Природные и техногенные факторы, влияющие на полноту нефтеизвлечения

 

физику пласта характеризуют природные факторы: источники пластовой энергии, естественные режимы работы залежей, фазовая проницаемость коллектора, нефтенасыщенность, характер смачиваемости пород коллектора, реологические свойства флюидов, распределение размера пор и другие параметры, характеризующие фильтрационные сопротивления в пласте.

Техногенные факторы, снижающие нефтеотдачу, обусловлены бурением скважин, их освоением и эксплуатацией, ремонтными работами.

 

 

Факторы, влияющие на нефтеотдачу

Коллекторов

 

К основным факторам, осложняющим разработку залежей и снижающих нефтеотдачу, относят следующие:

· неоднородность фильтрационно-емкостных свойств залежи;

· литологию, гранулометрический состав слагающих пород;

· соотношение фильтрующихся в пласте фаз;

· гравитационное разделение фаз.

Неоднородные пласты во многих случаях могут существенно отличаться по продуктивности, обводненности и плотности нефтеносности. В неоднородных по вертикали пластах, имеющих отдельные низкопроницаемые пропластки, трудно обеспечить охват воздействием вследствие того, что в активную разработку будут включаться только высокопроницаемые слои. Неоднородность пласта по проницаемости при вытеснении нефти водой приводит к образованию так называемых языков обводенности, которые, обходя участки пласта с низкой проницаемостью, оставляют за собой зоны с нефтенасыщенностью, существенно выше остаточной.

Породы-коллекторы содержат от 1 до 10 % глинистых минералов. В плотных породах глины часто являются цементирующим веществом и могут покрывать стенки пор.

При контакте с водой, минерализация которой отличается от пластовой, вследствие гидратации глинистых минералов их объем может увеличиваться в 8-10 раз по сравнению с первоначальным, что приводит к блокированию ранее проницаемых каналов. Одновременно с набуханием происходит и диспергирование глинистых минералов на одно- или многокристаллические частицы. Дисперсные частицы могут перемещаться с жидкостью, пока не встретят поры с меньшими размерами, где они осаждаются, блокируя поровые каналы и создавая так называемый клапанный эффект.

При извлечении нефти в пластовых условиях проявляются силы, оказывающие потоку сопротивление (силы трения). Как правило, они пропорциональны скорости движения. Силы трения возрастают при увеличении вязкости нефти, которая в пластовых условиях повышается в процессе разработки по мере падения пластового давления вследствие того, что из нее выделяется растворенный газ.

Одна из основных причин неполного извлечения нефти из недр – действие капиллярных сил на контакте нефть – вытесняющая жидкость. В гидрофобной породе капиллярные силы препятствуют продвижению мениска, поэтому контакт нефть – вода более подвижен в порах большого диаметра, при этом нефть защемляется в порах малого диаметра. В гидрофильной породе наблюдается обратное явление: за счет капиллярных сил контакт нефть – вода с большей скоростью перемещается в порах малого диаметра, а нефть защемляется в крупных порах.

Различное фазовое состояние флюидов в пласте также влияет на полноту извлечения нефти из недр. Известно, что если пористая среда насыщена двумя несмешивающимися жидкостям, то при предельной остаточной насыщенности одной из них ее фазовая проницаемость равна нулю. Это объясняется тем, что остаточная жидкость разбивается в поровых каналах на отдельные капли, которые в равновесных условиях изолированы и неподвижны. Объемное содержание остаточной жидкости в порах может быть довольно высоким. Это явление определяет остаточную нефтенасыщенность обводненных пластов. На величину и структуру остаточной нефти влияют рост содержания полимерных компонентов (смол и асфальтенов), снижение газосодержания, повышение вязкости нефти, которые в общей сложности приводят к увеличению степени гидрофобизации поверхности горной породы и доли пленочной нефти, а также изменению структурно-механических свойств нефти в сторону упрочнения.

До начала разработки газ, нефть и пластовая вода находятся в статическом равновесии и распределены в соответствии с их плотностью. В процессе добычи это равновесие нарушается из-за создания градиента давления, особенно высокого в призабойной зоне добывающих скважин. При превышении градиентом давления определенного уровня может наступить прорыв воды в скважину, что способствует образованию конуса и перекрытию зон фильтрации нефти к скважине, так как вода подвижнее нефти. Конусообразование приводит к большим потерям в недрах извлекаемых запасов.

 

 

Факторы, отрицательно влияющие

На приток нефти

 

Промышленное освоение нефтяных месторождений берет начало со скважины, сооруженной Эдвином Дрейком в 1859 г. в Пенсильвании (США). И по сей день скважина является основным сооружением гидродинамической связи, доступным для исследования характеристик флюидов, параметров пласта, и служит для извлечения нефти из недр на дневную поверхность.

При плоскорадиальной фильтрации жидкости в продуктивном пласте по мере приближения к скважине поверхность фильтрации уменьшается, а скорость возрастает, вследствие чего увеличивается фильтрационное сопротивление. Фильтрационное сопротивление, существенно снижающее приток, обусловливается несовершенством скважин по характеру и степени вскрытия пласта. Известно, что скважина гидродинамически совершенна, если вскрыт пласт полностью и ствол скважины обнажен для притока жидкости по всей его поверхности. В нефтепромысловой практике это достигается редко, в основном, в плотных трещинно-карбонатных коллекторах. Как правило, продуктивный пласт перекрывают фильтром или эксплуатационной колонной с последующей перфорацией. В гидродинамически несовершенных скважинах создаются дополнительные фильтрационные сопротивления. Дебиты скважин в этом случае зависят еще и от способа создания перфорационных каналов.

