INVESTIGATION OF THE REPLACEMENT HIGH VISCOSITY OIL HELE-SHAW CELL IN SIMULATION DOWNLOADS THE SOLVENT IN FRACTURE MODEL-PORE RESERVOIR

Бакиев М. Д.¹,Петраков Д.Г.², Орлов М. С.³, Пеньков Г.М.⁴

¹Студент; ² Кандидат технических наук, доцент; ³ Магистр; ⁴ Студент, Санкт-Петербургский горный университет

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ВЫТЕСНЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ В ЯЧЕЙКЕ HELE-SHAWПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЗАКАЧКИ РАСТВОРИТЕЛЯ В МОДЕЛЬ ТРЕЩИННО-ПОРОВОГО КОЛЛЕКТОРА

Аннотация

В статье приведена методология проведения исследованияи результаты эксперимента по вытеснению высоковязкой нефти изооктаном из модели трещинно-порового коллектора в ячейке Hele-Shaw. В ходе работы был изучен процесс выпадения асфальтенов втрещинно-поровом пространстве смоделированного пласта. Сделаны выводы о целесообразности применения растворителей способных высаживать асфальтены, при обработке продуктивных пластов, содержащих высоковязкую нефть.

Ключевые слова: ячейка Hele-Shaw, высоковязкая нефть, асфальтены, растворитель, трещинно-поровый коллектор.

Bakiev M. D.¹, Petrakov D.G.², Orlov M.S.³, Penkov G.M.⁴

¹ ORCID:0000-0003-3136-8134, Student, ² PhD in Engineering, ³ MSc, ⁴Student, Saint Petersburg Mining University

INVESTIGATION OF THE REPLACEMENT HIGH VISCOSITY OIL HELE-SHAW CELL IN SIMULATION DOWNLOADS THE SOLVENT IN FRACTURE MODEL-PORE RESERVOIR

Abstract

The article describes the methodology of the study and the results of the displacement of heavy oil from the model experiment isooctane fractured porous reservoir in the Hele-Shaw cell. During the process of deposition of asphaltenes in the fracture-pore space of the modeled reservoir was studied.Conclusions about the feasibility of the use of solvents can be planted asphaltenes in the processing of productive strata containing high-viscosity oil.

Keywords:Hele-Shaw cell, high-viscosity oil, asphaltenes, solvent, fractured-porous reservoir.

Оценка запасов и ресурсов нетрадиционных углеводородов в мире свидетельствуето значительном потенциале таких проектов для разработки. Пока суммарный объемдобычи этих видов углеводородов составляет порядка 1%, но наблюдается егонеуклонный рост и возможность конкурировать с проектами по добыче нефти изтрадиционных запасов. По расчетам аналитиков, к 2020–2025 годам на долю нефти,полученной из альтернативных источников, будет приходиться порядка 5% мировойнефтедобычи [3].

На сегодняшний день наибольшее внимание в старых нефтедобывающих провинциях уделяется разработке месторождений с трудноизвлекаемыми и нетрадиционными запасами, например, высоковязких нефтей, природных битумов, нефти сланцевых пород-коллекторов [1,2,7].Такие объекты характеризуются сложным строением пластов-коллекторов: развитая сеть горизонтальных и вертикальных трещин, наличие глинистых перемычек, кавернозность и т.д. Развитая транспортная инфраструктура, наличие большого объема добываемого попутного газа, высокая степень изученности недр позволяют реализовывать проекты по разработке таких нефтяных месторождений с меньшими рисками [18].                 В настоящее время уже не возникают споры о существовании в коллекторах высокопроницаемых зон, нарушений и областей с высокой трещиноватостью. Упоминание о блоковом строении залежей нефти и газа, а также характерных зон высокой трещиноватости (sweetspots) относится к истории создания Ярегской нефтешахты (1943 г.), а одним из создателей современной методологии поиска и разведки месторождений с трещинно-поровыми коллекторами является профессор, д.г.-м.н. А.В. Петухов [5,6,16].

В связи с высокой актуальностью разработки и эксплуатации месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, возникает необходимость проведения большого количества научных (экспериментальных)работ, направленных на повышение эффективности добычи таких запасов углеводородов.

