Повышение эффективности разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти: На примере Гремихинского и Старогрозненского месторождений

Сырьевая база углеводородов стран всего мира, в том числе и России, была, есть и продолжает оставаться важным потенциалом для их технического прогресса и экономического развития в целом.

Известно, что мировые запасы нефти на начало нынешнего века оцениваются в 160 млрд. т. Если сохранить достигнутый темп добычи нефти в мире, равный порядка 5,0 млрд. тонн в год, то становится совершенно очевидной сравнительно быстрая их исчерпаемость в обозримом будущем.

Прирост запасов углеводородов уже в ближайшей перспективе будет связан не только с проведением разведочных работ, но, в большей степени с совершенствованием технологических процессов разработки месторождений, обеспечивающих увеличение степени выработки запасов и, таким образом, наращивание извлекаемых запасов нефти на разрабатываемых месторождениях. При этом достигается не только технологическое, но и экономическое преимущество, поскольку приращение ресурсной базы осуществляется в уже промышленно освоенных регионах. Результативность такого подхода подчеркивается Министерством энергетики, Центральной комиссией по разработке нефтяных и нефтегазовых месторождений и всей научной и производственной общественностью.

В этой связи представляет определенный интерес ознакомление с фактическими и ожидаемыми прогнозными показателями развития нефтедобывающей отрасли Российской Федерации. В статье Гордеева О. Г. «Состояние и перспективы развития нефтяной и газовой промышленности» (НХ, № 1, 2003 г.) приведены ожидаемые прогнозные показатели, обоснованные Минэнерго, см. рис. 1 и рис. 2. Оценивается, что по 2006 г. будет происходить рост годовой добычи нефти с последующей стабилизацией по 2013 г. на уровне 500 млн. т. при этом за счет новых технологий к 2015 году должно быть добыто порядка 810 млн. т. нефти. В приведенном прогнозе учитывается качественное ухудшение сырьевой базы нефтедобывающих регионов РФ, то есть продолжение относительного наращивания объектов с трудноизвлекаемыми запасами нефти.

На сегодня в России сырьевые ресурсы высоковязкой нефти уже превышают 51% в балансе общих разведанных запасов. Ввод в промышленную разработку таких месторождений, безусловно, будет требовать больших инвестиционных вложений и самое главное применение нетрадиционных технологий их разработки, базовыми из которых будут являться тепловые технологии. И это совершенно очевидно, так как ближайшая перспектива будет связана с необходимостью активного вовлечения в промышленную разработку возрастающих ресурсов высоковязкой нефти. f г mm mmmtm.

Показатели,.

МЛН.Т 600 f -•-2 *3.

3.2.

5.3.

21.0*.

6.2.

31.2*.

Показатели, млрд. долл.

8.8 44.1*.

9.7 48.3*.

1991 г. 1996 г. 2001 г. 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2020 г.

I." ¦ .<1 ¦ «¦ >. .ч.,... .т. мл». ¦. .

1 — Объем добычи с газовым конденсатом.

2 — Потребность в инвестициях по годам.

3 — Потребность в инвестициях за пятилетие.

Рисунок ] - Основные показатели развития нефтедобывающей отрасли.

Уровень добычи, млн.

До 2007 г. рост.

1986 г. 1990 г. 1995 г. 2000 г. л" добыча при ценах 14 US D/барр. ш нераспределенный фонд месторождений на 01.01.02 г. приращенные после 2001 г. запасы.

2005 г.

ВАРИАНТ I '.

ВАРИАНТ II '.

2010 г. 2015 г. 2020 г. ш добыча при ценах 22 US D/барр. ш нераспределенный фонд месторождений на 01.01.02 г. приращенные после 2001 г. запасы.

Рисунок 2 — Добыча нефти с нестабильным газовым конденсатом по Российской Федерации I 7.

