ПРИЗНАЧЕННЯ, НАПРЯМКИ РОЗВИТКУ І КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ НАФТОВИЛУЧЕННЯ ПЛАСТІВ

Однією з основних умов раціональної розробки нафтових, газових та газоконденсатних родовищ є найбільш повне вилучення нафти з надр. Показником ступеня використання запасів нафти є коефіцієнт нафтовилучення. Різні сторони динаміки цього процесу можна виразити кількома частинними значеннями цього коефіцієнта, найбільш важливими з яких є поточний та кінцевий коефіцієнти нафтовилучення.

Підвищення нафтовіддачі пластів або ступеня вилучення нафти з надр найбільш актуальна і гостра проблема протягом всієї історії розвитку нафтової промисловості. Як фахівці нафтової промисловості, так і фахівці нафтової справи на кожному з етапів розвитку прагнули збільшувати нафтовіддачу пластів шляхом підвищення продуктивності свердловин, якості розкриття пластів, обробки присвердловинних зон, розміщення свердловин, штучної дії на пласти різними агентами та ін. За своїм призначенням та характером дії робочих агентів останні можна класифікувати як дію на нафту, що залишилась у пласті в макро- та мікромасштабі. У першому випадку мети досягають переважно завдяки зниженню в’язкості та збільшенню об’єму нафти, а також підвищенню в’язкості витісняючого агента. В іншому випадку досягають зниження міжфазного натягу на границі нафти і витісняючого агента, гідрофілізації колектора, підвищення фазової проникності для нафти та її зменшення для води.

Оскільки стан залишкової нафти і властивості нафти, води і газу в покладах з різними геолого-фізичними умовами різноманітні, то не може бути універсального методу підвищення нафтовилучення, який усунув би всі причини існування залишкової нафтонасиченості (розчленованість та переривчастість пластів, макронеоднорідність, високі в’язкість і міжфазний натяг на границі нафти і витісняючого агента, молекулярні сили, мікронеоднорідність).

Розвиток методів вилучення нафти з надр, як і будь-якого іншого технологічного процесу, відбувається в двох напрямках: горизонтальному і вертикальному. Рух технологічного процесу в горизонтальному напрямку відбувається за рахунок його вдосконалень, що підвищують ефективність або покращують економічні показники, але не змінюють основи механізму процесу. Розвиток технології в горизонтальному напрямку відбувається на основі аналізу досвіду досягнутих результатів протягом всього періоду застосування: від нововведення до інженерної практики, коли вже виникає необхідність переходу до якісно нової технології. Спеціальних теоретичних і пошукових досліджень для цього не вимагається. Прикладом тут може служити штучне заводнення пластів.

Та науково-технічний прогрес будь-якої галузі, в тому числі і видобування нафти, визначається рухом технології у вертикальному напрямку, який характеризується переходом технології на якісно нову ступінь, що відрізняється механізмом процесу.

Під час розробки нафтових родовищ новими методами підвищення нафтовіддачі в пластах відбуваються дуже склад-ні процеси і явища: адсорбція та десорбція хімічних реагентів, руйнування структури розчинів і складних молекул, фазові переходи, масоперенесення, дифузія, дистиляція та окислення нафти, кондуктивне і конвективне перенесення тепла, хімічні реакції та перетворення речовин, відкладання солей, інверсія змочуваності, капілярні процеси та поверхневі явища, дисоціація порід, гравітація і ряд інших, які поки що недостатньо вивчені і вимагають спеціальних фундаментальних досліджень. Ці процеси і явища визначають особливості механізму вилучення нафти та ефективність показників, що досягаються методами підвищення нафтовіддачі.

Серед методів, що характеризуються складнішими і якісно більш ефективними процесами, ніж заводнення, і дійсно представляють собою рух технології розробки нафтових родовищ у вертикальному напрямку, можна назвати витіснення нафти міцелярними розчинами, двоокисом вуглецю, парою, за допомогою внутрішньопластового горіння. В той же час, наприклад, витіснення нафти водними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР), полімерів, лугів і водогазовими сумішами є модифікаціями заводнення нафтових покладів, що покращують його ефективність завдяки простому підсиленню нафтовитісних властивостей води, хоча також супроводжується складними процесами адсорбції, деструкції молекул, зміною фазових проникностей та ін.

