Тер-Саркисов P.M. Разработка месторождений природных газов

Подождите немного. Документ загружается.

образного агента с той же целью должно быть направлено не просто на

вытеснение газовой фазы, а на вовлечение в процесс фильтрации и извле-

чение из пласта части жидкой углеводородной фазы. В этом

случае

очевид-

ны

преимущества газообразного агента. В качестве нагнетаемого агента

можно использовать такие доступные в промысловых условиях газы, как

метан (газ сепарации конденсата), азот, двуокись

углерода,

сероводород.

Если

сопоставить чистые газы по константам фазового равновесия в рас-

сматриваемых термобарических условиях, то предпочтение

следует

отдать

метану. В табл. 2.17 приведены значения констант фазового равновесия

газов в диапазоне давлений схождения систем от 14 до 70 МПа. Наиболее

подходящими для испарения в них конденсата являются такие газы,

как

метан и двуокись

углерода.

Азот

(рис. 2.54) имеет неприемлемо высо-

кие

(слабое испарение жидкости), а сероводород неприемлемо низкие

(сильная

растворимость газа в жидкости) значения констант фазового рав-

новесия.

Поскольку

использование двуокиси

углерода

в качестве нагнетаемого

пласт агента сопряжено с необходимостью осуществления дорогостоя-

щих мероприятий по защите оборудования от коррозии, то в общем слу-

чае более предпочтительно, очевидно, воздействие с использованием мета-

на.

Таблица

2.17

Константы

фазового

равновесия

газов

условиях

истощенного

газоконденсатного

пласта

Давление,

МПа

3,4

4,1

4,8

5,5

3,4

4,1

4,8

5,5

3,4

4,1

4,8

5,5

3,4

4,1

4,8

5,5

Темпера-

тура,

°С

37,8

Давление схождения,

МПа

13,7

—

5,4

—

3,7

20,6

27,5

' 34,3

Азот

26,9

—

17,8

16,3

13,2

Метан

—

4,4

—

4,8

4,5

5,6

5,4

4,5

4,2

4,4

Двуокись

углерода

—

3,4

2,8

2,4

2,2

2,7

—

Сероводород

—

1,1

0,95

0,84

0,82

1,1

—

68,8

—

17,5

18,8

6,9

5,0

5,5

—

181

10 р, МПа

100

200 М,

г/моль

Рис.

2.54. Зависимость констант фазового Рис. 2.55. Отношение К констант фазового

равновесия метана (/) и азота (2) от давле- равновесия алканов при 62 и 20 °С в пласте с

ния для гаэоконденсатных

смесей

с давле-

давлениями

5 и 25 МПа как функция моляр-

нием

схождения 343 МПа при

температуре

нием

схождения 34,3 МПа при

температуре

нои массы

давлением

схождения 34,3 МПа

га3

оконденсатных

смесей

Использование

сухого углеводородного газа, например перекачиваемо-

го по магистральному газопроводу "Сияние Севера" тюменского газа,

имевшего следующий состав на апрель 1988 г.:

Компоненты

Азот

С, С

иэо-С

н-С, С

Сумма

Содержание

(до-

ли),

мольные

3,483

86,813

6,409

2,208

0,298

0,527

0,261 0 100

массовые

5,256

75,057

10,483

5,431

0,967

1,721 1,085 0 100,

качестве нагнетаемого агента с целью испарения в него пластовых жид-

ких углеводородов и последующего извлечения из пласта, очевидно, могло

дать несколько худшие результаты, нежели чистый метан. Однако по со-

вокупности преимуществ (невысокая стоимость, отсутствие необходимости

организации

производства по выделению чистого метана) этому газу во

многих случаях можно отдать предпочтение. Следует отметить, что при

типичных температурах газоконденсатных пластов, порядка

60—100

°С,

испаряемость фракции С

в газовую фазу

будет

существенно значитель-

ней,

чем при стандартной температуре 20 °С (рис. 2.55). Особенности про-

цесса нормального испарения жидкой углеводородной фазы в условиях ис-

тощенного газоконденсатного пласта, в частности такая сторона процесса,

как

селективность при вытеснении равновесной пластовой газовой фазы

нагнетаемым газообразным агентом, требовали экспериментального и ана-

литического исследования. Представляло научный и практический интерес

установление зависимости между объемами закачанного агента и интен-

сивностью испарения конденсата и образующих его компонентов, опреде-

ляющей компонентоотдачу пласта при воздействии на него.

