Интенсификация процессов в энергоемких теплоиспользующих системах нефтяной промышленности

Диссертационная работа посвящена определению оптимальных условий интенсификации процессов в пористых средах посредством генерации акустических колебаний с помощью энергоемких теплоиспользующих систем нефтяной промышленности. Эти процессы и технические средства лежат в основе наиболее перспективных энергосберегающих, теплоиспользующих технологий освоения трудноизвлекаемых запасов нефти (ТИЗН) и альтернативы последнейприродных битумов (ПБ), а именно: технологии интегрированного воздействия на продуктивные пласты.

Особенностью этих технологий является совмещение в процессе добычи различных методов воздействия на продуктивные пласты с волновым воздействием. Особенность применяемых технических средствэкономичность, при этом не требуется дополнительных источников энергии: генерация колебаний и формирование волнового поля в пласте происходит за счет преобразования части энергии нагнетаемого в пласт потока (кинетической, потенциальной и тепловой) в энергию колебаний.

Актуальность работы.

Создание высокоэкономичных технологий и устройств генерации энергии, а также экономное расходование энергетических и материальных ресурсов — решение проблемы энергосбережения в энергоемких нефтедобывающих отраслях промышленности. Проблема обеспечения мировой экономики энергоресурсами особо выделяется среди глобальных проблем нынешнего века. Нефть становится важным фактором не только экономического, но и политического, а в некоторых регионах даже военного влияния, давления и взаимодействия потребителей и производителей энергетического сырья. Несмотря на возможность появления в будущем новых источников энергии, нефть еще длительное время сохранит свое исключительное значение — как уникальное химическое сырье и как высококалорийное топливо.

Задача более полного извлечения из недр при освоение месторождений углеводородного сырья приобретает все большее значение вследствие:

— постоянного снижения располагаемых запасов нефти;

— увеличения доли трудноизвлекаемых запасов нефти;

— снижения запасов вновь вовлекаемых в разработку месторождений;

— увеличения энергетических и материальных затрат в процессе добычи нефти.

В наибольшей степени повысить нефтеотдачу пласта с одновременным снижением энергетических затрат, как свидетельствуют исследования, позволяет метод комбинированного воздействия на пласт, при котором за счет интенсификации взаимодействия нагнетаемого рабочего тела и пластовой среды увеличивается охват пласта, интенсифицируется процесс фильтрации, повышается коэффициент нефтеотдачи.

Освоение месторождений высоковязких нефтей и природных битумов представляет собой существенно более энергоемкие процессы по сравнению с разработкой маловязких нефтей. Мировые запасы тяжелых нефтей и битумов составляют 700−750 млрд.т., т. е. примерно в 7 раз больше, чем извлекаемые запасы обычных нефтей. В России ~60 млрд.т., что позволяет их рассматривать как важный резерв увеличения сырьевой базы [16, 29]. Методы комбинированного воздействия открывают большие возможности достижения сверхсуммарного (синергетического) эффекта при их разработке.

Одним из способов комбинированного воздействия при добыче природных битумов является тепловолновое воздействие.

Исследования последних лет показывают, что сочетание волнового воздействия с другими методами имеет обоснованные преимущества: технология характеризуется простотой осуществления, высокой эффективностью, экономичностью и экологической чистотой. Технические средства ее осуществления легко совмещаются с традиционным нефтепромысловым оборудованием.

Однако применяемые подобные технологии и устройства обеспечивают только кратковременное совмещенное воздействие на призабойную зону пласта. Поэтому необходимо их совершенствование с целью увеличения ресурса эксплуатации, а также расширения области применения за счет увеличения диапазона реализуемых параметров.

Известно, что повышение температуры ведет к снижению вязкости, а, следовательно, и подвижности нефти. Извлечение нефти с вязкостью в сотни и тысячи МПа-с путем повышения температуры в пласте является наиболее приемлемым методом. Увеличение температуры может быть проведено путем нагнетания теплоносителя (горячей воды или пара) и созданием движущегося очага горения. Ограничивающим применение метода закачки теплоносителя может являться особенность разрабатываемого месторождения. А также закачка теплоносителя сопряжена с большими потерями тепла в наземных коммуникациях, так, в поверхностных паропроводах теряется 0,35−3,5 млн. кДж/сут. на каждые 100 м длины насосно-компрессорной трубы (НКТ) [16, 36]. Поэтому более эффективным представляется источник тепла, расположенный непосредственно в пласте. Таким источником является очаг внутрипластового горения.