Исходя из сложившихся текущих условий накопления определенной ресурсной базы — месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти и практики развития нефтедобывающего комплекса РФ, выделяются две категории ресурсов углеводородов, требующих развития совершенно различных подходов по вводу их в промышленную разработку: первая — категория месторождений, связанная с геологическими факторами их строения, коллекторскими свойствами нефтевмещающих пластов, физико-химическими свойствами пластовых флюидов и режимно-энергетическими характеристиками, вторая — с труднодоступными топоклиматическими условиями, требующими больших инвестиционных вложений на промышленное освоение районов размещения нефтяных месторождений.

Так, например, к первой категории месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти можно отнести: Зыбза-Глубокий Яр Краснодарского края, Гремихинское Удмуртской Республики, Старогрозненское Чеченской Республики, Ярегское и Усинское Республики Коми и др. Ко второй категории — группы месторождений Западной Сибири (Русское, Северо-Комсомольское и др.) и ряда месторождений ОАО «Северная нефть».

На территории Удмуртии, по данным ОАО «Удмуртнефть» [40], разведано и принято на баланс более 60% месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти. Геология этих месторождений характеризуется многопластовыми системами продуктивных и плотных пластов, карбонатным типом коллекторов с двойной порово-трещинной структурой с высокой послойной и зональной неоднородностью, сложным характером контактирования нефтесодержащих пластов с водонапорными бассейнами, нефть месторождений имеет повышенную и высокую вязкость.

По данным ОАО «Северная нефть» на лицензионной территории нефтяной компании «Роснефть» расположены 12 нефтяных месторождений с извлекаемыми запасами более 60 млн. тонн нефти. По состоянию на 01.01.2003 г. в промышленной разработке находятся семь месторождений. Все месторождения по своим геологическим характеристикам также относятся к объектам с трудноизвлекаемыми запасам нефти (карбонатные сильно расчлененные коллекторы, насыщенные преимущественно нефтью с повышенной вязкостью) большая часть месторождений размешены преимущественно за полярным кругом в суровых топоклиматических условиях — территории их более, чем на 60% покрыты болотами, температура воздуха в зимний период снижается до -55°С. С 1993 г. (с момента образования АОО «Северная нефть») и по настоящее время разработка месторождений ведется с частичным применения методов нагнетания воды в пласты при весьма низких текущих коэффициентах нефтеизвлечения.

Совершенно очевидно, что первая категория месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти требует, прежде всего, создания нетрадиционных технологических процессов разработки месторождений, отличающихся высокой эффективностью применения в данных геологических условиях, тогда как вторая — более обуславливается экономическими факторами — в народно-хозяйственной потребности углеводородного сырья в данный момент времени.

Краткий обзор истории развития научных основ процессов разработки нефтяных месторождений.

Известно, что история развития способов добычи нефти в районах еще дореволюционной России таких, как: Апшеронский п/о, Грузия, Северный Кавказ, Ухтинский район и некоторые другие исчисляется столетиями, тогда как теория и научно обоснованная практика разработки нефтяных месторождений стали развиваться сравнительно недавно — начиная с 50-х годов прошлого столетия [28, 34, 37, 47, 51, 52, 62, 63, 64, 74, 75, 79, 82, 83 и др.].

Неоценимо большой вклад в развитие теоретических основ разработки нефтяных месторождений внесли из числа отечественных ученых: И. М. Губкин — основатель первого в СССР Государственного научно-исследовательского (ГНИИ) и учебного (Горная Академия) институтов, JI.C. Лейбензон, классические труды которого в области подземной гидродинамики легли в основу создания научно-обоснованных систем разработки нефтяных месторождений, А.ГТ. Крылов, И. М. Муравьев, М.М. Глоговский-создатели первой монографии по научно-обоснованным системам разработки нефтяных месторождений, В. Н. Щелкачев — впервые раскрыл научные основы теории неустановившейся фильтрации флюидов в пористых средах и дал четкое научное определение упругому режиму пластовых систем. И. А. Чарный и Г. Б. Пыхачев создали классический труд по подземной гидравлике, Ш. К. Гиматудинов и А. И. Ширковский привели в своей монографии [27] основные научные данные по физике нефтяного и газового пластов, физико-механическим и тепловым свойствам пород-коллекторов нефти и газа. Изложили теоретические основы применения новых методов повышения нефтеизвлечения. Из числа зарубежных ученых — М. Маскет детально рассмотрел физические основы добычи нефти и течение однородных жидкостей в пористой среде (1949 г.), С. Д. Пирсон («Учение о нефтяном пласте») и Дж. Амикс, Д. Басс и Р. Уайтмиг («Физика нефтяного пласта», 1962 г.).