2.5.2

Исследование компонентоотдачи пласта

При

исследовании процесса вытеснения равновесной пластовой газовой

фазы сухим газом

качестве модели газоконденсатной смеси использовали

многокомпонентную смесь алкановых углеводородов (табл. 2.18), близкую

по

своим термодинамическим

физико-химическим параметрам

пласто-

вой смеси исходного состава Вуктыльского

НГКМ,

также аналогичные

смеси, моделирующие газоконденсатные системы

других

месторождений.

Эксперименты выполняли

сосудах PVT-соотношений

и на

физичес-

ких моделях пласта. Максимальный рабочий объем сосуда

600 см

параме-

тры использовавшихся моделей пласта приведены

табл.

2.19.

Таблица 2.18

Состав

модели

пластового

газа

(мольные

доли,

исходного

состава

равновесных

фаз при

истощении

системы

Компоненты,

параметры

с,

Сз

изо-С.

н-С,

с,

с„

С5+

, г/моль

КГФ,

г/м

р'

МПа

S", %

Давление,

МПа

79,10

8,80

3,90

0,60

1,20

1,05

1,26

1,84

1,15

0,64

0,46

100

6,4

115

327

30,3

'При

температуре 62 °С.

"Насыщенность

системы

5,0

газовая

фаза

83.18

9,56

4,06

0,48

1,10

0,63

0,50

0,40

0,07

0,0052

0,0001

100

1,6

86,6

58,5

жидкая

фаза

16,23

6,45

6,85

1,96

4,35

5,92

10,32

18,07

14,01

8,90

6,94

100

64,16

11,4

3,5

газовая

фаза

81,57

10,06

4,61

0,68

1,21

0,77

0,58

0,45

0,07

0,0044

0,0001

100

1,86

85,5

67,5

жидкой

фазы

(выпавшим

конденсатом).

2,0

газовая

фаза

78,85

10,73

5,49

0,80

1,66

1,03

0,78

0,57

0,08

0,0046

0,0001

100

2,46

85,2

89,4

10,5

Таблица 2.19

Параметры

основных

моделей

пласта

Параметр

Длина рабочая, см

Диаметр рабочий, см

Объем пор, см

Пористость

Проницаемость,

10"

Максимальное

рабочее

давление,

МПа

Максимальная

рабочая

температура,

°С

Модель

КД-2

98,3

4,42

390

0,284

КД-5

500

2,60

590

0,222

14,0

КД-20

2000

2,85

3400

0,260

30,6

183

Принципиальная

схема экспериментальной установки представлена на

рис.

2.56. Коммуникация запорной арматуры позволяет, используя

прин-

ципиальную

схему,

видоизменять эту

схему

в зависимости от конкретных

задач эксперимента: можно эксплуатировать только какую-либо одну мо-

дель пласта из имеющегося набора, заменять основные модели на

другие

необходимыми параметрами или же отключать все модели пласта для про-

ведения эксперимента с использованием

сосуда

PVT-соотношений. Важ-

нейшим

элементом схемы экспериментальной установки является БОТАН,

обеспечивающий возможность оперативного контроля состава углеводо-

родной продукции модели пласта или

сосуда

PVT-соотношений.

ходе

подготовки и проведения эксперимента с газоконденсатной

смесью применялись разработанные при участии автора оригинальные

элементы методики, повышающие точность исследований, например:

калибровка загрузочного пресса ИП-6 с оценкой периода релаксации

упругих

деталей

узла;

поправка

на испаряемость индивидуальных углеводородов в соответст-

вии

с их молекулярной массой в процессе приготовления фракции С

ве-

совым способом;

выполнение

загрузки газообразных углеводородов (метана) с буфер-

ным

давлением (42 МПа), при котором температура газа не оказывает вли-

яния

на коэффициент сжимаемости, и т.д.

В исследованиях использовались как газоконденсатные смеси исходно-

го состава — выше давления начала конденсации, так и равновесные газо-

вые и жидкая фазы, состав которых соответствует условиям истощенной

до определенной стадии системы. Приготовление смеси и равновесных фаз

осуществлялось, как правило, в

сосуде

PVT-соотношений, причем парамет-

ры приготовленных углеводородных смесей контролировали путем опреде-

ления

давления начала конденсации, зависимости коэффициента сжимае-

мости и содержания жидкой фазы от давления, а также с помощью хро-

матографического анализа состава.