В рамках изучения движения флюидов в трещиноватых коллекторах, содержащих высоковязкие нефти, были проведены работы по конструированию и изготовлению ячейки Hele-Shaw [15]. При этом планировалось проведение экспериментов как в однородном коллекторе без наполнения пустотного пространства фиктивным грунтом, так и с формированием небольшой модели залежи блокового строения. Ячейка Hele-Shawсо специальным оборудованием для данного эксперимента представляет собой сложное техническое устройство. Детальное описание схожих установок приведено в работах [12,13,14,19]. Модель пласта в данном случае представляет собой квадрат со стороной 50 см, в центре располагается порт, моделирующий, в зависимости от вида эксперимента, нагнетательную или добывающую скважину. Между стеклами из органического стекла может быть помещен насыщенный нефтью пористый инертный материал (матрица пласта). На сторонах квадрата располагаются отверстия, имитирующие добывающие скважины или нагнетательные (при обращенной системе). Между блоками матрицы специально оставлено расстояние, выверенное с учетом сжатия пористого материала при сборке модели пласта-коллектора. Ячейка по конструкции Hele-Shawсконструирована преподавателем кафедры РНГМ Горного университета Рощиным П.В. в 2015 году для изучения процессов вытеснения высоковязких нефтей и природных битумов.

Целью проведения данного эксперимента являлось изучение процесса выпадения асфальтенов как в матрице, так и в трещинах, их влияния на движение высоковязкой нефти в модели пласта-коллектора. В качестве растворителя для закачки был выбран изооктан, который активно способствует процессу выпадения асфальтенов из высоковязкой нефти. Применение такого вида растворителя помогает моделировать добычу для некоторых систем VAPEX[4,8,10,11].

Для проведения эксперимента была выбрана высоковязкая нефть с высоким содержанием смол и асфальтенов до 75%, вязкостью при 20°С 35200 мПа∙с (рисунок 1), отобранная из трещинно-порового пласта-коллектора.

Рисунок 1-График зависимости динамической вязкости высоковязкой нефти от температуры

На рисунке 2 представлена фотография ячейки Hele-Shawв ходе эксперимента по вытеснению высоковязкой нефти изооктаном без моделирования участков «матрицы» и трещин.

Рисунок 2 – Ячейка Hele-Shaw в процессе вытеснения высоковязкой нефти изооктаном (1 – трубка для закачки изооктана к «нагнетательной скважине»; 2 – элементы крепежа; 3 – прокладка; 4 – зоны, промытые изооктаном)

Закачка изооктана в модель трещинно-порового коллектора проводилась с расходом 5 мл/мин. Фотосъемка осуществлялась при помощи камеры с технологией замедленной съемкиtime-lapse. На рисунке 3 представлена визуализация процесса выпадения асфальтеновиз нефти при ее взаимодействии с изооктаном в трещинно-поровом коллекторе.

Рисунок 3– Промытые изооктаном каналы фильтрации в модели трещинно-порового коллектора

На рисунке 3 видно, что изооктан двигается только по двум трещинам, вместо движения по четырем трещинам в различных направлениях. Из-за высокой вязкости нефти, изооктан (измеренная динамическая вязкость которого при 20°С составила 0,7 мПа∙с) движется исключительно по промытым каналам фильтрации и не оказывает влияния на коэффициент вытеснения высоковязкой нефти. Выпадение асфальтенов происходит по всей длине трещин от места закачки до точек выхода флюидов из установки, находящихся в серединах боковых граней квадратной ячейки. Асфальтены агрегируют в крупные частицы, но не блокируют поток полностью ввиду большой раскрытости трещин.В местах с низкой скоростью потока происходитосаждение частиц.

Таким образом, вытеснение высоковязкой нефти растворителями, обладающими низкой вязкостью и способствующими выпадению асфальтенов, неэффективно в трещинно-поровых коллекторах. Для более успешного вытеснения высоковязкой нефти в таких коллекторах, необходимо применять потокоотклоняющие технологии или использовать растворители с повышенной или высокой вязкостью, которые не будут стремительно прорываться по трещинам к добывающим скважинам. Особенно это заметно при проведении экспериментов по вытеснению высоковязкой нефти из трещинно-поровых карбонатных коллекторов[9,17].

