Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

УДК [622.031:553.98]:534.8

Ключевые слова:

экспериментальные

исследования,

ультразвуковое

воздействие,

газоконденсатная

система,

снижение

конденсатонасы-

щенности,

обработка

призабойной зоны

пласта,

повышение

продуктивности

скважин

газоконденсатного месторождения.

Keywords:

experimental research,

ultrasonic exposure,

gas-condensate

system,

decrease in gas-condensate saturation, processing of a bottomhole formation zone, improvement of well productivity at a gas-condensate field.

И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев, А.А. Латышев, П.П. Ракк

Теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового воздействия на газоконденсатную систему

Одной из проблем, возникающих в процессе добычи газа на газоконденсатных месторождениях, является ретроградная конденсация в призабойной зоне пласта (ПЗП). Повышение конденсатонасыщенности и фильтрационных сопротивлений в ПЗП в результате «динамической» конденсации и понижения температуры приводит к снижению проницаемости прискважинной зоны и, соответственно, производительности скважины. В конечном итоге возможно образование конденсатной пробки и, как следствие, полное отсутствие притока газа к забою. Описываемое явление наиболее характерно для следующих групп месторождений:

• находящихся на поздней стадии эксплуатации (Уренгойское, Ямбургское неф-тегазоконденсатные месторождения и др.);

• расположенных в Восточной Сибири и имеющих аномальные термобарические условия (Чаяндинское, Ковыктинское газоконденсатные месторождения и др.).

Такой метод обработки ПЗП, как закачка «сухого» газа или жидких углеводородных растворителей с целью осушения ПЗП от конденсата и борьбы с конденсатными пробками имеет геологические и технологические ограничения, успешность его применения в среднем составляет 60-70 %. Кроме того, он характеризуется высокими капитальными и эксплуатационными затратами. В целом косвенные методы (напрямую не направленные на снижение конденсатонасыщенности в ПЗП) - гидроразрыв пласта и циклическая закачка осушенного газа в пласт (сайклинг-процесс) - отличаются не только высокой стоимостью применения, но также наличием экологических рисков и вероятным отрицательным эффектом. Существующие термические методы обработки ПЗП забойными нагревателями различных типов характеризуются малой величиной КПД и технологическими ограничениями применения на газоконденсатных промыслах [1]. В связи с этим разработка новых месторождений Крайнего Севера требует энергосберегающих и экологически безопасных технологий. В этом аспекте значительный интерес представляют ультразвуковые (УЗ) технологии как альтернативный метод снижения конденсатонасыщенности и ликвидации конденсатных пробок в ПЗП.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, учитывая затухание УЗ-волн, акустическое поле излучателя с частотой порядка 20 кГц не может полностью покрыть зону конденсатной пробки с необходимой для ее разрушения интенсивностью звуковых колебаний. Однако применение технологий фокусировки акустических волн и современных мощных излучателей (акустическая мощность порядка нескольких киловатт) позволяет увеличить радиус воздействия и интенсивность излучения до значений, необходимых для снижения конденсатонасыщенности в ПЗП и разрушения конденсатной пробки [1].

На сегодняшний день основная причина ограниченного применения волновых методов обработки ПЗП заключается в непонимании физического механизма волнового воздействия на газоконденсатную залежь, вследствие чего невозможна разработка наиболее эффективной технологии применения ультразвука. Тем не менее,

основываясь на существующих теоретических и экспериментальных исследованиях взаимодействия УЗ-поля с нефтяными системами, можно предположить, что основным объектом воздействия является ретроградный конденсат. При этом в результате воздействия:

• изменятся свойства ретроградного конденсата при повышении температуры;

• повысится фазовая проницаемость по конденсату с вовлечением его в фильтрацию.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, под воздействием ультразвукового поля скорость фильтрации жидкости в пласте, вероятно, способны повысить такие физические процессы, как [2-5]:

• снижение вязкости конденсата;

• увеличение подвижности пристеночного слоя;

• акустическое течение в капиллярах;

• уменьшение поверхностного натяжения на границе раздела газ-жидкость.