Подготовку модели пласта к эксперименту выполняли таким образом,

чтобы в зависимости от поставленной задачи, связанной с разработкой

основ

воздействия на газоконденсатный пласт для повышения компонен-

Рис.

2.56.

Схема

экспериментальной

установки:

— пресс ИП-6; 2 — вентиль; 3 — пробоотборник; 4 — баллон с метаном; 5 — манометр

образцовый; 6 —

сосуд

PVT-8; 7 — модели пласта; 8 — хроматограф (БОТАН); 9 — счетчик

газовый; 10 — сепаратор.

184

тоотдачи, располагать моделью газового или газоконденсатного пласта с

заданной

насыщенностью жидкой углеводородной фазой при заданных

составе газовой фазы и термобарических условиях системы. Специальные

исследования, выполненные с методической целью, показали, что для полу-

чения

практически равновесной системы "пористая среда — газоконден-

сатная смесь" необходимо при изотермобарическом замещении буферного

газа (азота, метана) прокачать через модель не менее 10—12 объемов пор

смеси заданного состава. Это требование соблюдали во

всех

соответству-

ющих экспериментах.

Для исследования влияния содержания и типа жидкой углеводородной

(в

том числе сорбированной) фазы на массообменные процессы при вы-

теснении

одного газа другим подготовку модели пористой среды осуществ-

ляли

по соответствующей предварительно отработанной методике. В каче-

стве натурных прототипов рассматривались при этом зоны и участки неф-

тегазоконденсатных, газоконденсатных и газовых пластов, содержащие

различное количество углеводородной жидкости — от 50 —60 % (зоны

вблизи ГНК) до 10—15 % (купольные зоны), а также сорбированные

угле-

водороды в количестве до нескольких процентов объема пор. Насыщенно-

сти порядка 50 % объема пор создавали путем вытеснения из пористой

среды равновесной жидкой фазы равновесной газовой фазой или метаном,

насыщенности

в 10—15 % объема пор — путем истощения газоконденсат-

ной

системы с ретроградной конденсацией фракции С

. Сорбированную

фазу формировали вытеснением чистого метана газообразной смесью со-

ответствующего состава с контролем состава системы в пористой среде по

балансу количеств поданной и вытесненной смеси, пользуясь данными из-

менения

состава продукции. Для управления исходным объемом сорбиро-

ванной

фазы в каждом конкретном эксперименте пользовались зависимос-

тью

между

объемом прокачанного

сухого

газа (метана) и компонентоотда-

чей образца пористой среды, выделяя расчетным путем вклад сорбирован-

ной

фазы. Такого рода методика создания модели газового пласта с задан-

ным

количеством сорбированного вещества может успешно использовать-

ся

только при укомплектованности экспериментальной установки БОТА-

Ном,

позволяющим резко повысить точность хроматографического анали-

за состава многокомпонентных углеводородных смесей.

Процессы

фильтрации и взаимовытеснения флюидов на физических

моделях пласта осуществляли с соблюдением принципов приближенного

моделирования [49]. Аналогично фильтрации взаиморастворимых жидкос-

тей вытеснение газа газом включает следующие элементарные процес-

сы:

фильтрационное

движение вытесняемого (перед фронтом) и вытесня-

ющего (за фронтом) газов, в процессе которого происходит закономерное

увеличение зоны смеси;

истинное

внутрипоровое течение;

действие капиллярных сил на границе раздела фильтрующихся газов и

неподвижного выпавшего конденсата;

диффузия

компонентов внутри жидкой фазы (конденсата), испарение

компонентов

газовую

фазу, диффузия испарившихся из жидкой фазы

компонентов

внутри газовой фазы.

Для подобного комплекса процессов, исходя из уравнений элементар-

ных процессов и использованных в них физических параметров, вывели

систему условий подобия модели и натуры:

185

w]iL

Л =

(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

где w — скорость фильтрации; ц — вязкость

газа;

L — длина; к — прони-

цаемость; р — давление; t — время; р — плотность; Р* — объемный ко-

эффициент; о —

поверхностное

натяжение; Ц, — коэффициент

молеку-

лярной диффузии.