По результатам эксперимента были сделаны следующие выводы:

1.Ячейка Hele-Shaw позволяет производить моделирование вытеснения высоковязкой нефти растворителем в трещинно-поровом коллекторе. При этом достигается высокое качество визуализации выпадения асфальтенов, их коагуляции в крупные частицы и дальнейшее движение по трещинам в пласте.

2.Установлено, что изооктан, вязкость которого в 50 000 раз меньше вязкости применяемой в эксперименте нефти, быстро прорывается по высокопроницаемым каналам фильтрации и практически не оказывает влияния на дальнейший коэффициент вытеснения в моделируемом трещинно-поровом коллекторе.

3.При визуализации процесса движения высоковязких нефтей, определены условия кристаллизацииасфальтенов в местах снижения скорости потока, а также на фланцах установки при выходе жидкости (смесь изооктана и высоковязкой нефти) в мерные стаканы.

4.Ячейка Hele-Shaw, описанная в этой и других работах, может успешно применяться как в учебных, так и научных целях в лабораториях образовательных учреждений.

Литература

1. Зиновьев А.М., Ковалев А.А., Максимкина Н.М., Ольховская В.А., Рощин П.В., Мардашов Д.В. Обоснование режима разработки залежи аномально вязкой нефти на основе комплексирования исходной геолого-промысловой информации. Вестник ЦКР Роснедра. 2014. № 3. С. 15-23.
2. Литвин В.Т., Рязанов А.А., Фарманзаде А.Р. Теоретические аспекты и опыт проведения работ по интенсификации притока нефти на коллекторах баженовской свиты. Нефтепромысловое дело. 2015. № 5. С. 24-29.
3. Литвин В.Т., Стрижнев К.В., Рощин П.В. Особенности строения и интенсификации притоков нефти в сложных коллекторах баженовской свиты Пальяновского месторождения. Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2015. Т. 10. № 3. С. 12.
4. Орлов М.С., Кищенко М.А., Коновалов К.И., Пеньков Г.М., Бакиев М.Д. Изучение свойств растворителей, применяемых в нефтяной промышленности. Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 2-4 (33). С. 80-83.
5. Петухов А. В. Теория и методология изучения структурно-пространственной зональности трещинных коллекторов нефти и газа. Ухта: Ухтинский государственный технический университет (2002): 276 с.
6. Петухов А. В., Шелепов И. В., Петухов А. А., Куклин А.И.Степенной закон и принцип самоподобия при изучении трещиноватых нефтегазоносных коллекторов и гидродинамическом моделировании процесса разработки. Нефтегазоваягеология. Теорияипрактика. ВНИГРИ. Том 7. №2. 2012 г.
7. Рогачев М.К., Колонских А.В. Исследование вязкоупругих и тиксотропных свойств нефти Усинского месторождения. Нефтегазовое дело. 2009. Т. 7. № 1. С. 37-42.
8. Рощин П.В. Обоснование комплексной технологии обработки призабойной зоны пласта на залежах высоковязких нефтей с трещинно-поровыми коллекторами: дис. канд. техн. наук. -СПб., 2014. -112 с.
