Способ регулирования темпа повышения давления закачки воды в карбонатные коллекторы Российский патент 2024 года по МПК E21B43/20 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для повышения эффективности процесса заводнения продуктивных пластов и предотвращения прорыва их кровли и подошвы при закачке воды в нагнетательные скважины в карбонатных коллекторах.

Заводнение продуктивных пластов путем закачки воды в нагнетательные скважины с целью поддержания величины пластового давления на оптимальном уровне и вытеснения нефти из пластов к добывающим скважинам является известной и широко применяемой технологией при разработке нефтяных месторождений (Гиматудинов Ш.К., Дунюшкин И.И., Зайцев В.М., Коротаев Ю.П., Левыкин Е.В., Сахарова В.А. Разработка и эксплуатация нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. Учеб. для вузов. М.: Недра, 1988. - 302с.). При этом заводнение карбонатных коллекторов осложняется их бипористой структурой - наличием в породе низкопроницаемых блоков и системы высокопроницаемых трещин. С одной стороны, существование в породе высокопроницаемой системы трещин облегчает процесс закачки воды в продуктивные пласты, с другой стороны, наличие вертикальных трещин в пластах приводит к ускоренному оседанию закачиваемой воды в нижнюю часть пластов и быстрому обводнению добывающих скважин водой, преимущественно движущейся по обводненной нижней части пластов и, как следствие, неэффективно вытесняющей нефть из их нефтенасыщенной части (Майдебор В.Н. Особенности разработки нефтяных месторождений с трещиноватыми коллекторами.- М.: Недра, 1980. - 288 с. Ахметгареев, В.В., Бакиров А.И. Анализ эффективности и оптимизация параметров заводнения при разработке карбонатных коллекторов месторождений Татарстана //Нефтяное хозяйство. - 2013. - № 7. - с. 28-29; Бакиров А.И. Технологии разработки карбонатных коллекторов на основе заводнения//Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2017. - № 10. - с. 27-31).

Наиболее близким к заявляемому является способ повышения эффективности процесса заводнения карбонатных коллекторов путем регулирования величины давления закачки воды с учетом сжимающего воздействия на трещины бокового горного давления, согласно которому оптимальная величина давления закачки должна находиться в некотором оптимальном интервале значений, определяемым величиной бокового горного давления и обеспечивающим наиболее рациональную величину раскрытия трещин в пласте (Иктисанов В.А., Смотриков Н.А., Байгушев А.В., Мусабирова Н.Х., Билалов М.Х., Аленькин Д.А. Предельно допустимые давления в нагнетательных скважинах при разработке карбонатных отложений//Нефтяное хозяйство.-2022.-№1.-с.70-73). При этом интервал значений, в котором должна находиться величина давления закачки воды, определяется эмпирическим путем для каждого месторождения и обеспечивает, во-первых, предотвращение развития процесса преждевременного обводнения добывающих скважин и, во-вторых, предотвращает развитие процесса прорыва кровли и подошвы продуктивного пласта из-за роста вертикальных трещин, обусловленного их избыточным раскрытием, и потерю закачиваемой в коллектор воды из-за ее ухода в соседние проницаемые пласты.

Недостатком указанного способа является то, что в этом способе не учитывается то обстоятельство, что на величину раскрытия вертикальных трещин влияет не только соотношение величин давления закачки воды в нагнетательную скважину и бокового горного давления, но также и существенная на начальной стадии закачки воды разница порового давления внутри низкопроницаемых блоков породы и давления в системе окружающих их трещин. Действительно, на начальной стадии закачки воды гидродинамическое давление в высокопроницаемой системе трещин значительно превышает поровое давление внутри низкопроницаемых блоков породы и под действием этого перепада давлений происходит временное сжатие блоков и, соответственно, увеличение зазора между этими блоками, то есть, увеличение степени раскрытости трещинной системы. Действие этого фактора увеличивает вероятность прорыва вертикальных трещин в кровлю и подошву продуктивного пласта в призабойной зоне нагнетательной скважины и, соответственно, увеличивается вероятность негативных последствий такого прорыва.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является уменьшение вероятности прорыва кровли и подошвы карбонатных коллекторов на начальной стадии закачки воды в нагнетательные скважины.