У міру зростання розуміння механізму та особливостей процесів, що відбуваються під час вилучення нафти з пластів, стали настійно шукати методи підвищення їх ефективності. Але для цього необхідно мати певне уявлення про величину і стан запасів нафти з одного боку і про комплекс сил і процесів, що діють в надрах - з іншого.

Встановлено, що у заводнених пластах утворюються різні види залишкової нафти. За даними експертних оцінок залишкова нафта тут розподіляється таким чином:

- в слабопроникних прошарках на ділянках, які обійшла вода – 27 %;

- в застійних зонах однорідних пластів – 19 %;

- в лінзах, що не розкриті свердловинами – 16 %;

- біля місцевих непроникних екранів – 8 %;

- у вигляді плівок, така, що втримується капілярними силами – 30 %.

Більша частина залишкової нафти (≈70%) не охоплена процесом заводнення або не дренується внаслідок високої макронеоднорідності пластів, що розробляються, і є основним резервом збільшення нафтовилучення. Підняти повну виробітку пласта за рахунок цієї нафти можна шляхом вдосконалення існуючих систем і технологій розробки.

Друга частина залишкової нафти (≈30%) залишається в обводнених колекторах завдяки їх мікронеоднорідності, нестійкої фільтрації, дії різних фізичних і фізико-хімічних факторів і може бути піддана повторній консолідації.

Якщо між початковою нафтонасиченістю і проникністю колектора існує пряма залежність, то середні значення залишкової нафтонасиченості практично не залежать від проникності колектора і досить стійкі для окремих формацій і нафтонасичених зон. За останніми даними ці показники змінюються в границях від 19 % для пісковиків до 28 % для карбонатних колекторів.

Залишкова нафта в природних умовах в обводнених зонах пластів може перебувати одночасно в неоднаковому стані (у різноманітному вигляді). Характер її розподілу залежить від структури порового простору і фізико-хімічних властивостей фаз, що стикаються (контактують). Якщо поверхня твердої фази гідрофільна (кут змочування θ<90^о ), то нафта залишається переважно у вигляді глобул, які розпорошені в поровому просторі. Вони можуть перебувати як в поодиноких великих порах, так і в порових каналах.

Якщо пористе середовище частково гідрофобне, то залишкова нафта присутня тут в порах на гідрофобних ділянках у вигляді плівки. Тут у великих порах нафта може зливатись з тою нафтою, що поступила сюди з дрібних пор.

У гідрофобних колекторах (θ>90°) початково зв’язана вода розподілена уривчасто і займає найбільші пори. Вода, що вторглася під час заводнення, змішується з залишковою, залишаючись у тих же порах. Залишкова нафта розподіляється у порах меншого розміру, а також у вигляді плівки на поверхні великих пор.

Заводнення пластів у США почалося в кінці 20-х років минулого століття на виснаженому Бредфорському родовищі, а в Росії - у післявоєнні роки в незначних масштабах також на виснаженому родовищі Широка Балка. В промисловому масштабі у вигляді законтурного заводнення з самого початку розробки воно було здійснене в 1948р. на Туймазинському нафтовому родовищі.

На Україні заводнення вперше почало здійснюватись в 1960 р. на покладі нафти в менілітових відкладах олігоцену Долинського родовища.

Популярність штучного заводнення нафтових покладів зумовлена його наступними безперечними перевагами: доступністю і відносно низькою вартістю води, відносною простотою здійснення процесу та порівняно високою ефективністю витіснення нафти водою. Проте необхідно наголосити на неповноті витіснення нафти з пустотного простору внаслідок спільного прояву неоднорідного характеру будови пористого середовища і капілярних ефектів.

Повнота витіснення нафти водою звичайно характеризується коефіцієнтом витіснення. При цьому залишкова нафта займає 35-40 % від загального об'єму заводненого пустотного простору. Другим фактором, що визначає нафтовіддачу пластів під час заводнення, є охоплення пластів заводненням. Величина (коефіцієнт) охоплення заводненням пласта залежить від співвідношення рухливості води, що нагнітається в пласт, і нафти, що витісняється. Рухливість являє собою відношення проникності для відповідної рідини до її в’язкості. Численні досліди дали можливість встановити значний ступінь залежності коефіцієнта охоплення від співвідношення рухливостей.

