больших материальных затрат.

Рис. 1 – Динамика коэффициента нефтеотдачи в России и США

Прогнозные ресурсы природных битумов в России оцениваются в несколько десятков млрд. т. (при содержании битумов более 4 % вес.). Подавляющая их часть (около 70 %) сосредоточена в Волго-Уральском регионе (главным образом, в Республике Татарстан). На долю Восточной Сибири (Якутия и Красноярский край) приходится около 20 %. Значительные ресурсы распределены по другим регионам Европейской и Азиатской частей России.

Залежи природных битумов представляют собой скопления, в основном, жидких, подвижных, но сверхвысоковязких производных нефтяного ряда, заполняющих поры и пустоты карбонатных и песчано-алевролитовых пластов – коллекторов с толщинами от 1 до 40 м [2, С. 8-9].

Битумонасыщенность коллекторов в объемах залежей изменяется от 5 до 20% к весу породы и от 50 до 98% к объему пор соответственно. При содержании битумов в порах менее 50 % (до 5% к весу породы) распределение их в породах приобретает рассеянный характер и залегание ПБ по продуктивному пласту носит неакцентированный характер. Залежи природных битумов в основном по своей структуре – жидкие и подвижные. Относительно подвижные природные битумы залегают в песчано-алевролитовых коллекторах, более вязкие – в карбонатных отложениях. В целом вязкость ПБ увеличивается по всем залежам с востока территории на запад, а также – с севера на юг. В то же время наблюдается неоднородность этого параметра, как на разных участках скоплений, так и в и разрезах [3, С. 10], [4].

Основные месторождения природных битумов в Татарстане: Мордово-Кармальское, Нижне-Кармальское, Ашальчинское, Подлесное, Утямышское, Минсалиховское, Южно-Ашальчинское и др.

При этом балансовые запасы разведанных месторождений ПБ составляют около 92 млн. т. Проблемы разработки залежей высоковязкой нефти и природных битумов прежде всего связаны с геологическими различиями.  Залежи ПБ имеют сходство со строением залежей нефти: они приурочены к определенным частям разреза и современным структурным формам [4].

Далее представлены наиболее успешные апробированные технологии извлечения ВВН и ПБ, обработка продуктивных пластов которых подвергается теплофизическому воздействию.

Внутрипластовое горение

Внутрипластовое горение (ВГ) реализовывается нагнетанием воздуха в пласт в качестве окислителя. При сухом ВГ «съем» часть тепла воздушным потоком выносится в область фронта горения и полезно используется в процессе извлечения углеводородов. При этом оптимальный режим, соответствует расходу воздуха, при котором процесс горения в пласте протекает при близком к стехиометрическому соотношению горючего и окислителя. Дальнейшее увеличение относительного значения суточного расхода воздуха (свыше 1 – 1,1) приводит, вследствие его избытка, к снижению дебита извлекаемой продукции. При влажном ВГ (ВВГ) для форсирования процесса теплопереноса в пласт вместе с воздухом закачивается вода, которая отличается повышенной теплоемкостью, где вследствие этого развивается обширная зона насыщенного пара.

Проведенные исследования показывают, что все залежи высоковязких нефтей находятся в густонаселенных районах Татарстана. Пластовое давление битумоносных залежей невысокие (0,1-1,0 МПа), поэтому искусственное повышение давления в пласте неизбежно приведет к перетокам продуктов горения и сероводорода в вышележащие водоносные горизонты питьевых вод и в воздушную среду. Очистка и утилизация вредных веществ при ведении экологически чистой разработки залежей потребует немалые средства. Помимо всего, как показано в работе [5, С. 37], процесс ВГ является сложно управляемым и имеет ряд недостатков: изменяются физико-химические свойства ПБ, вследствие этого - ухудшение извлекаемой продукции; закоксование нижней части НКТ. Для исключения негативных последствий необходимо привносить тепло в пористые среды горячими рабочими агентами.

Циклическая закачка пара

В литературе известно [6, С. 120], [7, C. 53-54], что нагнетание пара производится посредством применения двух различных методов:

– циклическая закачка пара, которая заключается в том, что пар закачивается в скважину в течение нескольких недель, а затем в течение нескольких дней флюид откачивается из этой же скважины. Такой цикл может повторяться несколько раз. Продолжительность применения технологии может быть от нескольких месяцев до двух лет. Характерным для повторной закачки пара в скважину является, в общем случае, минимальный уровень нефтедобычи.