Применение внутрипластового движущегося очага горения (ВДОГ) позволяет оказывать многоплановое воздействие на пласт. Как показано выполненными исследованиями сочетание его с волновым воздействием открывает возможность коренного повышения эффективности воздействия и уменьшения материальных и энергетических затрат.

В связи с этим, исследования, проведенные в рамках диссертационной работе с целью совершенствования теплоиспользующих технических средств, с помощью которых реализуется технология совмещения волнового воздействия с внутрипластовым горением чрезвычайно актуальны, а именно: определение оптимальных режимов работы устройства, позволяющих повысить экономичность разработки месторождений и рентабельность скважинной добычи высоковязких нефтей и природных битумов, приобретает особую значимость. При этом повышается дебит скважин, решаются задачи энергосбережения и обеспечения экологической чистоты процессов воздействия на пласт.

Цели и задачи исследования.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное определение условий устойчивой генерации акустических колебаний давления с помощью генератора с резонансными камерами. Последний позволяет совместить волновое воздействие с технологией внутрипластового горения.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать состояние и предложить пути совершенствования методов и средств воздействия на пласт с целью интенсификации процессов добычи нефти и природных битумов, в частности при теплофизическом воздействии.

2. На основе анализа и сопоставления струйных устройств, в основу которых положены различные физические эффекты предложить наиболее эффективный вариант.

3. Теоретически и экспериментально определить расходные характеристики элемента устройства — сопла. Экспериментально исследовать процесс генерации колебаний давления с использованием резонансных камер в потоке сжимаемой жидкости (определение условий и режимов устойчивой генерации колебаний давленияисследование амплитудно-частотных характеристик генерируемых волн).

4. Исследовать течение потока сжимаемой жидкости (воздуха) по тракту устройства.

5. Оценить эффективность работы устройства.

Первая глава посвящена обзору методов и технических средств интенсификации процессов разработки нефтяных месторождений посредством формирования волнового поля в продуктивном пласте. Показана актуальность создания струйного устройства с резонансными камерами для реализации энергосберегающей технологии комбинированного воздействия, а именно — для совмещения волнового воздействия с внутрипластовым горением. Проведен анализ различных видов струйных генераторов и режимов генерации колебаний. Произведен выбор геометрических характеристик исследуемого устройства. Обоснована целесообразность исследования параметров трансзвукового потока в плоском сопле генератора колебаний давления.

Во второй главе излагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований параметров трансзвукового потока в плоском сопле исследуемого струйного устройства. Исследование проведено в три этапа. На первом этапе исследованы расходные характеристики сопл, при этом преследовалась цель получения интегральной информации об уровне неоднородностей потока в области критического сечения. На втором этапе при помощи дренажных отверстий и перемещаемого насадка измерено распределение статического давления в модели трансзвукового участка сопла. Третий этап состоял в проведении численного эксперимента на ПЭВМ и сопоставлении полученных результатов с данными второго этапа.

В третьей главе дано описание экспериментального стенда, измерительной и регистрирующей аппаратуры, использованных при проведении исследований и сопоставлены результаты экспериментальных и теоретических исследований устройства.

Исследования проведены с целью выявления характеристик, обеспечивающих эффективную работу устройства: определение характерных областей устойчивой генерации колебаний давления в потоке сжимаемой жидкостиисследование влияния расположения имитаторов перфорационных отверстий в обсадной колонне скважины относительно выходных каналов генератора колебаний на параметры генерируемых колебанийисследование взаимовлияния первой и второй ступеней генератора при их совместной работеопределение характеристик генерируемых колебаний давления при дозвуковых и звуковых скоростях потока воздухаоценка и выбор режимов работы генератора применительно к условиям эксплуатации на промысле.