Уменьшение вязкости обусловлено нагревом коллектора и вмещающих флюидов вследствие диссипации энергии волны при ее прохождении через пористую флюидонасыщен-ную среду. Причинами диссипации служат как несинфазное перемещение скелета породы и конденсата в УЗ-поле, так и вязкое трение непосредственно в ретроградном конденсате, что дополнительно приводит к его разогреву и испарению.

Одним из механизмов, влияющих на скорость фильтрации жидкой фазы и разрушение газоконденсатных пробок при двухфазной фильтрации, является воздействие акустических колебаний на поверхность раздела газ-конденсат. Поверхность раздела газовой и жидкой фаз имеет форму мениска с радиусом равновесия, при этом сила натяжения на границе раздела достаточно велика, чтобы удерживать газ и сохранять пробку. При воздействии ультразвука колебания от стенки капилляра проникают в конденсат и влияют на силу поверхностного натяжения. Увеличение интенсивности ультразвукового излучения ведет к увеличению амплитуды колебаний границы раздела газ-жидкость. В этом случае возможны разрушение мениска или его продвижение под действием градиента давления по капилляру. Этот процесс становится нелинейным и может развиваться по нескольким сценариям:

• происходит разрыв пленки предположительно в зоне центральной оси капилляра. Под

действием градиента давления газ устремляется в образовавшийся разрыв;

• уменьшается сила поверхностного натяжения жидкой фазы. Это приводит к продвижению границы раздела газ-жидкость по капилляру под действием градиента давления;

• в случае малого продольного размера жидкостной пробки возможно ее полное разрушение на отдельные фрагменты, которые приводятся в движение под действием напора газа.

Влияние ультразвуковой волны на процесс изменения конденсатонасыщенности пласта на модельных газоконденсатных системах исследовалось на базе экспериментального стенда, созданного в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта (рис. 1). Основной частью стенда является керновая модель пласта. Закачка газоконденсатной смеси (ГКС) в модель осуществлялась из рекомбинатора с использованием насоса. Выходящая продукция разделялась на жидкую и газовую фазы в ми-нисепараторе. Анализ фаз проводился на хроматографах. Количество жидкой фазы измерялось весовым способом, газовой фазы - при помощи газового счетчика. Модернизированная конструкция выходной втулки модели пласта позволяла вводить УЗ-энергию непосредственно в образцы горных пород вследствие их прямого контакта с волноводом УЗ-излучателя. При проведении экспериментальных исследований использовался излучатель Центра ультразвуковых технологий акустической мощностью 1 кВт с частотой излучения 18,5 кГц.

Для выявления возможных эффектов изменения конденсатонасыщенности газоконденсатной залежи в результате воздействия ультразвуковой волны использовались четыре модельные газоконденсатные системы с разным литологическим составом: терригенным - модели 1, 2, карбонатным - модели 3, 4 (таблица). При этом модели 1 и 3 выступали в роли моделей сравнения, и на них воспроизводился процесс разработки газоконденсатной залежи в режиме естественного истощения пластовой энергии. На моделях 2 и 4 воспроизводился процесс разработки в сопровождении ультразвукового воздействия.

Первоначально проводились подготовка модели пласта и ее заполнение модельной ГКС. С этой целью для удаления атмосферного воздуха и сорбированных газов модель пласта ва-куумировалась в течение 24 ч, а затем заполнялась метаном под давлением, превышающим

