Государственная Корпорация Ростехнологии ОАО «Нефтегазавтоматика» Доклад Докладчик: Генеральный директор ОАО «Нефтегазавтоматика» И.Ш. Сайфуллин Разработка волновых методов ликвидации пробок ретроградной жидкости, приводящих к повышению продуктивности газоконденсатных и нефтяных скважин.

Проблема При освоении газоконденсатных месторождений приходится иметь дело с продукцией, постоянно изменяющей свой состав. Это связано с явлениями ретроградной конденсации пластовой углеводородной смеси при снижении пластового давления. Высокомолекулярные углеводородные компоненты смеси после снижения давления в залежи ниже давления начала конденсации переходят в жидкую фазу, которая в силу низкой фазовой насыщенности (не более 1215% объема пор), меньше порога гидродинамической подвижности (40 60 %). 2

Проблема Поэтому в ходе эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений коэффициенты продуктивности скважин в подавляющем большинстве случаев значительно уменьшаются. Это вызывает не только целый комплекс проблем при их эксплуатации, но и значительные осложнения в управлении разработкой залежей и в конечном счете приводит к снижению технико-экономических показателей. Кроме того, уменьшение продуктивности газоконденсатных скважин зачастую является одной из основных причин их полной остановки и выбытия из эксплуатации. 3

Цель работы 1. Разработать комплексную математическую модель процесса фильтрации смеси углеводородов, включающая в себя, как гидродинамическую составляющую, описывающую процесс фильтрации двухфазной жидкости в пористой среде, так и термодинамическую, описывающую фазовые переходы и состав фаз в приближении термодинамического равновесия; 2. Создать экспериментальную установку для проверки адекватности математической модели. 4

Исходные допущения 5 1.Модельная смесь определялась исходя из следующих условий: наличие метана, как основного компонента, наличие достаточно широкой ретроградной области фазовой диаграммы для обеспечения заметного количества конденсата, не слишком высокие давления начала конденсации (до 15 МПа), реализуемый в эксперименте диапазон температур (от 300 до 400 К), доступность компонентов смеси. 2. Рассматривалась двухфазная двухкомпонентная система в изотермических условиях в предположении равенства давления в фазах. 3. Рассматривалась одномерная нестационарная фильтрация при условии фазового равновесия (т.е. характерные времена фазовых переходов существенно меньше гидродинамических времен); 4. Предполагалась химическая нейтральность компонент.

Инструментарий 6 1. Для анализа основных процессов, происходящих в пласте, использовались тройные диаграммы (фазовые диаграммы трехкомпонентных смесей), на которых многокомпонентная газоконденсатная система условно представляется набором из трех «псевдокомпонентов»: метан (С 1 ), этан, пропан и бутаны (С 2 –С 4 ) и пентан плюс вышекипящие (С 5 ). 2. Для расчета свойств углеводородной смеси в паровой и жидкой фазах использовалось обобщенное кубическое четырехкоэффициентное уравнение состояния Ван-дер-Ваальсового типа, разработанное специально для природных нефтегазоконденсатных смесей в случае давлений до 400 МПа и температур до 200 °С.

Конфигурация разработанной математической модели 7 1. Разработана численная схема решения уравнений гидродинамической модели совместно с термодинамическими расчетами, позволяющая использовать метод сквозного счета без явного выделения разрывов функции насыщенности; 2. Разработан программный комплекс для моделирования процессов фильтрации смеси углеводородов в пористых средах; 3. Уравнения фильтрации при исходных допущениях в одномерном случае представляют собой уравнения баланса массы для каждой компоненты, записанные в дивергентной форме относительно массовых плотностей; 4. Уравнения сохранения импульса имеют вид закона Дарси.