В четвертой главе рассмотрены модели течения по тракту генератора колебаний давления с резонансными камерами: потенциально-вихревая схема Лаврентьева и трехмерная турбулентная модель Р1оуУ1бюп. Целью рассмотрения является определение характеристик (амплитуды, частоты колебаний) течения по проточному тракту генератора для выявления оптимальных условий устойчивой генерации акустических колебаний при работе устройства с учетом данных экспериментальных исследований.

В пятой главе представлены результаты испытаний генератора акустических колебаний в условиях промысла (на 8 участках Мордово-Кармальского месторождения). В процессе испытания проведена проверка параметров работоспособности и надежности конструкции устройства тепловолнового воздействия в условиях забоя скважины. Исследовано влияние генерируемых колебаний на дебит скважин, обводненность продукции. А также, возможность снижения энергетических и материальных затрат при увеличении дебита скважин. Определена экономическая эффективность тепловолнового воздействия.

В заключении приводятся основные результаты проведенного исследования.

Защищаемые положения.

1. Метод и результаты расчета плоского сопла.

2. Выявленные закономерности процесса излучения упругих волн и факторы, влияющие на структуру потока в трансзвуковой области течения, расходные характеристики плоского сопла и эффективность работы устройства.

3. Выявленные условия и режимы устойчивой генерации колебаний давления.

4. Установленные структура и параметры потока по тракту генератора акустических колебаний с резонансными камерами.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в центральных изданиях [6,84] и в трудах международных и всероссийских конференций [4,5,8−11,35,78,104−107].

Личный вклад автора в работу. Диссертантом лично разработана основная программа экспериментов и методика обработки опытных данных, I выполнен анализ и сопоставление полученных результатов, разработано струйное устройство под руководством д.т.н., академика В. Е. Алемасова.

Представленная работа выполнена в исследовательском центре проблем энергетики казанского научного центра РАН в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 годы (гос. контракт № 41.003.11.2903), в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№ 00−15−96 690, № 03−02−96 253, № 03−217 279, № 04−02−8 096 «офиа»), грантов Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (№НШ-746.2003.8, гос. контракт 02.445.11.7195) и в рамках «Программы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы по Республике Татарстан на 2001 год» (работы №А.6.2−11/01, № 4.4.2−01).

Автор признателен коллегам по лаборатории «Основ энергоэффективных технологий восполнения природных топлив» -Э.А.Буторину, Л. Н. Секачеву, Р. Б. Шаихову, Е. А. Марфину и особенно признателен руководителю лаборатории Я. И. Кравцову, а также А. Б. Мазо,.

Н.И.Михееву, В. М. Молочникову, Ю. Г. Назмееву, Э. В. Шамсутдинову, В. Н. Шлянникову за помощь и полезные советы, оказанные в процессе выполнения работы. Особую признательность и благодарность автор выражает своему всестороннему учителю и руководителю диссертационной работы — академику РАН В. Е. Алемасову.

Основные результаты диссертационной работы:

1. На основе исследования методов и технических средств предложено наиболее энергоэффективное устройство, реализующее технологию комбинированного воздействия с целью интенсификации процессов добычи высоковязкой нефти и битума.

2. Установлено, что в критическом сечении сопла в диапазоне чисел Рейнольдца Re" = (0,7−2,1)-104 наблюдается увеличение коэффициента расхода сопла с увеличением числа Re. К увеличению значения /лс приводит также скругление угла передней угловой точки (при реальных значениях сдвига значение цс = 0,96−0,98). Фактический коэффициент расхода сопл составляет 0,94−0,92 (при Re ~ 104).

3. Выявлено, что генератор акустических колебаний давления с резонансными камерами может работать на двух режимах: возбуждение колебаний за счет влияния краевого эффекта, или — за счет установления обратной связи в колебательном контуре, включающем резонансные камеры. Установлено, что изменение механизма генерации колебаний давления связано с перестройкой структуры вихревого потока и влиянием обратной связи, формирующейся в устройствах рассмотренного типа. И эта возможность является достоинством устройства с точки зрения как сочетания генератора с различным промысловым оборудованием, применяемом для подачи сжимаемой жидкости, так и обеспечения необходимых режимов воздействия на пласт при изменении условий на забое пласта и в продуктивном пласте в целом.