Большой научный вклад в проектирование систем разработки нефтяных месторождений, методов контроля и регулирования внесли: Б. Т. Баишев, Ю. П. Борисов, Г. Г. Вахитов, В. Е. Гавура, И. С. Ерофеев, Ю. П. Желтов, С. А. Жданов, М. М. Иванова,.

A.П. Крылов, Н. Н. Лисовский, В. Д. Лысенко, Р. Х. Муслимов, Э. Д. Мухарский, С. А. Оруджев, Б. Ф. Сазонов, М. М. Сатаров, С. А. Султанов, М. Л. Сургучев, И. П. Чоловский,.

B.Н. Щелкачев и многие другие.

Важную роль в научном обосновании и промышленном развитии методов повышения нефтеизвлечения сыграли ученые и практики отечественной нефтяной отрасли: И. Д. Амелин, Д. Г. Антониади, Н. К. Байбаков, А. А. Боксерман, А. Р. Гарушев.

A.Т. Горбунов, М. И. Дацик, Р. Н. Дияшев, С. А. Жданов, B.C. Колбиков, С. Т. Короткое,.

B.И. Кудинов, В. М. Малюгин, Р. Х. Муслимов, К. А. Оганов, Л. М. Рузин, Э. Б. Чекалюк и ДР.

Известно, что за последние 20−30 лет из всех известных тепловых, химических, газовых и гидродинамических методов воздействия на нефтяные пласты с целью увеличения нефтеизвлечения из недр в мировой и отечественной практике разработки месторождений наибольшее развитие получили тепловые методы. Убедительное подтверждение этому приведено в докладе: «Развитие технологий увеличения нефтеотдачи пластов» на 1-й Международной конференции [56]. Указано, что в 2000 г. в США промышленно освоены: 86 проектов тепловых методов (в т. ч. закачки теплоносителя — 80), 63 проекта нагнетания СОг со смешивающимся вытеснением нефти и 10 проектов химических методов. Добыча нефти за счет методов составила 43,4 млн.т., в том числе за счет тепловых около 56% и около 44% - от закачки СОгТакая же картина наблюдается и по другим странам мира с превалирующим развитием тепловых методов.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям теплового воздействия на пласт и процессам неизотермической фильтрации нефти в пластовых средах посвящены работы [1, 3, 7, 19, 20, 22, 32, 33, 35, 44, 49, 53, 54, 55, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 81, 82 и др.]. Исследованиям подвергались неизотермические процессы, протекающие в пластовых средах, при принципиально различных по физической и термогидродинамической сущности технологиях воздействия. При нагнетании высокотемпературного теплоносителя (пара или горячей воды) с поверхности и при создании очага горения в призабойной зоне нагнетательной скважины с последующим перемещением фронта горения по нефтенасыщенному пласту.

Большой вклад в области теоретических исследований вложили отечественные ученые: И. Д. Амелин, А. А. Боксерман, Н. В. Зубов, В. А. Кочешков, Г. Е. Малофеев, Н. Н. Непримеров, К. А. Оганов, Н. Л. Раковский, Л. И. Рубинштейн, А. Г. Тарасов, Э. Б. Чекалюк и др.