9. Рощин П.В., Рогачев М.К., ВаскесКарденас Л.К., Кузьмин М.И., Литвин В.Т., Зиновьев А.М. Исследование кернового материала Печерского месторождения природного битума с помощью рентгеновского компьютерного микротомографаSkyScan 1174V2. Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 8-2 (15). С. 45-48.
10. Фарманзаде А.Р., Литвин В.Т., Рощин П.В. Подбор основы кислотного состава и специальных добавок для обработки призабойной зоны пласта баженовской свиты. Международныйнаучно-исследовательскийжурнал. 2015. № 3-4 (34). С. 68-72.
11. Butler R., Mokrys I. J. A new process (VAPEX) for recovering heavy oils using hot water and hydrocarbon vapour //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1991. – Т. 30. – №. 1. pp. 97-106.2. DasS. K. etal. Effect of asphaltene deposition on the Vapex process: A preliminary investigation using a Hele-Shaw cell //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1994. – Т. 33. – №. 06.
12. Das S. K. et al. Effect of asphaltene deposition on the Vapex process: A preliminary investigation using a Hele-Shaw cell //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1994. – Т. 33. – №. 06.
13. Das S. K., Butler R. M. Mechanism of the vapor extraction process for heavy oil and bitumen //Journal of Petroleum Science and Engineering. – 1998. – Т. 21. – №. 1. – С. 43-59.
14. Kong X., Haghighi M., Yortsos Y. C. Visualization of steam displacement of heavy oils in a Hele-Shaw cell //Fuel. – 1992. – Т. 71. – №. 12. – С. 1465-1471.
15. Pons M.N., Weisser E.M., Vivier H., Boger D.V.Characterization of viscous fingering in a radial Hele-Shaw cell by image analysis. Experiments in Fluids. 1999. Т. 26. № 1-2. С. 153-160.
16. Petukhov A.V., Kuklin A.I., Petukhov A.A., Vasquez Cardenas, L.C., Roschin P. V. Origins and Integrated Exploration of Sweet Spots in Carbonate and Shale Oil-Gas Bearing Reservoirs of the Timan-Pechora Basin //SPE/EAGE European Unconventional Resources Conference and Exhibition. – Society of Petroleum Engineers, 2014.
17. Roschin P.V., Vasquez Cardenas L.C., Petukhov A.V., Mikheyev A.I. Experimental investigation of heavy oil recovery from fractured-porous carbonate core samples by secondary surfactant-added injection. В сборнике: Society of Petroleum Engineers - SPE Heavy Oil Conference Canada 2013 2013. С. 1649-1654.
18. Roschin P.V., Zinoviev A.M., Struchkov I.A., Kalinin E.S., Dziwornu C.K. Solvent selection based on the study of the rheological properties of oil. Международныйнаучно-исследовательскийжурнал. 2015. № 6-1 (37). С. 120-122.
19. Saffman P. G., Taylor G. The penetration of a fluid into a porous medium or Hele-Shaw cell containing a more viscous liquid //Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1958. – Т. 245. – №. 1242. – С. 312-329.