Кроме

того,

при моделировании

требуется

соблюдение

равенства

ряда

безразмерных

характеристик:

(p)U=

\SAP)\™,

(2.39)

lA>r(*)U=

lArWl-n-

(2.40)

) I

M0A

= I D^S» k)

„•

(2.41)

k(p)L

(2.42)

д = 1Мг/Цк1н.т. (2.43)

где S

— насыщенность пористой среды конденсатом; z

— коэффициент

сжимаемости газа.

Моделирование ограниченной по толщине части пласта-коллектора да-

ет возможность опустить условие соблюдения значения параметра я

. Бли-

зость свойств модельных и натурных газоконденсатных смесей позволяет

не

включать в перечень рассчитываемых и параметр Лр.

В экспериментах, осуществляемых не с целью конкретного проекти-

рования,

а при разработке метода воздействия на пласт, нет необходимос-

ти строгого соблюдения условий подобия модели конкретной натурной за-

лежи. Следует лишь обеспечить такие значения основных из перечислен-

ных критериев подобия, которые являются типичными для рассматривае-

мого класса натурных объектов (газоконденсатных пластов). Это требова-

ние

может быть выполнено, если использовать близкие по свойствам к

натурным флюиды и физические модели пласта длиной в несколько десят-

ков

метров с возможно меньшей проницаемостью пористой среды. От-

дельные "элементарные" процессы возможно исследовать на относительно

небольших по длине моделях. Набор физических моделей пласта, которым

186

располагали экспериментаторы, позволил провести исследования с со-

блюдением, когда это требовалось, рассмотренных принципов моделирова-

ния.

Например, удавалось поддерживать значения важнейшего параметра

= 10

. Это означало, что моделируется участок пласта, например, Вук-

тыльского месторождения протяженностью 100 м, т.е. заведомо представи-

тельный для объекта.

целью получения исходных экспериментальных данных для разработ-

ки

методов повышения компонентоотдачи путем прокачки недонасыщенно-

го газа осуществили более

двух

десятков экспериментов, большинство из ко-

торых — на физических моделях пласта с различными характеристиками.

Серия

предварительных экспериментов была проведена на модели ис-

тощенной

газоконденсатной залежи без пористой среды — в

сосуде

PVT-

соотношений.

Исследовалась зависимость компонентоотдачи от давления

истощения

и объема прокачанного

сухого

газа при изобарическом вытес-

нении

пластовой равновесной газовой фазы. В процессе каждого экспери-

мента производили последовательно изобарический выпуск части равно-

весной

газовой фазы и ввод

сухого

газа в эквивалентном объеме с после-

дующим тщательным перемешиванием содержимого

сосуда

PVT-co-

отношений

и отстоем. В процессе выпуска делали анализы состава отбира-

емого газа. На рис. 2.57 — 2.63 приведены основные результаты экспери-

ментов этой серии.

С„%

100

- 15

1 Г Г

- 10

- 5

К,

объем

пор

Рис.

2.57.

динамика

содержания

С, (1), С

[2), С, [3), С, [4] в

равновесной

газовой

фазе при

прокачке

сухого

газа

(метана)

через

истощенный

до

давления

сосуд

PVT-соотношений

при

Т=

02 "С:

/, 2, 3, 4 - р = 5 МПа; Г, 2\ 3', 4' - р = 3,5 МПа; /", 2", 3", 4" - р = 2 МПа

187

М,

5Ч

[

Cs+

Л. 1

г/моль

100

50-

700

2-4»%

Г/МОЛЬ

-100

50 -

% г/моль

Добьем

пор

Рис.

2.58. Динамика извлечения фракций С

С^

при

прокачке сухого газа (метана)

при Т

62 °С

через вуктыльский пласт, истощенный

до 5

МПа (а),

3,5

МПа

(б) и 2

МПа

(в)

Добьем

пор

Рис. 2.59.

Динамика

извлечения

жидкой

(нестабильной)

фазы при

изобарической

прокачке

сухого

газа (метана)

через

истощенный

до

давления

сосуд

PVT-соотношений,

Г= 62 "С:

— р = 5 МПа; 2 — р = 3,5 МПа; 3 — р = 2 МПа; пунктиром обозначено содержание в

системе жидкой фазы; сплошными линиями — коэффициент извлечения жидкой фазы за

счет испарения

12 3

К,

объем пор

Рис. 2.60.