В основе всех теоретических исследований лежали теории многофазной многокомпонентной фильтрации с учетом фазовых переходов и внутрипластовых физико-химических реакций. При тепловом воздействии на пласт происходит одновременное наложение положительных эффектов гидродинамического и термодинамического воздействия. Изменение природного теплового режима пласта существенно изменяет его фильтрационные характеристики: увеличение подвижности нефти за счет уменьшения ее вязкости и структурно-механических свойств, повышение капиллярной пропитки низкопроницаемых разностей коллекторов и как следствие увеличение коэффициентов вытеснения и охвата воздействием и конечного нефтеизвлечения.

Успешной реализации научных достижений в практике разработки месторождений высоковязкой нефти посвящены работы [4, 5, 6, 8, 10, 13, 15, 16, 17, 18, 25,26, 30,31,39,40,45 и др.].

Большой вклад в области промышленного внедрения и совершенствования тепловых технологий вложили отечественные ученые и практики: И. Д. Амелин, Д. Г. Антониади, Ф. Г. Аржанов, Н. К. Байбаков, А. Д. Бичкевский, Е. И. Богомольный, А. А. Боксерман, А. Р. Гарушев, М. И. Дацик, Р. Н. Дияшев, В. А. Иванов, B.C. Колбиков, В. И. Кудинов, В. М. Малюгин, К. А. Оганов, J1.M. Рузин, Э. Б. Чекалюк, и др.

В области совершенствования технологий нагнетания теплоносителя особое место занимают достижения, связанные с переходом от систематической закачки теплоносителя в пласт к созданию тепловой оторочки с последующим проталкиванием ее холодной водой (создатели технологии Чекалюк Э. Б. и Оганов К.А.), переход от систематической закачки теплоносителя и холодной воды в пласт к импульсно-дозированным процессам воздействия (Кудинов В.И., Колбиков B.C., Зубов Н. В., Малюгин В.М.) и введение в основу тепловых технологических процессов понятия «Эффективная температура» (Колбиков B.C., Кудинов В.И.).

В области совершенствования технологий внутрипластового горения — создание модификаций влажного и сверхвлажного внутрипластового горения (Боксерман А.А., Амелин И.Д.).

Цель диссертационной работы — повышение эффективности разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти на основе совершенствования и промышленного внедрения ресурсои энергосберегающих технологических процессов теплового воздействия на пласт, совершенствование методов анализа и контроля за разработкой нефтяных месторождений. В качестве примера выделяются объекты с высоковязкой нефтью и глубокопогруженные залежи нефти, представленные сложным структурно-неоднородным строением нефтесодержащих коллекторов.

В диссертационной работе раскрывается физическая сущность целого ряда созданных в РФ и промышленно апробированных на Гремихинском нефтяном месторождении (Удмуртская Республика) нетрадиционных тепловых технологий, отличающихся не только высокой технологической эффективностью, но и ресурсои энергосбережением. Проанализированы некоторые особенности изучения фильтрационной характеристики сложных коллекторов и состояния разработки глубокопогруженной залежи нефти аптских отложений нижнего мела Старогрозненского месторождения.

Задачи, решаемые исследованиями диссертации:

На примере разработки залежи нефти пласта А4 башкирского яруса Гремихинского месторождения:

1. Обоснование теплофизической и гидродинамической сущности новых нетрадиционных тепловых технологий с анализом результатов их промышленного внедрения.

2. Совершенствование методических подходов контроля за выработкой запасов нефти и состоянием эксплуатации фонда добывающих и нагнетательных скважин на базе построения карты разработки.

3. Обоснование методических решений контроля за обводнением добывающих скважин с количественным разделением попутно добываемой воды на агент воздействия и природную пластовую воду.

На примере разработки аптекой залежи нефти нижнего мела Старогрозненского месторождения:

1. Обоснование методического решения контроля за динамикой изменения пластового давления с учетом высокого этажа нефтеносности.

2. Обоснование методического подхода интерпретации индикаторных диаграмм гидродинамических исследований скважин при установившихся отборах, вскрывающих коллекторы сложной неоднородной структуры по пористости и проницаемости.