References

1. Zinovev A.M., Kovalev A.A., Maksimkina N.M., Olhovskaya V.A., Roschin P.V., Mardashov D.V. Obosnovanierezhimarazrabotkizalezhianomalnovyazkoyneftinaosnovekompleksirovaniyaishodnoygeologo-promyislovoyinformatsii. Vestnik TsKRRosnedra. 2014. # 3. S. 15-23.
2. Litvin V.T., Ryazanov A.A., Farmanzade A.R. Teoreticheskieaspektyiiopyitprovedeniyarabotpointensifikatsiipritokaneftinakollektorahbazhenovskoysvityi. Neftepromyislovoedelo. 2015. # 5. S. 24-29.
3. Litvin V.T., Strizhnev K.V., Roschin P.V. OsobennostistroeniyaiintensifikatsiipritokovneftivslozhnyihkollektorahbazhenovskoysvityiPalyanovskogomestorozhdeniya.Neftegazovayageologiya.Teoriya i praktika. 2015. T. 10. # 3. S.
4. Orlov M.S., Kischenko M.A., Konovalov K.I., Penkov G.M., Bakiev M.D. Izucheniesvoystvrastvoriteley, primenyaemyihvneftyanoypromyishlennosti. Mezhdunarodnyiynauchno-issledovatelskiyzhurnal. 2015. # 2-4 (33). S. 80-83.
5. Petuhov A.V. Teoriya i metodologiyaizucheniyastrukturno-prostranstvennoyzonalnostitreschinnyihkollektorovnefti i gaza. Uhta: Uhtinskiygosudarstvennyiytehnicheskiyuniversitet (2002): 276 s.
6. Petuhov A.V., Shelepov I.V., Petuhov A.A., Kuklin A.I. Stepennoyzakoniprintsipsamopodobiyapriizucheniitreschinovatyihneftegazonosnyihkollektorovigidrodinamicheskommodelirovaniiprotsessarazrabotki. Neftegazovayageologiya. Teoriya i praktika. VNIGRI. Tom 7. #2. 2012 g.
7. Rogachev M.K., Kolonskih A.V. IssledovanievyazkouprugihitiksotropnyihsvoystvneftiUsinskogomestorozhdeniya.Neftegazovoedelo. 2009. T. 7. # 1. S. 37-42.
8. Roschin P.V. Obosnovaniekompleksnoytehnologiiobrabotkiprizaboynoyzonyiplastanazalezhahvyisokovyazkihnefteystreschinno-porovyimikollektorami: dis. kand. tehn. nauk. -SPb., 2014. -112 s.
9. Roschin P.V., Rogachev M.K., VaskesKardenas L.K., Kuzmin M.I., Litvin V.T., Zinovev A.M. IssledovaniekernovogomaterialaPecherskogomestorozhdeniyaprirodnogobitumaspomoschyurentgenovskogokompyuternogomikrotomografaSkyScan 1174V2. Mezhdunarodnyiynauchno-issledovatelskiyzhurnal. 2013. # 8-2 (15). S. 45-48.
10. Farmanzade A.R., Litvin V.T., Roschin P.V. Podborosnovyikislotnogosostavaispetsialnyihdobavokdlyaobrabotkiprizaboynoyzonyiplastabazhenovskoysvityi. Mezhdunarodnyiy nauchno-issledovatelskiy zhurnal. 2015. # 3-4 (34). S. 68-72.
11. Butler R., Mokrys I. J. A new process (VAPEX) for recovering heavy oils using hot water and hydrocarbon vapour //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1991. – Т. 30. – №. 1. pp. 97-106.2. DasS. K. etal. Effect of asphaltene deposition on the Vapex process: A preliminary investigation using a Hele-Shaw cell //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1994. – Т. 33. – №. 06.
12. Das S. K. et al. Effect of asphaltene deposition on the Vapex process: A preliminary investigation using a Hele-Shaw cell //Journal of Canadian Petroleum Technology. – 1994. – Т. 33. – №. 06.
13. Das S. K., Butler R. M. Mechanism of the vapor extraction process for heavy oil and bitumen //Journal of Petroleum Science and Engineering. – 1998. – Т. 21. – №. 1. – С. 43-59.
14. Kong X., Haghighi M., Yortsos Y. C. Visualization of steam displacement of heavy oils in a Hele-Shaw cell //Fuel. – 1992. – Т. 71. – №. 12. – С. 1465-1471.
15. Pons M.N., Weisser E.M., Vivier H., Boger D.V.Characterization of viscous fingering in a radial Hele-Shaw cell by image analysis. Experiments in Fluids. 1999. Т. 26. № 1-2. С. 153-160.
16. Petukhov A.V., Kuklin A.I., Petukhov A.A., Vasquez Cardenas, L.C., Roschin P. V. Origins and Integrated Exploration of Sweet Spots in Carbonate and Shale Oil-Gas Bearing Reservoirs of the Timan-Pechora Basin //SPE/EAGE European Unconventional Resources Conference and Exhibition. – Society of Petroleum Engineers, 2014.
17. Roschin P.V., Vasquez Cardenas L.C., Petukhov A.V., Mikheyev A.I. Experimental investigation of heavy oil recovery from fractured-porous carbonate core samples by secondary surfactant-added injection. В сборнике: Society of Petroleum Engineers - SPE Heavy Oil Conference Canada 2013 2013. С. 1649-1654.
18. Roschin P.V., Zinoviev A.M., Struchkov I.A., Kalinin E.S., Dziwornu C.K. Solvent selection based on the study of the rheological properties of oil. Международныйнаучно-исследовательскийжурнал. 2015. № 6-1 (37). С. 120-122.
19. Saffman P. G., Taylor G. The penetration of a fluid into a porous medium or Hele-Shaw cell containing a more viscous liquid //Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1958. – Т. 245. – №. 1242. – С. 312-329.