– непрерывная закачка пара – это технология основана на том, что пар закачивается в нагнетательные скважины, а нефть добывается из добывающих скважин. Данная технология часто применяется после циклической закачки пара.

Основные ограничения при применении технологии закачки пара – максимальная глубина и минимальная толщина нефтеносного пласта, при которых данный процесс может быть применен с достаточной рентабельностью. Потери тепла в скважине в вышележащих толщах увеличиваются с глубиной, а потери тепла вокруг и ниже нефтеносного пласта увеличиваются при снижении его толщины.

Среди методов добычи ВВН выделяется своими показателями -технология SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage) [1, C. 93], [8]. Она основана на применении двух параллельных ГС. В верхнюю нагнетают рабочий агент (пар), из нижней скважины отбирают извлекаемую продукцию. Технология включает разные этапы разработки (пароциклический, непрерывное нагнетание пара, вытеснение оторочкой теплоносителя) в различных системах скважин.

Комбинированное воздействие на продуктивные пласты

Результаты исследований показали, что рассматриваемая задача может быть решена за счет совмещения теплофизического и волнового (комбинированного) воздействия на продуктивные пласты. Сущность метода заключается в том, что при волновом воздействии интенсифицируются процессы тепломассообмена в пласте и повышается эффект теплофизического воздействия. Последнее, за счет увеличения температуры пластовой среды, повышает ее подвижность, что, в свою очередь, повышает эффект волнового воздействия. В результате суммарный эффект совмещенного воздействия значительно превосходит сумму эффектов отдельно примененных методов - достигается синергетический («сверхсуммарный») эффект воздействия [9, С. 90].

Предлагаемая комбинированная технология осуществляется размещением в нагнетательной скважине (НКТ) генератора колебаний, благодаря которому в потоке теплоносителя формируется волновое поле, которое интенсифицирует внутрипластовые процессы, благодаря чему увеличивается зона влияния, а также увеличивается проницаемость среды.

Апробация, проведенная нашим центром, на промысле (Мордово-Кармальском месторождении ОАО «Татнефть») в условиях внутрипластового горения, подтвердила ожидания: кратно (при определенных условиях - до 700 %) может быть увеличен дебит скважин (рис.2); значительно снижена обводненность извлекаемой продукции; обеспечено в среднем пятикратное снижение удельных энергетических затрат [10].

Рис. 2 – Сравнение дебита ПБ при различном воздействии

 

В качестве примера устройства генерации колебаний, в работах [11, С. 3], [12], предлагается новый тип излучателя на основе эффекта Коанда, предназначенный для генерации низкочастотных колебаний в потоке несжимаемой жидкости. Динамическими испытаниями этого устройства выявлено: обеспечение низкой частоты колебаний; увеличение амплитуды на расчетном режиме; генерация колебаний давления во всем диапазоне изменения приемистости скважин. Испытаниями также не выявлены области неустойчивой генерации колебаний давления [12, С. 44].

Полученные результаты позволяют рассчитывать на достижение рентабельной скважинной добычи природных битумов при эксплуатации горизонтальных скважин. Особо высокий эффект комбинированного воздействия следует ожидать при совмещении волнового воздействия с SAGD - технологией в условиях горизонтальных скважин. Эти ожидания обусловлены тем, что в рассматриваемом случае реализуется линейный источник упругих волн, позволяющий подвергнуть воздействию всю толщу продуктивного пласта на протяжении всей длины горизонтальной скважины. И, благодаря этому, может быть обеспечено эффективное освоение колоссальных запасов ценнейшего природного сырья. Разработанная модель процесса предлагаемого воздействия на продуктивный пласт позволяет выбрать параметры горизонтальных скважин [13]. В работах [9], [14, C. 53] предлагается выбор и определение оптимального режима воздействия на пласт теплофизическими полями, целью которых является интенсификации процесса добычи нефти.