Научная новизна:

1. Теоретически обосновано (с проведением термогидродинамических исследований процессов вытеснения нефти теплоносителем из неоднородных пластовых систем) и экспериментально подтверждено, что теплоциклическое воздействие на пласт (ТЦВП), в основе которого лежит принцип циклической закачки теплоносителя и холодной воды в фонд добывающих и нагнетательных скважин, как единого технологического процесса, позволяет получить высокий охват (близкий к 100%) коллекторов тепловым воздействием и вытеснением элемента разработки.

2. Научно обоснованы и на практике апробированы карты разработки нового типа, принципиально отличные от существующих карт. Карты учитывают плотность распределения запасов нефти по площади залежи и основные параметры геологической характеристики объекта разработки и дают четкое графическое изображение состояния дренирования запасов нефти скважинами, нагнетания агента в пласт, показатели балансирования отбора закачкой и др.

3. Предложен новый принцип интерпретации нелинейных индикаторных диаграмм типа q = f (AP) гидродинамических исследований скважин при установившихся отборах, вскрывающих коллекторы сложной неоднородной структуры по пористости и проницаемости, позволяющий оценивать фильтрационные характеристики сложнопостороенных неоднородных коллекторов.

4. Научно обоснован методический подход контроля за динамикой пластового давления в залежах, отличающихся высоким этажом нефтеносности. Замерные значения пластового давления по скважинам рекомендуется приводить как минимум к трем абсолютным отметкам — начального положения ВНК, середины этажа нефтеносности и к прикровельной части залежи, для оценки динамики энергетической характеристики объекта разработки.

5. Разработана номограмма оценки количественной принадлежности попутно добываемой воды к водам агента воздействия или водам природного водонапорного бассейна.

Практическое значение исследований и их реализация в промышленности: основные положения диссертационной работы использовались при проектировании систем разработки залежей нефти с внедрением тепловых технологий повышения нефтеизвлечения и при контроле за выработкой запасов нефти на Гремихинском, Старогрозненском и ряде других нефтяных месторождений Краснодарского края и Западной Сибири;

— внедрение рекомендаций диссертационной работы по регулированию режимов теплового воздействия и контролю за выработкой запасов нефти на Гремихинском месторождении позволили получить достаточно высокую гидродинамическую и технико-экономическую эффективности;

— рассмотренные тепловые технологии носят прямой прикладной характер для широкого круга месторождений высоковязкой нефти с учетом соответствующих геологических критериев,.

— «Карты разработки» нового типа, отражающие состояние распределения выработки запасов нефти по площади месторождения, динамику обводнения фонда добывающих скважин и состояние балансирования отбора и закачки агента в пласт являются важными документами контроля за разработкой любого нефтяного месторождения.

Основные положения разделов диссертационной работы докладывались на технических Советах промышленных предприятий — нефтедобывающих объединений Удмуртии, Краснодарского края, Западной Сибири, Чеченской Республики и др., на Европейских симпозиумах в Москве (1993.г.), Вене (1995 г.), Казани (2003 г.), на Международных научно-практических конференциях в п. Шепси (1997 г.) Краснодарского края, Томске (2000 г.), г. Анапе (2001, 2003 г. г.) Краснодарского края.

Основные фрагменты исследований диссертационной работы публиковались в отраслевой периодической печати (17 статей) и в зарубежной печати (труды Европейских симпозиумов — 3 доклада), защищен один патент на изобретение в соавторстве.

