Циклическое воздействие на пласты при заводнении

 

Как отмечалось, при благоприятных геолого-физических ус­ловиях месторождений заводнение нефтяных залежей может обес­печивать нефтеотдачу пластов до 60—65 % и более. Однако пол­нота охвата пластов заводнением и конечная нефтеотдача их резко снижаются при усилении степени геологической неоднород­ности разрабатываемых объектов. В сильно неоднородных пла­стах нагнетаемая вода прорывается к добывающим скважинам по высокопроницаемым слоям и зонам, оставляя невытесненной нефть в малопроницаемых слоях, участках, зонах и пр. Неравно­мерные прорывы воды имеют место также и в однородных пла­стах при повышенной вязкости нефти за счет неустойчивости фронта вытеснения. Это приводит к тому, что участки нефтяных залежей за фронтом заводнения представляют собой бессистемное чередование заводненных высокопроницаемых и нефтенасыщен-ных менее проницаемых слоев и зон. Последние могут достигать до 30—50 % от нефтенасыщенного объема.

Дополнительный охват заводнением не вовлеченных в раз­работку нефтенасыщенных зон и участков может способствовать увеличению нефтеотдачи пластов при обычном заводнении, про­длению безводного периода добычи нефти, уменьшению относи­тельных объемов добываемой воды и т.д.

Одними из эффективных способов достижения указанной цели могут служить предложенное в 50-е годы циклическое, иногда называемое импульсным, нестационарное заводнение послойно неоднородных продуктивных пластов и, как сопутствующий ему, способ изменения направления, кинематики потоков жидкости в систему скважин по простиранию неоднородных пластов [33], широко применяемые на практике.

Механизм процесса. Суть метода циклического воз­действия и изменения направления потоков жидкости заклю­чается в том, что в пластах, обладающих неоднородностью по размерам пор, по проницаемости слоев, пропластков, зон, участ­ков и неравномерной их нефтенасыщенностыо (заводненностью), вызванной этими видами неоднородности, а также отбором нефти и нагнетанием воды через дискретные точки — скважины, искус­ственно создается нестационарное давление. Оно достигается из­менением объемов нагнетания воды в скважины или отбора жид­кости из скважин в определенном порядке путем их периодиче­ского повышения и снижения.

В результате такого нестационарного, изменяющегося во вре­мени воздействия на пласты в них периодически проходят волны повышения и понижения давления. Слои, зоны и участки малой проницаемости, насыщенные нефтью, располагаются в пластах бессистемно, обладают низкой пьезопроводностью, а скорости распространения давления в них значительно ниже, чем в высоко­проницаемых нефтенасыщенных слоях, зонах, участках. Поэтому между нефтенасыщенными и заводненными зонами возникают различные по знаку перепады давления. При повышении дав­ления в пласте, т. е. при увеличении объема нагнетания воды или снижении отбора жидкости, возникают положительные перепады давления — в заводненных зонах давление выше, а в.нефтенасыщенных ниже. При снижении давления в пласте, т. е. при уменьшении объема нагнетаемой воды или повышении отбора жидкости, возникают отрицательные перепады давления — в нефтенасыщенных зонах давление выше, а в заводненных ниже.

Под действием знакопеременных перепадов давления проис­ходит перераспределение жидкостей в неравномерно насыщенном пласте, направленное на выравнивание насыщенностей и устране­ние капиллярного неравновесия на контакте нефтенасыщенных и заводненных зон, слоев, участков.

Многократные скачки насыщенностей, возникающие вследствие неравномерного вытеснения нефти водой из неоднородных пла­стов, создают неравновесное состояние капиллярных сил на кон­такте зон с разной насыщенностью. Но сами по себе капиллярные силы могут выравнять насыщенность в пластах за очень длитель­ный период времени [33]. Возникновение знакопеременных пере­падов давлений между зонами (слоями) разной насыщенности спо­собствует ускорению капиллярной, противоточной пропитки водой нефтенасыщенных зон (слоев)—внедрению воды из заводненных зон в нефтенасыщенные по мелким поровым и перетоку нефти из нефтенасыщенных зон в заводненные по крупным поровым кана­лам. Без знакопеременных перепадов давления между зонами с разной насыщенностью самопроизвольно капиллярный проти­воток жидкостей происходить не может в силу переменного сече­ния поровых каналов, в которых капиллярное вытеснение нефти водой носит прерывистый характер.