Хроматограф УЗ-тлучатель

и

V

Газовый Сепаратор-счетчик мерник

Пресс для гидрообжимания пород

чхн

Акселерометр

Модель пласта

тг г1

РекомбинаторГКС М^ККН

о о   о

Осциллограф

с разделительным поршнем

Криостат

ш

Насос

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: К1, К2 - клапаны

Характеристики моделей пласта

Параметр Модели 1, 2 Модели 3, 4

Длина, см 33,18 33,19

Открытая пористость, % 13,3 19,9

Абсолютная проницаемость, 10-3 мкм2 162,4 137,2

давление начала конденсации смеси (Рнк) на 15 МПа. После этого модель пласта соединялась с рекомбинатором, и метан постепенно замещался в квазистационарном изотермическом режиме приготовленной модельной га-зоконденсатной смесью при постоянном давлении на входе модели. После процесса замещения модель перекрывали и выдерживали в течение примерно 70 ч для установления термодинамического равновесия в модельной пластовой ГКС. По наступлении равновесного состояния в модельной пластовой ГКС осуществлялся переход к моделированию процесса истощения газоконденсатной залежи с давления выше Рнк смеси до 15 МПа. Для сохранения термодинамического равновесия процессов массообмена между жидкой и паровой фазами темп снижения давления для всех моделей поддерживался на уровне 0,07-0,08 МПа/ч. На моделях 2 и 4, начиная с давления Р, когда

Р/Рнк = 0,57 и ниже, осуществляли режим истощения с постоянным УЗ-воздействием. Очевидно, что наиболее эффективно УЗ-волны будут воздействовать на ГКС с высоким содержанием высококипящих компонентов, поэтому было решено использовать модельную смесь с высоким содержанием (порядка 380 г/м3) углеводородных групп С5+.

В ходе экспериментальных исследований конденсатонасыщенность пористой среды моделей пласта определялась с помощью периодического рентгеновского сканирования колонки кернов. Результаты сканирования корректировались относительно реперных сигналов (точки, полученные с использованием прямых методов измерений насыщенности) при давлениях:

• Рнк (определялось по РУТ-данным);

• атмосферном (для данного случая насыщенность по образцам горных пород определялась методом экстрагирования).

Описанный подход позволил провести сопоставительный анализ результатов эксперимента и выявить эффекты, непосредственно обусловленные влиянием ультразвуковой волны на процесс изменения конденсатонасы-щенности. Для сравнения полученных значений конденсатонасыщенности рентгеновское сканирование двух терригенных и двух карбонатных моделей осуществляли при одинаковых давлениях соответственно (рис. 2, 3). Видно, что наибольший эффект воздействия

УЗ-волн на терригенные модели, т.е. относительное снижение их конденсатонасыщенности, (см. рис. 2б) наблюдается при высоких давлениях, достигая 2,3 % при относительном давлении 0,6. При снижении давления конденсато-насыщенность моделей растет: ее относительное снижение постепенно уменьшается до величины 0,6 %. Это связано с тем, что при высоких давлениях повышение температуры пластовой системы существенно способствует испарению компонентов из ретроградного конденсата.

^ 25

I

к

I

0

1

8

«

к

о «

20

15

10

+ моде  моде иь 1 иь 2 ♦ 1

♦ ♦ ♦   9

♦ 1 щ

0,2

0,4

а

0,6 0,8 1,0 Давление, Р/Р

£ 3

I

Л .

0 Й К

1

«

к

0 И и к

1

8

£

О

0,2

б

0,4 0,6

Давление, Р/Р

Рис. 2. Воздействие УЗ-волн на терригенные модели пласта: а - изменение конденсатонасыщенности моделей в зависимости от изменения давления; б - средний (по двум моделям) эффект воздействия УЗ-поля

1

5

0

0

0

0

^25 £

I

л К

I

20

15

к

3

10

4 моде  моде ;ль 3 ;ль 4 ♦ л

♦ ♦ ♦  ♦ ,   щ

*

-1

0,2

0,4

а

0,6 0,8 1,0 Давление, Р/Р

^2

I

0

1

и 1 я 1

и «

Я о И и

£ О

0,2

б

0,4 0,6

Давление, Р/Р

Рис. 3. Воздействие УЗ-волн на карбонатные модели пласта: а - изменение конденсатонасыщенности моделей в зависимости от изменения пластового давления; б - средний (по двум моделям) эффект воздействия УЗ-поля

5

0

0

0

0

Аналогичные явления наблюдаются и на карбонатных моделях, где относительное снижение конденсатонасыщенности варьируется в диапазоне 1,9-1 % (см. рис. 3б). Меньшие изменения насыщенностей связаны с более слабым затуханием УЗ-колебаний и повышением температуры в карбонатных породах.