Техническая задача решается способом, согласно которому величина давления закачки воды в нагнетательные скважины карбонатных коллекторов повышается поэтапно, с длительностью каждого этапа, превышающей время выравнивания величин порового давления внутри блоков породы и давления в трещинах, окружающих эти блоки. Характерное время выравнивания величин указанных давлений определяется по результатам гидродинамических исследований скважин на данном месторождении.

Новым является то, что в данном способе учитываются не только физико-механические процессы в карбонатном коллекторе, обусловленные взаимным влиянием величины давления закачки воды в нагнетательную скважину и величины бокового горного давления на состояние трещинной системы пласта, но и физико-механические процессы, обусловленные временным сжатием блоков породы карбонатного коллектора на начальной стадии закачки воды в нагнетательные скважины и увеличивающие величину раскрытости системы трещин в призабойной зоне скважины.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При анализе влияния темпа увеличения давления закачки воды в нагнетательную скважину на напряженно-деформированное состояние трещиновато-пористой среды в ее приствольной зоне необходимо учитывать то обстоятельство, что по причине высокой фильтрационной проводимости трещинной системы импульс давления распространяется по ней значительно быстрее. чем этот импульс распространяется по низкопроницаемому блоку породы. Это подтверждается данными гидродинамических исследований скважин в трещиновато-пористых коллекторах и результатами математического моделирования фильтрационных процессов в таких коллекторах (Голф-Рахт Т.Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов. — М.: Недра, 1986.- 608с.; Свалов А.М. Особенности кривых притока и восстановления давления в трешиновато-пористых коллекторах//Инженерно-физический журнал, 2021.-т.94.-№2.- с.377-383). согласно которым при закачке жидкости в продуктивный пласт с постоянным расходом на кривых изменения давления в стволе скважины существуют две характерные точки. Т’ и Т (фигура), разделяющие качественно разные этапы распространения фильтрационного возмущения по трещиновато-пористой среде. На приводимой фигуре приведена тиничная для трещиновато-пористых сред зависимость давления закачки Р от логарифма времени Ln t при закачке воды с постоянным расходом в трещиновато-пористую среду. характеризующаяся тем, что при t < T’ и t > Т зависимость функции P(t) от логарифма времени практически линейна.

Такая особенность зависимости давления закачки от времени объясняется тем, что до момента времени, соответствующего первой характерной точке T’ нa кривой P(Ln t), фильтрационный импульс распространяется, в основном, только по высокопроницаемой системе трещин. слабо взаимодействуя с низкопроницаемыми блоками породы и практически постоянный угол наклона кривой P(Ln t) к оси Ln t определяется только фильтрационными параметрами системы трещин. Заметное влияние взаимодействия системы трещин с блоками (матрицей) породы на вид кривой давления происходит при времени, превышающем время, соответствующее первой характерной точке Т’. В интервале времени между первой Т’ и второй Т характерными точками развивается процесс существенного фильтрационного взаимодействия между системой трещин и блоками породы и при времени. превышающем второе характерное значение Т, происходит практическое выравнивание давления жидкости в системе трещин и в поровом пространстве блоков породы. При t > Т зависимость P(Ln t) опять становится практически линейной с углом наклона к оси Ln t, определяемым уже интегральными фильтрационными параметрами системы трещин и блоков породы. Значение параметра Т зависит от размеров блоков породы. их фильтрационных характеристик, вязкости пластовых флюидов и т.д. и может достигать нескольких часов и более.

Таким образом. при анализе фильтрационных процессов, развивающихся в трещиновато-пористых средах, длительность периода. после которого происходит практическое выравнивание величин давления пластового флюида в трещинах и в блоках породы, может быть принята равной величине Т, соответствующей второй характерной точке на кривых давления, получаемых при гидродинамических исследованиях скважин в карбонатных коллекторах (см. фигуру).