В заключение стоит отметить, что поскольку в России более 80% нефти извлекается за счет нагнетания в пласт воды, газов и других теплоносителей, то во всех указанных случаях комбинированное воздействие может найти широкое применение. Особенно эти методы перспективны на поздних этапах освоения месторождений, когда эффективность традиционных методов существенно снижается. Предполагается, что среди МУН превалирующую часть будут составлять комбинированные методы воздействия на пористые насыщенные среды.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шандрыгин А.Н. Разработка залежей тяжелой нефти и природного битума методом парогравитационного дренажа (SAGD) / А.Н. Шандрыгин, М.Т. Нухаев, В.В. Тертышный // Нефтяное хозяйство.- 2006. - №6. - С.92-96.
2. Муслимов Р.Х. Новая стратегия нефтяных месторождений в современной России – оптимизация добычи и максимизация КИН / Р.Х. Муслимов // Нефть. Газ. Новации. - 2016. - № 4. - С. 8-17.
3. Хисамов Р.С. Геология и освоение залежей природных битумов Республики Татарстан / Р.С. Хисамов, Н.С. Гатиятуллин, И.Е. Шаргородский // Георесурсы. - 2007. - №3. – С.10.
4. Муслимов Р.Х. Комплексное освоение тяжелых нефтей и природных битумов пермской системы Республики Татарстан / Р.Х. Муслимов, Г.В. Романов, Г.П. Каюкова и другие. - Казань: ФЭН, 2012. - 396 с.
5. Антониади Д.Г. Научные основы разработки нефтяных месторождений термическими методами / Д.Г. Антониади. – М.: Недра, 1995. – 313 с.
6. Липаев А.А. Разработка меторождений тяжелых нефтей и природных битумов / А.А. Липаев. - М.Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2013. – 484 с.
7. Байбаков Н.К. Тепловые методы разработки нефтяных месторождений / Н.К. Байбаков, А.Р. Гарушев. - М.: Недра, 1988. - С. 343.
8. Pineda-Perez L.A. Hydrocarbon Depletion of Athabasca Core at Near Steam-Assisted Gravity Drainage (SAGD) Conditions. / L.A. Pineda-Perez, L. Carbognani, R.J. Spencer, etc. // Energy Fuels. - 2010. - № 24. - P.5947-5954.
9. Гатауллин Р.Н. Интенсификация добычи трудноизвлекаемых углеводородов за счет интегрированного тепловолнового воздействия на пласт / Р.Н. Гатауллин, Я.И. Кравцов, Е.А. Марфин // Нефтяное хозяйство. – 2013. - №1. – С. 90-93.
10. Муслимов Р.Х. Анализ эффективности термоволнового воздействия на Мордово-Кармальском месторождении. / Р.Х. Муслимов, Я.И. Кравцов, Е.А. Марфин и др.// Бурение & Нефть. – 2003. - №1. - С. 18-23.
11. Гатауллин Р.Н. Исследование характеристик излучателя колебаний на основе резонатора Гельмгольца в потоке жидкости / Р.Н. Гатауллин, Я.И. Кравцов, Е.А. Марфин // Прикладная физика и математика. – 2017.- № 3. - С. 3-11.
12. Галимзянова А. Р. Исследование гидродинамического излучателя колебаний для комбинированного воздействия на продуктивный пласт / А.Р. Галимзянова, Р.Н. Гатауллин // Технологии нефти и газа. - 2018. - № 1 (114). - С. 39-44.
13. Гатауллин Р.Н. Определение протяженности горизонтального участка скважины для интегрированного воздействия на пласт / Р.Н. Гатауллин, А.Р. Галимзянова // Технологии нефти и газа. - 2015. - № 4 (99). - С. 44-48.
14. Гатауллин Р.Н. Интенсификация фильтрационных процессов в гетерогенных нефтенасыщенных средах / Р.Н. Гатауллин // Сборник трудов Всероссийской научной конференции «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред», 21-23 ноября 2017 г., г. Москва. - М.: ИПРИМ РАН, 2017. - С. 53-55.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shandrygin А.N. Razrabotka zalezhej tyazheloj nefti i prirodnogo bituma metodom parogravitatsionnogo drenazha (SAGD) [Development of deposits of heavy crude and natural bitumen by a Steam Assisted Gravity Drainage] / А.N. Shandrygin, M.T. Nukhaev, V.V. Tertyshnyj // Neftyanoe khozyajstvo [Oil industry]. - 2006. – №6. – P.92-96. [in Russian]
2. Muslimov R.H. Novaya strategiya neftyanykh mestorozhdenij v sovremennoj Rossii – optimizatsiya dobychi i maksimizatsiya KIN [New strategy of oil fields in modern Russia - optimization of production and maximization of EOR] / R.H. Muslimov // Neft. Gaz. Novacii [Oil. Gas. Novations]. - 2016. - № 4. - P. 8-17. [in Russian]