Циклическое воздействие на пласты, создавая знакоперемен­ные перепады давления между зонами (слоями) разной насы­щенности (проницаемости), способствует преодолению прерыви­стого характера проявления капиллярных сил, выравниванию насыщенностей, т. е. повышению охвата заводнением неоднород­ных пластов. Изменение направления потоков жидкости между скважинами (в плане) усиливает этот процесс повышения охвата пластов заводнением.

Технология циклического воздействия на пла­сты. Технология процесса изучалась экспериментально, путем приближенных и строгих аналитических исследований. В при­ближенной расчетной схеме нами был описан только первый цикл процесса. В экспериментальных и аналитических работах изуча­лись вопросы неустановившейся фильтрации несмешнвающихся жидкостей в пласте при различной технологии периодического изменения давления или расхода воды — величина и особенности перетоков жидкости между слоями и зонами разной проницае­мости, оценка эффективности процесса. Во всех известных иссле­дованиях реальный пласт представляется в виде двухслойной си­стемы с различной характеристикой слоев. О. Э. Цынковой была предложена математическая модель процесса, которая в настоя­щее время используется при проектировании разработки место­рождений с использованием рассматриваемого метода. На основе указанной модели большие исследования технологии процесса заводнения неоднородных пластов при нестационарном воздей­ствии провела И. Н. Шарбатова под руководством автора, часть результатов которых используется ниже. Модель позволяет учи­тывать необходимые технологические условия процесса, перепады давления нагнетания, изменения расхода воды, частоту колеба­ний давления (расхода) и определять эффективность процесса в виде безразмерных коэффициентов, представляющих собой отношения:

текущих отборов нефти при циклическом и обычном заводне­нии S;

накопленных отборов нефти при циклическом заводнении за время применения метода к накопленному за то же время количеству нефти при обычном заводнении χ₁;

накопленных отборов нефти с начала разработки при цикли­ческом и обычном заводнении χ₂.

Использование этой модели позволило выявить ряд основных безразмерных параметров, определяющих оптимальную техно­логию процесса. К ним относятся следующие.

1. Относительная частота смены циклов. Измене­ние расхода нагнетаемой воды, являющееся критерием нестаци­онарности процесса:

где ω — относительная частота циклов; ω_Р — рабочая абсолютная частота колебаний расхода; С — коэффициент упругости породы и жидкости; μ, m, l, k — характерные средние вязкость, пори­стость, длина и проницаемость пласта соответственно.

Установлено, что оптимальное значение относительной ча­стоты смены циклов ω=2 Это значение отвечает завершению распределения пластового давления, а также достижению макси­мальных перетоков жидкости по длине пласта.

Из указанного соотношения для обоснования режима цикли­ческой закачки воды в пластьг определяется оптимальная рабо­чая частота смены циклов:

где x = k/μCm — средняя пьезопроводность пласта; t — длитель­ность полуцикла нестационарного воздействия.

Отсюда следует, что, во-первых, рабочая частота колебаний должна быть тем больше, чем хуже упругая характеристика пласта, во-вторых, по мере продвижения фронта вытеснения (с ростом t частота должна уменьшаться, т. е. циклы должны удлиняться.

Для определения длительности циклов нестационарного воз­действия можно пользоваться диаграммой (рис. 40). Прямые линии, выходящие из начала координат, есть линии равных пери­одов. Как видно, при конкретном значении пьезопроводности пласта 10 000 см2/с, по мере удаления фронта вытеснения от линии нагнетания воды от 100 до 700 м, продолжительность циклов должна увеличиваться от 10—15 до 75—80 сут. А если процесс циклического воздействия на пласты проводится с начала заводнения, то продолжительность циклов должна быть не более 1 —10 сут. С увеличением пьезопроводности пласта продолжитель­ность циклов уменьшается, особенно для трещиноватых пластов.

 

Рис. 40. Диаграмма для определения длительности циклов нестационарного воз­действия t в зависимости от пьезопроводности пласта % и удаления фронта вы­теснения l

 

2. Относительная амплитуда колебаний рас­
хода нагнетаемой воды, представляющая собой отноше­
ние превышения (снижения) уровня нагнетания воды при цикли­
ческом заводнении над средним объемом нагнетания к среднему
уровню закачки при обычном заводнении:

где Qiз — максимальный (или минимальный) уровень закачки (в зависимости от фазы цикла) при циклическом заводнении; Qo.з — средний уровень закачки при обычном заводнении; i — номер фазы цикла (i=1, 2).