Для количественной оценки напряженно-деформированного состояния трещиновато-пористой среды в приствольной зоне скважины в начальный период времени t процесса закачки воды в нагнетательную скважину (t << Т), обусловленного механическим взаимодействием системы трещин и блоков породы, была исследована модельная задача упругого сжатия единичного насыщенного блока пористой среды при давлении в окружающих его трещинах, равном Р_c, и поровом давлении, равном Р_m, внутри этого блока породы.

В рамках концепции эффективных напряжений, широко используемой в нефтегазовой механике, согласно которой блок насыщенной пористой породы упругим образом деформируется под воздействием эффективного напряжения, равного разности давлений Р_c – P_m [Па], его объемная деформация Δ [безразм.], равная сумме деформаций сжатия по трем координатным осям, будет определяться соотношением (Седов Л.И. Механика сплошной среды, т 2. - М., Наука, 1970.-568с.; Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука,1966.- 708с.)

где параметрами Е_r [Пa] и ν_r [безразм.] обозначены модуль Юнга породы и ee коэффициент Пуассона.

Для пород-коллекторов нефти и газа величина их деформации при сжатии определяется, в основном, степенью сжатия их порового пространства, откуда следует, что величина давления Py, в жидкости, насыщающей блок, при его сжатии увеличивается и при условии линейной связи прироста давления в жидкости и прироста ee плотности будет описываться соотношением

где параметром Е_f [Па] обозначен модуль объемного сжатия пластовой жидкости, а параметром m [безразм.] — величина пористости блока породы.

Из приведенного соотношения следует формула, связывающая поровое давление Р_m внутри блока породы при его упругом сжатии под действием давления Р_c в окружающих его трещинах

из которой следует, что величина эффективного напряжения Р_c – Р_m, под воздействием которого происходит сжатие блока породы, будет определяться формулой вида

При характерных значениях определяющих параметров для матрицы карбонатных коллекторов m ~ 0.1, Е_f/Е_r, ~ 0.1, ν_r ~ 0.1-0.3, последней формуле можно придать вид

Таким образом, на начальной стадии нагнетания воды в скважину при давлении нагнетания Р_c ~ 15-20 МПа в приствольной зоне скважины величина эффективного напряжения, сжимающего блоки трещиновато-пористой породы и тем самым увеличивающего степень раскрытия трещин, будет достигать 5-8 МПа. Это означает, что на такую же величину будет фактически снижаться эффективная величина сжимающего воздействия бокового горного давления на берега вертикальных трещин в пласте. Из теории упругости известно, что на концах трещин происходит концентрация напряжений, величина которых теоретически описывается зависимостью вида ~ 1/r^0.5, где г - радиус, отсчитываемый от конца трещины. Отсюда следует, что даже если принять во внимание, что реальная горная порода при высоких значениях напряжений проявляет свойства пластичности, понижающие экстремально высокие значения напряжений на концах трещин, необходимо учитывать, что при разгрузке берегов трещин существует фактор высокой концентрации напряжений на концах этих трещин. Таким образом, на начальной стадии закачки воды в скважины кроме растягивающих напряжений, обусловленных действием высокого гидродинамического давления в стволе и в призабойной зоне нагнетательной скважины, из-за разницы давлений в трещинах и блоках породы в начальный период времени (t << Т) на концах вертикальных трещин в приствольной зоне нагнетательной скважины будет происходить дополнительная концентрация растягивающих напряжений, величина которых будет превышать указанные выше 5-8 МПа. Действие этого фактора, очевидно, увеличивает вероятность прорастания этих трещин в кровлю (подошву) продуктивного пласта.

Вместе с тем, как следует из вышеизложенного, при времени t превышающем характерное время Т выравнивания давлений в трещинах и блоках породы, фактор разгрузки берегов трещины от сжимающих напряжений практически перестает действовать. Это означает, что если рост давления нагнетания при закачке воды будет достаточно медленным, то есть, характерное время процесса повышения давления нагнетания воды в скважину будет превышать величину Т, то вероятность прорастания вертикальных трещин в приствольной зоне скважины в кровлю пласта, обусловленного действием описанного механизма, будет существенно снижена.