Вода, що використовується для заводнення нафтових пластів, повинна певним чином готуватись.

За механізмом процесів або видом використання енергії методи збільшення нафтовилучення можна об’єднати у 4 групи:

1 Фізико-гідродинамічні методи, до яких відносяться всі види заводнення (циклічне нагнітання води, зміна напрямків фільтраційних потоків, встановлення оптимальних репресій та депресій на пласти, часткове зниження пластового тиску нижче тиску насичення).

2 Фізико-хімічні методи підвищення нафтовилучення з метою поліпшення ефективності заводнення (застосування поверхнево-активних речовин (ПАР), полімерів, лугів, кислот) і збільшення нафтовилучення (міцелярні розчини (МР), двоокис вуглецю, а за сприятливих умов – газоводяна дія).

3 Газові методи збільшення нафтовилучення пластів (застосування сухого вуглеводневого, збагаченого та зрідженого газу, газу високого тиску, двоокису вуглецю та невуглеводневих газів, їхніх сумішей, газоводяної дії). За своєю дією на нафтонасичені пласти вплив двоокису вуглецю може бути віднесений як до фізико-хімічних, так і до газових методів збільшення нафтовилучення.

4 Теплові методи збільшення нафтовилучення пластів, які поділяються на теплофізичні (витіснення нафти гарячою водою і парою) та термофізичні (витіснення нафти шляхом внутрішньопластового горіння та рідкофазним окисленням).

Кожний з перелічених методів має свою область застосування та ефективність, які залежать від геолого-фізичних властивостей колекторів і насичуючих їх рідин, стану і стадії розробки родовища, ступеня заводнення покладів, тобто величини нафтонасиченості продуктивних горизонтів.

Підвищення газоконденсатовилучення пластів проводиться такими методами:

1 Підвищення газовилучення на газовому і водонапірному режимах.

2 Збільшення конденсато- і вуглеводневилучення пластів (підвищення конденсатовилучення нагнітанням газу – сайклінг-процес, води, комбінованою дією на пласти).

3 Методи підвищення вуглеводневилучення газоконденсатних родовищ з нафтовою облямівкою.

Після першого етапу розробки нафтових родовищ основні об’єми нафти і розчиненого газу видобуті. Як відомо з практики, кінцеве нафтовилучення покладів, закінчених розробкою, рідко досягає 50 %, деколи – лише 10 %. Тому підвищення нафтовилучення пластів вироблених родовищ на декілька відсотків від досягнутої величини набуває великого економічного значення і може бути рівнозначним відкриттю нових покладів нафти. Проте додаткове вилучення нафти з виснажених розробкою родовищ пов’язане з деякими специфічними труднощами, оскільки під час зниження пластового тиску нафта дегазується, стає більш в’язкою, з’являється вільний газ, який погіршує фазову проникність для нафти, що стала менш рухомою, а незначна пластова енергія не сприяє припливу нафти до вибоїв свердловин.

Заводнення нафтових родовищ після їх виснаження на режимі розчиненого газу здійснювалось на багатьох родовищах у нафтовидобувних районах (Техас, Баку, Грозний, Краснодар, Західна Україна – Борислав, Східниця, Битків), хоча слід зауважити, що на пізніх стадіях розробки традиційне заводнення було малоефективне. Тому метод заводнення намагаються застосовувати на ранній стадії розробки нафтових родовищ. Правда, у світі близько 90 % нафти видобувалося з родовищ, які розроблялися за допомогою заводнення, і цей метод на найближчі 10-15 років буде превалюючим способом інтенсифікації розробки нафтових родовищ.

Перспективи розвитку вторинних методів пов’язані з їхнім постійним вдосконаленням. На пізніх стадіях розробки застосовуються: циклічне нагнітання води, зміна напрямків фільтраційних потоків, підвищення тиску нагнітання, облагороджування закачуваної води додаванням ПАР, загущувачів, створення кислотних облямівок.