3. Khisamov R.S. Geologiya i osvoyeniye zalezhey prirodnykh bitumov Respubliki Tatarstan [Geology and development deposits of natural bitumen of the Republic of Tatarstan] / R.S. Khisamov, N.S. Gatiyatullin, I.Y. Shargorodskiy // Georesursy [Georeources]. - 2007. - №3. – P.10. [in Russian]
4. Muslimov R.H. Kompleksnoye osvoyeniye tyazhelykh neftey i prirodnykh bitumov permskoy sistemy Respubliki Tatarstan [Complex development of heavy oils and natural bitumens of the Perm system in Republic of Tatarstan] / R.H. Muslimov, G.V. Romanov, G.P. Kayukova and others. - Kazan: FEN, 2012. - 396 p. [in Russian]
5. Antoniadi D.G. Nauchnyye osnovy razrabotki neftyanykh mestorozhdeniy termicheskimi metodami [Scientific foundations of development of oil deposits by thermal methods]. / D.G. Antoniadi // – M.: Nedra, 1995. – 313 p. [in Russian]
6. Lipayev A.A. Razrabotka metorozhdeniy tyazhelykh neftey i prirodnykh bitumov [Development of deposits of heavy oils and natural bitumen] / A.A. Lipayev. - M.Izhevsk: Institute for computer research, 2013. - 484 p. [in Russian]
7. Baybakov N.K. Teplovyye metody razrabotki neftyanykh mestorozhdeniy [Thermal methods for the development of oil fields] / N.K. Baybakov, A.R. Garushev. - M.: Nedra, 1988. – 343 p. [in Russian]
8. Pineda-Perez, L.A. Hydrocarbon Depletion of Athabasca Core at Near Steam-Assisted Gravity Drainage (SAGD) Conditions. / L.A. Pineda-Perez, L. Carbognani, R.J. Spencer and others // Energy Fuels. - 2010. - № 24. -  5947-5954.
9. Gataullin R.N. Intensifikatsiya dobychi trudnoizvlekayemykh uglevodorodov za schet integrirovannogo teplovolnovogo vozdeystviya na plast [Intensification the process of hard to recover hydrocarbons reserves extraction by integrated heat-wave influence on layer] / R.N. Gataullin, Y.I. Kravtsov, E.A. Marfin // Neftyanoye khozyaystvo [Oil Industry]. – 2013 - №1. – P. 90-93. [in Russian]
10. Muslimov R.H. Analiz effektivnosti termovolnovogo vozdeystviya na Mordovo-Karmal'skom mestorozhdenii [Analysis of the effectiveness of thermo-wave action on the Mordovo-Karmalskoye field] / R.H. Muslimov, Y.I. Kravtsov, E.A. Marfin and others // Bureniye & Neft' [Drilling & Oil]. – 2003. - №1. - P. 18-23. [in Russian]
11. Gataullin R.N. Issledovaniye kharakteristik izluchatelya kolebaniy na osnove rezonatora Gel'mgol'tsa v potoke zhidkosti [Study of emitter characteristics on the basis of Helmholtz resonator in a fluid flow] / R.N. Gataullin, Ya.I. Kravtsov, Ye.A. Marfin // Prikladnaya fizika i matematika [Applied Physics and Mathematics]. – 2017. № 3. - P. 3-11. [in Russian]
12. Galimzyanova A. R. Issledovaniye gidrodinamicheskogo izluchatelya kolebaniy dlya kombinirovannogo vozdeystviya na produktivnyy plast [Research of a hydrodynamic emitter for the combined action on productive formation] / A.R. Galimzyanova, R.N. Gataullin // Tekhnologii nefti i gaza [Oil and Gas Technologies]. - 2018. - № 1 (114). - P. 39-44. [in Russian]
13. Gataullin R.N. Opredeleniye protyazhennosti gorizontal'nogo uchastka skvazhiny dlya integrirovannogo vozdeystviya na plast [Definition the length of horizontal well for the integrated bed stimulation] / R.N. Gataullin, A.R. Galimzyanova // Tekhnologii nefti i gaza [Oil and Gas Technologies]. - 2015. - № 4 (99). - P. 44-48. [in Russian]
14. Gataullin R.N. Intensifikatsiya fil'tratsionnykh protsessov v geterogennykh neftenasyshchennykh sredakh [Intensification of filtration processes in heterogeneous oil-saturated environments] / R.N. Gataullin // Sbornik trudov Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii «Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy, slozhnykh i geterogennykh sred» 21-23 noyabrya 2017 g. [Proceedings of the All-Russian scientific conference "Mechanics of composite materials and structures, complex and heterogeneous media", 21-23 november 2017, Moscow] - M.: IPRIM RAN, 2017. - P. 53-55. [in Russian]