4. Определено, что режим устойчивой генерации колебаний, обусловленный наличием газодинамической обратной связи в резонансных камерах, поддерживается на задаваемых частотах колебаний в достаточно широком диапазоне изменения давления (от 0,6 до 2,5 МПа) на выходе из генератора. При этом значения массового расхода воздуха на входе в генератор, определяющиеся возможностями используемой на промысле техники, составляют 0,07−0,3 кг/с.

5. Выявлено: в первой характерной области колебаний давлениядиапазон максимальных значений полной амплитуды колебаний давления (0,08−0,17 МПа) соответствует частотам 2200−3100 Гц, генерируемым генератором при скоростях потока 55−75 м/сво второй характерной области колебаний давления диапазон максимальных значений амплитуды (0,08−0,3 МПа) соответствуют более низкой частоте (1000−1900 Гц). Эти значения согласуются с данными, полученными по моделям течения.

6. Полученная визуализация картины течения сжимаемой жидкости по тракту генератора подтверждена промысловыми испытаниями устройства на Мордово-Кармальском месторождении природных битумов. Определен диапазон значений циркуляции скорости Г = 10−16, при котором распределение потока в выходных каналах при обтекании клина плавное, т. е. отрывные явления отсутствуют, что способствует условиям устойчивой генерации акустических колебаний при работе устройства.

7. Установлено, что с увеличением частоты возбуждаемых колебаний генератора при тепловолновом воздействии значение удельного расхода воздуха намного меньше, чем его значение при разработке месторождения с использованием традиционной технологии внутрипластового горения. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование технологии тепловолнового воздействия позволяет значительно сократить удельные затраты нагнетаемого в пласт воздуха и, следовательно, снизить энергетические затраты и повысить экономичность разработки месторождения.

8. Промысловыми испытаниями подтверждена высокая эффективность генератора акустических колебаний давления, реализующего технологию тепловолнового воздействия, по сравнению с чисто тепловым воздействием (внутрипластовым горением): увеличение дебита скважин по битуму в 2 разаобводненность извлекаемой продукции снижается на 30−50%, что в итоге способствует снижению энергетических и материальных затрат, увеличению рентабельности процесса добычи и увеличению чистоты процесса добычиснижение энергетических затрат — в 2 разарентабельность добычи возрастает с 20% до 36%, чистая прибыль составляет 19,3 млн. рублей в год (вместо 5,4 млн руб. в год).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально исследована и подтверждена эффективность нового типа струйного устройства.

2. Выявлены факторы, определяющим образом влияющие на расходные характеристики плоского сопла и структуру потока в трансзвуковой области течения. Показано, что эффективность сопла в целом существенно зависит от степени равновесности протекающих процессов, что особенно сказывается при высоких давлениях.

3. Выявлены механизм и закономерности протекания процесса генерации колебаний давления в устройстве с резонансными камерами.

4. Определены условия и режим устойчивой генерации колебаний давления.

5. Выявлен диапазон значений циркуляции скорости, в котором достигается наибольшая эффективность работы устройства.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием апробированных методов и методик проведения эксперимента, подтверждена совпадением расчетных и экспериментальных данных, а также проведением большой серии тестовых расчетов.

Практическая значимость и апробация результатов:

Технология комбинированного воздействия — совмещение волнового (акустического) воздействия с внутрипластовым горением — и устройство, с помощью которого реализована эта новая технология, к настоящему времени успешно апробированы на 8 участках Мордово-Кармальского месторождения природных битумов Республики Татарстан. При этом достигнуто кратное увеличение дебита скважин и снижение энергетических затрат (в 2 раза), снижена обводненность извлекаемой продукции на 30−50% и, в итоге, значительно увеличены вовлекаемые в эффективную разработку запасы углеводородов и рентабельность их добычи.

Полученные автором результаты теоретических и экспериментальных исследований генератора акустических колебаний давления с резонансными камерами легли в основу дальнейших работ по расширению области применения комбинированных методов воздействия и совершенствованию теплоиспользующих систем нефтяной промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.