При выполнении диссертационной работы неоценимую помощь оказывал научный руководитель доктор технических наук Александр Рубенович Гарушев, за что автор выражает ему свою глубокую признательность и благодарность. Всесторонние консультации автор получал от видных ученых и производственников нефтяной отрасли: д.т.н. Кудинова В. И., д.т.н. Басниева К. С., д.т.н. Жданова С. А., д.т.н. Боксермана А. А., д. г-м.н. Ивановой М. М., к.т.н. Колбикова B.C., к.т.н. Богомольного Е. И., д.т.н. Вартумяна Г. Т., к.т.н. Джалалова К. Э., к.т.н. Соловьевой В. Н., к. г-м.н Бичкевского А. Д., Дацика М. И., Малюгина В. М., Ихаева Б. А. и многих других. Результаты консультативных обсуждений проблемных вопросов разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти существенно повлияли на содержание диссертации. Всем специалистам автор выражает свою глубокую благодарность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании обобщения результатов научных публикаций, анализа опытно-промышленных и промышленных работ на месторождениях разработаны научно-обоснованные технологические решения эффективной разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти. Основное внимание уделено объектам с высоковязкой нефтью и глубокозалегающим объектам со сложной неоднородной структурой коллекторов на примере Гремихинского и Старогрозненского месторождений:

1. Усовершенствованы технологические процессы теплового воздействия на пласт, обладающие высокой технологической эффективностью, ресурсои энергосбережением и обоснованы теплофизическая и теплогидродинамическая сущности технологий: ИДТВ, ИДТВ (П), ТЦВП и «Укрупненного элемента» с анализом многолетнего их промышленного апробирования на Гремихинском месторождении.

2. Обоснован новый методический подход интерпретации результатов гидродинамических исследований скважин при установившихся режимах дренирования, вскрывающих структурно сложные неоднородные по пористости и проницаемости коллекторы. Методика позволяет определять не только фильтрационные свойства коллекторов, но и оценивать степень выработки запасов нефти из пластов с различной структурной характеристикой коллекторов.

3. Обоснован единый подход построения «Карт разработки», открывающий широкую возможность более детального контроля за состоянием выработки запасов нефти, анализа обводнения продуктивных пластов, оценки эффективности проводимых геолого-технических мероприятий по скважинам, получении наглядной картины достигнутого уровня баланса отбора и закачки. Рекомендуемая карта позволяет вести сравнительный анализ состояния разработки различных залежей нефти. Карты учитывают плотность распределения запасов нефти по площади залежи и ее основные геологические параметры, вошедшие базой при подсчете запасов нефти, дают четкое графическое изображение состояния дренирования запасов нефти скважинами, нагнетания агента в пласт, показатели балансирования отбора закачкой и др.

4. Анализ состояния обводнения добывающих скважин, позволил оценить количественную принадлежность попутно добываемой воды — к водам агента воздействия или водам природного водонапорного бассейна Дня оперативного решения такой задачи разработана и рекомендуется для применения специальная графическая номограмма.

5. Дан анализ динамики изменения пластового давления за историю разработки залежей нефти, отличающихся высоким этажом нефтеносности. Для таких залежей важно вести индивидуальный контроль за состоянием изменения давления на водонефтяном контакте, на отметке середины этажа нефтеносности (или плоскости, делящей начальные запасы нефти пополам) и в прикровельной части продуктивных отложений.

6. Научно обоснованы и прошли экспертизу в ЦКР Минэнерго РФ с положительными заключениями тепловые технологии воздействия на залежи с трудноизвлекаемыми запасами нефти (ИДТВ, ИДТВ (/П/), ТЦВП и УЭ) и методы контроля за выработкой запасов нефти, обводнением добывающих скважин и динамикой пластового давления за историю разработки залежей с высоким этажом нефтеносности.

7. Все методические разработки и технологические решения, приведенные в диссертации, использованы при составлении проектов разработки нефтяных месторождений и авторском надзоре за состоянием их разработки (Гремихинское, Старогрозненское, СевероНефтяное, Чатылькинское и др.). Все разработки одобрены научно-техническими советами ОАО «РосНИПИтермнефть» и производственными объединениями: Удмуртнефть, Грознефтегаз, Краснодарнефтегаз, Пурнефтегаз и др.

Все отмеченные выше результаты исследований составляют научную новизну диссертационной работы.

Полученные результаты исследовательских работ публиковались в отечественной и зарубежной научно-технической печати и докладывались на научно-практических отраслевых конференциях РФ и на международных симпозиумах.