В течение всего времени разработки месторождения с момента ввода в эксплуатацию скважин и до стадии истощения возможно нарушение по тем или иным причинам гидродинамической связи пласта со скважиной, что уменьшает не только продуктивность, но и нефтеотдачу пласта.

В процессе строительства и эксплуатации скважин в нефтяном пласте, прилегающем непосредственно к скважине, формируется призабойная зона пласта (ПЗП) с измененными (ухудшенными) фильтрационными свойствами. В этой зоне теряется значительная часть энергии фильтрующихся флюидов. К сожалению, избежать ухудшения фильтрационно-емкостных характеристик ПЗП в процессе вскрытия залежи широко распространенными методами бурения при компрессионной системе гидродинамического давления промывочная жидкость – продуктивный пласт невозможно. Фильтрация промывочной жидкости в пласт сопровождается физико-химическим и термохимическими процессами. Фильтраты промывочных растворов вытесняют нефть и газ, первоначально находившиеся в околоскважинной области. При внедрении фильтрата промывочной жидкости уменьшается действие поверхностных сил, что способствует перемещению частиц твердой фазы. При высоких скоростях проникновения фильтрата в пласт градиенты значительны и интенсивность поступления мельчайших частиц в поры возрастает. Взаимодействуя друг с другом и со скелетом породы, частицы могут застревать в местах сужения и пережимов пор. Ухудшение проницаемости пород во время бурения может привести к полной изоляции скважины от пласта. Поэтому нередки случаи, когда приток нефти отсутствует даже в коллекторах с достаточно хорошими фильтрационными свойствами. Радикально изменить ситуацию можно только отказавшись от традиционной технологии бурения.

На этапе вскрытия пласта перфорацией его фильтрационные свойства в области, прилегающей к перфорационному каналу, также изменяются, особенно если вскрытие производят при репрессии на пласт. Закупорка капиллярных каналов, составляющих поровое пространство пласта, наиболее интенсивна, если порода гидрофобна, а радиус глобул воды превышает радиус капилляра (эффект Жаменя).

При освоении скважин в процессе вызова притока развивается процесс вытеснения нефтью фильтрата из ПЗП. В низкопроницаемых коллекторах вытеснение фильтрата и прорыв нефти происходит по наиболее крупным порам, при этом часть фильтрата блокируется в других зонах его проникновения. В высокопроницаемых коллекторах часть крупных каналов и пор могут блокироваться еще на стадии бурения и перфорации. При обратном вытеснении нефть притекает в скважину по мелким и средним порам, а более крупные поры остаются блокированными фильтратом.

При эксплуатации скважин начинают действовать факторы, ухудшающие фильтрационные характеристики ПЗП. Их можно разделить на три категории: гидромеханические, термохимические (структурно-реологические) и биологические.

К первой категории относятся механизмы взаимодействия нефти с пластовой водой. При эксплуатации в добывающую скважину притекает пластовая вода, из которой в депрессионной зоне может выделяться часть растворенных солей. Эти соли отлагаются в порах, уменьшая их проходимость.

Диспергированные глинистые частицы привносятся в ПЗП флюидом по поровым каналам и по мере приближения к скважине их концентрация в жидкости возрастает. При превышении граничной концентрации глинистых частиц жидкость приобретает структуру коллоидно-дисперсных систем (КДС), состоящих из дисперсной среды (жидкости) и дисперсной фазы (коллоидных частиц). Образующиеся КДС обладают свойствами неньютоновских жидкостей со структурной вязкостью, которая в несколько раз превышает первоначальную вязкость дисперсной среды. Как правило, структурированная КДС образуется в зонах пониженной проницаемости, создавая дополнительные барьеры притоку флюидов в скважину. В ПЗП могут возникать участки с частично или полностью прекратившейся фильтрацией.

Термохимические механизмы ухудшения фильтрационных характеристик ПЗП обусловлены физико-химическими свойствами нефти, пластовых вод, пород коллектора и граничных слоев. Они зависят как от геологических факторов, так и от чисто техногенных: изменения температуры и давления в пласте, химической активности растворов вытеснения и т.д.

Углеводороды состоят из фракций с различным молекулярно-массовым распределением, при котором молекулярная масса полимеров может достигать 5×10⁴ и более. При уменьшении температуры наблюдается ряд фазовых переходов углеводородов, соответствующих конденсации отдельных фракций. Парафин и другие высокомолекулярные фракции конденсируются в виде игольчатых тел, напоминающих кристаллы, что приводит к образованию сетчатой структуры и изменению реологического поведения нефти, связанного с резким ростом вязкости. Свойства нефти начинают соответствовать реологической модели с большим временем сдвиговой релаксации. Течения таких сред не наблюдается, если создаваемые напряжения не превышают предельного напряжения сдвига. В случае, когда градиент пластовых давлений становится недостаточным для вытеснения нефти, поступление углеводородов из пласта в скважину прекращается.

Биологические механизмы ухудшения условий фильтрации нефти обусловлены развитием микрофлоры, питающейся нефтью, что приводит к сужению каналов. Видоизменение бактерий сырых нефтей успешно используется геохимиками для изучения происхождения нефти, ее перемещения и накопления.

Анализ причин и факторов, влияющих на полноту извлечения нефти из недр, позволил установить, что их основу составляют техногенные процессы. Поэтому выбор технологий с учетом конкретных геологических условий и физико-механических параметров пласта и пластовых флюидов, взаимодействия этих характеристик и техногенных процессов приобретают все большую актуальность при решении задачи повышения эффективности и полноты извлечения углеводородов из недр.

 

 

Технологические методы