Технологически такое регулирование скорости (темпа) роста давления закачки наиболее просто реализовать, если повышение давления закачки до максимального значения производить ступенчато, то есть, в несколько этапов, поддерживая величину давления закачки на каждом этапе постоянной. При этом длительность каждого этапа должна превышать время Т выравнивания давления в трещинном и поровом пространстве ‘породы и в этом случае перепад давления в трещинах и блоках породы, приводящий к дополнительному раскрытию трещин, будет определяться только разностью величин давления закачки на данном этапе и предыдущем. Отсюда следует, что чем на большее число этапов будет разделен период повышения давления закачки, то есть, чем меньше будет величина скачка давления на каждом этапе в сравнении с предшествующим, тем меньший перепад давления будет обусловливать дополнительное раскрытие трещин и, соответственно, тем меньше будет вероятность прорастания трещин в кровлю и подошву пласта.

На основании вышеизложенного способ регулирования темпа повышения давления закачки воды в нагнетательные скважины в карбонатных коллекторах описывается следующим образом.

Способ регулирования темпа повышения давления закачки воды в карбонатные коллектора, включающий закачку воды в нагнетательные скважины, регулирование величины давления закачки, отличающийся тем, что повышение величины давления закачки производят, по меньшей мере, в два этапа, на каждом из которых величину давления закачки поддерживают постоянной, причем продолжительность каждого из этапов выбирают превышающей время выравнивания давлений в блоках и в трещинном пространстве породы, определяемое по результатам гидродинамических исследований скважин на данном месторождении.

Пример применения предлагаемого способа.

По данным гидродинамических исследований скважин на данном месторождении определяют время Т выравнивания давлений в трещинном пространстве и в блоках породы в карбонатном коллекторе нефти. Начальный период закачки воды в нагнетательные скважины разделяют на два этапа ступенчатого повышения давления до величины, считающейся по промысловым данным оптимальной для наиболее эффективного заводнения данного коллектора нефти и равной, для определенности, 16 МПа. При этом на первом этапе закачки величину давления закачки поддерживают постоянной и равной 8 МПа и этот этап продолжается до момента времени, превышающего время Т выравнивания давлений в блоках породы и в системе трещин. На втором этапе величину давления закачки воды повышают до значения 16 МПа, при котором и производят дальнейшую закачку воды в нагнетательные скважины. Таким образом, при двухэтапном (ступенчатом) повышении давления закачки в сравнении со стандартным однократным повышением давления закачки сразу до 16 МПа максимальный перепад давления между трещинным и поровым пространством породы, приводящий к дополнительному раскрытию трещин, будет снижен в два раза.

Применение предлагаемого способа позволит уменьшить негативные последствия, обусловленные прорывом кровли и подошвы продуктивного пласта в начальный период закачки воды в нагнетательные скважины в карбонатных коллекторах нефти.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для повышения эффективности процесса заводнения продуктивных пластов и предотвращения прорыва их кровли и подошвы при закачке воды в нагнетательные скважины в карбонатных коллекторах. Техническим результатом является уменьшение вероятности прорыва кровли и подошвы карбонатных коллекторов на начальной стадии закачки воды в нагнетательные скважины. Заявлен cпособ регулирования темпа повышения давления закачки воды в карбонатные коллекторы, включающий закачку воды в нагнетательные скважины и регулирование величины давления закачки. При этом повышение величины давления закачки производят по меньшей мере в два этапа, на каждом из которых величину давления закачки поддерживают постоянной. Причем продолжительность каждого из этапов выбирают превышающей время выравнивания давлений в блоках и в трещинном пространстве породы, определяемое по результатам гидродинамических исследований скважин на данном месторождении. 1 ил.

Способ регулирования темпа повышения давления закачки воды в карбонатные коллекторы, включающий закачку воды в нагнетательные скважины, регулирование величины давления закачки, отличающийся тем, что повышение величины давления закачки производят по меньшей мере в два этапа, на каждом из которых величину давления закачки поддерживают постоянной, причем продолжительность каждого из этапов выбирают превышающей время выравнивания давлений в блоках и в трещинном пространстве породы, определяемое по результатам гидродинамических исследований скважин на данном месторождении.