На рис. 4 показано изменение конденсато-насыщенности вследствие применения УЗ-воз-действия по длине модели пласта (0 см соответствует входу модели пласта, 33 см - выходу, см. таблицу) при различных пластовых давлениях. Эффект проявился в резком снижении конденсатонасыщенности при высоких давлениях в образцах керна, находящихся в непосредственной близости от излучателя (что соответствует отметке длины 33 см). По мере снижения давления с течением времени поле температуры модели выравнивалось, поэтому снижение кон-денсатонасыщенности при низких давлениях по всей модели было примерно одинаковым.

Под воздействием акустических колебаний произошел нагрев пластовой системы, что привело к следующим эффектам:

• снижению вязкости ретроградного конденсата и увеличению подвижности жидкой фазы;

• частичному разрушению адсорбционных слоев на границе конденсат-порода;

Длина модели, см

а

• уменьшению толщины пристеночного конденсатного слоя.

Вполне вероятно, что прямой контакт волновода излучателя и торца керна способствовал передаче колебаний непосредственно в скелет породы, что в свою очередь способствовало возникновению отмеченных эффектов. Сказанное подтверждается тем фактом, что с понижением давления эффект снижения вязкости вследствие повышения температуры постепенно уменьшается с 15,4 до 3,6 %. Рост подвижности конденсата дополнительно подтверждается значительным увеличением концентрации компонентов С5+ в газовой и жидкой фазах, которое зафиксировано практически

сразу после начала УЗ-воздействия.

***

В ходе исследования керновых образцов экспериментально установлено изменение конденсатонасыщенности под действием УЗ-поля в коллекторах различного литоло-гического состава. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод о том, что главным механизмом, влияющим на снижение конденсатонасыщенности, является повышение температуры коллектора и флюидов. Однако не стоит исключать вероятность вклада таких эффектов, как повышение подвижности

б

— Р/Р = 0,50 — Р/Р = 0,35 — Р/Р = 0,15 — Р/Р = 0

нк ' нк ' нк ' нк

Рис. 4. Снижение конденсатонасыщенности по длине моделей вследствие УЗ-воздействия: а - терригенные модели 1 и 2; б - карбонатные модели 3 и 4

пристеночного слоя и уменьшение сил натяжения на границе раздела газ-жидкость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований дают основание заключить, что УЗ-воздействие является перспективным методом снижения конден-

сатонасыщенности в ПЗП и борьбы с кон-денсатными пробками. Однако исследования в данной области необходимо продолжить для создания эффективной технологии применения УЗ на промыслах.

Список литературы

1. Федоров И. А. Исследование перспективного метода воздействия на призабойную зону пласта фокусированным акустическим полем / И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев // Вести газовой науки: Проблемы разработки газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений. - М.: Газпром ВНИИГАЗ,

2014. - № 4 (20). - С. 103-112.

2. Федоров И.А. Повышение фазовой проницаемости пласта под действием акустических колебаний / И.А. Федоров, Ю.Н. Васильев // Вестник ЦКР Роснедра. -

2015. - № 2.

3. Кузнецов О. Л. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты / О. Л. Кузнецов, Э.М. Симкин, Дж. Чилингар. - М.: Мир, 2001. - 260 с.

4. Xu J. Acoustic excitation of superharmonic capillary waves on a meniscus in a planar microgeometry / J. Xu, D. Attinger // Physics of Fluids. - 2007. - V. 19.

5. Beresnev I.A. Elastic-wave stimulation of oil production: a review of methods and results / I.A. Beresnev, P.A. Johnson // Geophysics. -1994. - V. 59. - № 6. - C. 1000-1017.