Очевидно, что при условии необходимости сохранения сред­него объема циклической закачки воды равным объему при обыч­ном заводнении максимальное значение относительной амплитуды колебания расходов воды не может быть более единицы (b<=1). Это означает, что в полупериод повышения давления нагнета­ния объем закачки должен увеличиваться в 2 раза, а в полу­период снижения давления — сокращаться до нуля в результате отключения нагнетательных скважин.

3. Относительное время начала нестационар­
ной закачки воды, характеризующее длительность периода
обычного заводнения, предшествующего циклическому. Этот па­
раметр определяется с учетом масштаба времени, разработки
пласта при обычном заводнении до прорыва воды в реальных
условиях эксплуатации по слою с большой проницаемостью.

Относительное время начала циклического заводнения можно определить следующим образом:

где t* — длительность эксплуатации объекта при обычном завод­нении; t_ПР— длительность эксплуатации объекта от начала завод­нения до момента прорыва воды (определяется по динамике обводнения) при обычном заводнении по слою с проницаемостью ki.

Когда разработка залежи осуществляется с самого начала с применением метода циклической закачки воды, то τ* = 0, если нагнетательные скважины переводятся на нестационарный режим работы некоторое время спустя, то τ*>0.

Свойства пластов, влияющие на процесс. Неод­нородность коллектора по толщине и проницаемости оказывает самое большое влияние на процесс циклического воздействия. В реальных условиях эта неоднородность пластов очень сложно изменяется по простиранию залежей. При моделировании про­цесса циклического заводнения она схематизируется системой, представленной двумя слоями с разными проницаемостью и тол­щиной. Исходной информацией для интерпретации реального пласта двухслойной моделью служат результаты поинтерваль-ных замеров проницаемости геофизическими методами. Схема построения геологической модели пласта для изучения процесса соответствует в принципе только условиям гидродинамических перетоков жидкости между слоями разной проницаемости при изменении режима нагнетания воды в пласты.

При такой схематизации пласт характеризуется следующими относительными параметрами:

H₁ и Н₂—относительные толщины слоев, причем H₁+Н₂ =l;

k₁ и k₂— относительные проницаемости слоев.

Произведение V=(k₁–1) (1—k₂) служит мерой неоднород­ности коллектора.

На основе геофизических измерений по некоторым пластам месторождений Татарии и Западной Сибири получены значения их показателей неоднородности (табл. 24).

 

 

Таблица 24

Показатели неоднородности различных пластов

 

Очень важным свойством пластов является также степень гидродинамической изолированности слоев, характеризующаяся коэффициентом Ψ, представляющим собой отношение площади непроницаемой части контакта слоев ко всей рассматриваемой площади пласта. Этот параметр вводится аддитивно в показа­тель относительного времени τ* и характеризует запаздывание начала циклического заводнения:

Для интегрального отражения роли капиллярных сил в эф­фективности циклической закачки воды вводится коэффициент удержания воды в нефтенасыщенных слоях (зонах) β. Он пред­ставляет собою долю воды, удержанной капиллярными силами в малопроницаемом нефтенасыщенном слое, куда она поступила из обводненного высокопроницаемого слоя за счет циклического воздействия, и записывается в виде.

где V₁ — объем воды, поступившей в малопроницаемый слой в по­луцикле повышения давления нагнетания; V₂ — объем воды, вы­шедшей из малопроницаемого слоя в полуцикле снижения дав­ления нагнетания.

Очевидно, что при β = 0, когда вода не удерживается в мало­проницаемом слое, процесс циклического заводнения не будет эффективным. Такой случай возможен или в сильно гидрофоби-зованных пластах, когда контактный угол смачивания поверх­ности пор приближается к 90°, или в микрооднородной пористой среде, когда поровые каналы (поры) одинаковы по размеру. Однако и то и другое в реальных пластах не имеет места.

Максимальный эффект можно получить в том случае, когда весь объем внедрившейся воды будет удерживаться в малопрони­цаемом слое (β=1). При сильном проявлении капиллярных сил β является функцией безразмерного параметра водонасыщенности, времени цикла и может достигать 0,7—0,8, т. е. 70—80 % воды, внедрившейся в малопроницаемые слои, удерживается там, а 20—30 % возвращается в высокопроницаемые слои.

Для конкретных объектов разработки этот коэффициент будет зависеть от смачиваемости и микронеоднородности пори­стой среды и должен определяться экспериментально при раз­личных режимах процесса на естественных образцах пласта (кернах).