Результаты расчетов процессов фильтрации на основе математической модели 8 1. Проведены расчеты фазовых диаграмм для различных видов смесей: от двух- и трехкомпонентных (метан–н-бутан, метан–пропан, метан–пропан–н-бутан) до многокомпонентных, соответствующих реальным газоконденсатным месторождениям. Выявлено, что давление начала конденсации смесей ограничивается величинами 15–25МПа, фазовые диаграммы аналогичны: имеют ретроградную область, значительную область двухфазной смеси. Фазовые диаграммы смесей не имеют принципиальных различий, и любая реальная газоконденсатная система может быть описана в рамках трехкомпонентных смесей. 2. Проведены расчеты процесса фильтрации бинарной смеси углеводородов метан–н-бутан, показана возможность образования газоконденсатной пробки, как динамической, так и стационарной. Выявлено, что образование пробки и характер ее поведения существенным образом зависят от режима эксплуатации газоконденсатного месторождения (начальный этап – пластовое давление выше или близко к давлению начала конденсации или конечный этап – пластовое давление существенно ниже давления начала конденсации).

Основные выводы на основе математического моделирования 9 Результаты математического моделирования показали возможность существования автоколебаний (расход жидкой и газовых фаз имеют периодический характер). Определены частоты собственных колебаний расходов для экспериментальной установки и модельной смеси метан–н-бутан (период колебаний от 20 до 40 сек). Рис. 1 – Зависимость частоты собственных Рис. 2 – Зависимость расхода жидкой фазы колебаний от перепала давления на участке на выходе из участка (Х=L) смеси метан-н-бутан

Основные выводы на основе математического моделирования 10 Показано, что автоколебания характерны и для другой смеси углеводородов (метан–пропан). Проведено моделирование для различных начальных и граничных условий, получены зависимости частоты колебаний от перепада давления на участке. Рис. 3 – Зависимость расхода газовой и жидкой фазы на выходе из участка (x=L) смеси метан–пропан

11 Физическое моделирование Блок –схема стенда «Пласт» Экспериментальный участок - 1, предназначенный для термостатирования спериментального участка нагреватель 2, тензодатчики 3 и термопары 4 служат для измерения распределения давления и температуры по длине модели, датчики давления 5, краны 6, расходомер 7, редуктор 8 являются элементами запорно- регулирующей системы стенда, разделительный цилиндр 9, насос–дозатор 10, кран 11 с электроприводом обеспечивают необходимое давление в экспериментальном участке, детонационная камера сгорания 12 служит для генерации ударных волн в исследуемом флюиде, измерение расхода исследуемого флюида производится газовым счетчиком 13 и расходомером 14, генератор высокого давления 15 обеспечивает регулируемый по времени и амплитуде перепад давления на экспериментальном участке. Рис. 4 Блок –схема стенда «Пласт»

Физическое моделирование На стенде была реализована система визуализации, сбора и хранения информации, использующая разработанную программу контроля и управления экспериментом в режиме реального времени. Были проведены эксперименты по физическому моделированию закономерностей фильтрации углеводородов на метан-пропан и метан-пропан- бутановых смесях на экспериментальном стенде при термобарических условиях реальных пластов. Были проведены серии экспериментов по образованию газоконденсатной пробки при течении двухфазной смеси метан-н-бутан и по разрушению пробки при волновом воздействии. Смесь, содержащая 75% об. метана, при температуре 286 К фильтровалась через экспериментальный участок. В начальной стадии эксперимента давление в экспериментальном участке составляло 120 атм. Результаты экспериментов подтвердили возможность существования автоколебаний с периодом колебаний 40-60сек. 12

Физическое моделирование процесса фильтрации трехкомпонентной смеси 13 Были проведены эксперименты по фильтрации трехкомпонентной смеси с целью установления характерных расходов и времен образования газоконденсатной пробки для метан-пропан-бутановых смесей (80% метан, 15% пропан, 5% бутан). Результаты экспериментов также показали возможность существования автоколебаний с периодом колебаний сек. Волновое воздействие с периодом 20сек привело к увеличению расхода на 220%. Рис. 5 – Фильтрация трехкомпонентной смеси Рис. 6 – Зависимость относительного расхода от периода внешнего воздействия

Благодарю за внимание !