Кривые

выхода

фракции

составе

газовой

фазы при

вытеснении

сухим

газом

(метаном)

равновесной

пластовой

газо-

вой фазы

истощенного

до

давления

р вук-

тыльского

пласта

(эксперименты

на

сосуде

PVT-соотношений,

Т= 62 °С):

1 - р = 5 МПа; 2 - р = 3,5 МПа; 3 - р =

2 МПа

М,

г/моль

150

100

5 объемов

пор

1 объем

пор

5 объемов

пор

1 объем

пор

12 3 4 5 /», МПа

Рис. 2.61. График

изменения

молярной

массы

фракций

и Cj» к

моменту

изобарической

прокачки

1 и 5

объемов

пор

сухого

газа

через

модель

истощенной

газоконденсатной

залежи

(сосуд

PVT-соотношений,

62 °С)

Приведенные графики позволяют получить представление о динамике

параметров продукции истощенной газоконденсатной залежи, разрабаты-

ваемой на режиме истощения до определенного давления, на которую за-

тем воздействуют путем прокачки недонасыщенного (по отношению к

фракции

) газа. В области давлений максимальной конденсации пласто-

вой смеси при давлениях примерно 5

—

6 МПа "продукция" сосуда PVT-

соотношений содержит минимальное количество фракции С

5+1

если сопос-

189

——-•^^

—*- 2

*"—" 1

•

i i i i

К,

объем

пор

Рис.

2.62.

Кривые выхода фракции

С^ в

составе

газовой фазы

при

прокачке сухого

газа

через истощенный пласт (сосуд

PVT-

соотношений, Г=

62 °С):

- р = 5

МПа;

2 - р = 3,5

МПа;

3 - р =

2МПа

2 3 4 5 р, МПа

Рис.

2.63.

График изменения коэффициента

извлечения жидкой углеводородной фазы

при

изобарической прокачке сухого газа (метана)

через истощенный

до

давления

5; 3,5; 2

МПа

(сосуд PVT-соотношений,

Г= 62 °С).

Штриховой

линией

дан

коэффициент

К в

пересчете

на

один объем

пор при р = 5

МПа

тавить процессы при 5, 3,5 и 2 МПа (см. рис.

2.62).

В то же время относи-

тельная испаряемость ранее выпавшего конденсата в прокачиваемый газ

существенно значительней, чем при меньших давлениях (см. рис.

2.59).

По

мере уменьшения давления, при котором производится прокачка газа, со-

держание фракции С

(пропана, бутанов, С

) в продукции увеличивается,

а метана и этана уменьшается (см. рис. 2.62,

2.57).

Примечательно, что количество промежуточных компонентов, этана,

пропана, бутанов, в совокупности не зависит практически от давления и

определяется только объемами

сухого

газа, который прокачан через сис-

тему

на данный момент времени (см. рис.

2.60).

Слабее, чем для С

5+)

зави-

сит от давления и молекулярная масса извлекаемой фракции промежуточ-

ных углеводородов (см. рис.

2.61).

Поскольку плотность извлекаемой из

сосуда

PVT-соотношений газовой смеси пропорциональна давлению, то

удельный коэффициент извлечения жидкой фазы на один объем пор про-

качанного газа при давлении 5 МПа существенно выше, чем при меньших

давлениях (см. рис.

2.63).

Полученные в

ходе

экспериментов на

сосуде

PVT-соотношений ре-

зультаты послужили основой для составления программы соответствующих

экспериментальных исследований с использованием физических моделей

пласта, содержащих пористую

среду.

Предусматривалось изучить особен-

ности процесса компонентоотдачи газоконденсатного пласта, истощенного

до давлений, соответствующих области максимальной конденсации смеси и

нормального испарения жидкой углеводородной фазы, при изобарическом

вытеснении равновесной газовой фазы недонасыщенным компонентами

газом. С целью изучения влияния количества жидкой углеводородной

фазы на

выход

индивидуальных углеводородов программа исследований

включала эксперименты на моделях пласта, различающихся содержанием

жидкости. Предусматривалось также исследовать влияние температуры на

динамику извлечения компонентов пластовой смеси. Значительное внима-

ние

предполагалось

уделить

определению зависимости длины переходной

196