Сущность технологии и область её применения. Технология циклического заводнения нефтяных пластов по сравнению с другими методами увеличения нефтеотдачи является на сегодня наиболее полно изученным и широко применяемым на промыслах. Успешному внедрению метода способствовали исследования [1,2,3,4,5,6] таких учёных, как Сургучёв, Огаджанянц В.Г., Боксерман А.А., Цинкова О.Э, Шарбатова И.Н., Шалимов Б.В. и др. Метод отличается простотой, возможностью его использования в широком диапазоне пластовых условий при высокой экономической эффективности.

              Анализ разработки нефтяных месторождений показал, что при перио­дическом изменении режимов закачки и отборов жидкостей не только увеличиваются темпы отбора нефти, но и значительно уменьшается обводненность извлекаемой продукции.  М.Л. Сургучев объяснил это тем, что периодическое заводнение неоднородных пластов способ­ствует перетоку воды из высокопроницаемых в малопроницаемые зоны, увеличивая охват залежи заводнением. Еще в 1959 г. им впервые разработан метод циклического воздействия на пласт. Это способ­ствовало развитию методов предупреждения обводнения скважин регу­лированием разработки залежи путем частичного или полного изме­нения системы воздействия.

          Подавляющая часть нефтяных месторождений России является многопластовыми. При этом нефтенасыщенные пласты, слагающие продуктивную часть залежи, неоднородны по своим коллекторским свойствам. Это осложняет разработку месторождений, особенно тех из них, продуктивная часть которых вскрыта единой сеткой скважин. При решении вопроса о выборе рациональной системы разработки многопластовых месторождений, одной из важных задач становится учёт гидродинамической связи между пластами и слоями неоднородного по толщине горизонта (пласта). Такая связь между пластами (слоями) реализуется в результате следующих видов перетоков:

Ø  капиллярной пропитки водой, проникающей из более проницаемых частей пласта (слоя) в менее проницаемые;

Ø   гравитационного оседания воды, поступающей из хорошо проницаемых пластов в нижележащие плохо проницаемые;

Ø   перетекания жидкости из слоя в слой вследствие гидродинамических градиентов давления.  

           Все указанные виды перетоков между пластами (слоями) способствуют перемещению воды в малопроницаемые, а нефти – в высокопроницаемые слои, то есть повышению охвата пластов заводнением и, как следствие этого, интенсификации добычи нефти, увеличению нефтеотдачи пластов.

            При нестационарном режиме заводнения пластов принят следующий механизм обмена жидкостью между зонами разной проницаемости.

             При быстром повышении давления на линии нагнетания между неизолированными заводненной и нефтенасыщенной зонами пласта создаётся градиент давления и в результате упругого сжатия произойдёт внедрение определённого количества жидкости из высокопроницаемой водонасыщенной зоны в нефтенасыщенную малопроицаемю эону. В результате этого произойдет некоторое перераспределение нефтенасыщенности, вода заполнит мелкие поры пласта, вытеснив оттуда нефть.

        При создании перепада давления противоположного знака, часть внедрённой в низопроницаемую зону воды будет капиллярно удерживаться в мелких порах, а нефть из низкопроницаемой зоны поступит в зону с вчсокой проницаемостью, то есть произойдёт изменение фазового состава жидкости.

       Таким образом, последовательное периодическое изменение перепадов давления между слоями (пластами) разной проницаемости по величине и направлению приводит к частичному обмену фаз – перемещение воды в малопроницаемую, а нефти – в высокопроницаемую зону. При этом, чем выше амплитуда создаваемых перепадов давлений, чем полнее капиллярные удерживания воды в малопроницаемой зоне, чем шире гидродинамическая связь между зонаси, тем сильнее проявляется эффект переноса нефти в зону активного вытеснения.

          Искусственное создание мощных периодических пульсаций пластового давления может обеспечить необхлдимые межслойные (межпластовые) перепады давления и, тем самым, вовлечение в активную зону малопроницаемых пропластков, целиков, не вовлеченных в разработку при обычной технологии заводнения. Именно в создании таких периодических колебаний пластовой системы путём изменения давления на линии нагнетания и отбора, обеспечивающих интенсивное перемещение нефти из низкопроницаемых зон в зоны активного дренирования, и заключается сущность технологии циклического заводнения.

            Областью применения данного метода являются месторождения, удовлетворяющие следующим условиям:

Ø  наличие маловязких нефтей;

Ø  наличие мощных слоисто-неоднородных пластов, обладающих хорошей гидродинамической связью между прослоями;

Ø  коллектора обладают гидрофильностью, способствующей удержанию воды, внедряемой в малопроницаемые зоны;

Ø  достаточно упругим запасом системы пласт-жидкость и рядом других свойств.           

Техника реализации технологии. Практическое внедрение технологии предполагает, что каждая из нагнетательных и добывающих скважин месторождения (участка) работает в режиме периодического изменения забойного давления, осуществляемого путём изменения расхода нагнетаемой в пласт воды и отбора нефти. При этом суммарная закачка воды в любой момент времени должна быть близка к соответствующей закачке воды при обычном стационарном заводнении. В течение первой половины цикла  в пласт закачивается воды в два раза больше по сравнению со средней величиной закачки воды при  стационарном режиме, затем во второй половине цикла объём закачки воды снижается до нуля.

            На месторождении создают ряд участков – блоков циклического воздействия. При рядной системе заводнения в одном блоке располагают от 5 до 10  скважин. При этом кустовая насосная станция работает в стационарном режиме при постоянном расходе и давлении, но закачка воды при этом осуществляется по блокам периодически.

           В идеальном случае  технологии циклического заводнения в таком же периодическом режиме должны работать и добывающие скважины, но из-за трудностей производственного характера добывающие скважины могут работать только в постоянном режиме.

        При площадной системе разработки возможны самые разнообразные варианты организации циклического воздействия. При этом выбор местоположения и количества нагнетательных скважин определяется путём сравнения технико-экономических показателей разработки при различных вариантах расположения нагнетательных и добывающих скважин.

При этом основные принципы усовер­шенствованного циклического заводнения изложены в качестве основ интегрированной системной технологии интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи пластов. Наибольший интерес представляют следующие положения названной технологии, изложенные в трудах А.Т. Горбунова, А.А. Боксермана, Х.Х.Гумерского и др.

1. Рекомендуется производить временные остановки добывающих скважин с высокой степенью обводненности. Такие остановки улуч­шают условия изменения сформировавшихся в пласте потоков и могут производиться в зависимости от поставленных целей на стадии как па­дения пластового давления, так и его повышения.

2. Колебания пластового давления предусматривается сопровож­дать водоизоляционными работами или работами по интенсификации добычи нефти из добывающих скважин. Водоизоляционные работы на нагнетательных скважинах целесообразно производить на стадии падения пластового давления, когда в скважине создаются условия для перетока жидкостей из низкопроницаемых пропластков в высокопроницаемые. Это означает, что, если в этот период закачи­вать в скважину водоизоляционный материал, то он в основном попадает в высокопроницаемые пропластки. Наиболее эффективно эти работы проводить во второй половине периода падения пласто­вого давления, когда разница давлений в пластах максимальна. Кроме того, если прекратить закачку водоизоляционного материала до окончания падения пластового давления, то создадутся условия перетока водоизоляционных материалов в высокопроницае­мые пропластки из низкопроницаемых, если они в них попали. Очевидно, что описанную процедуру на стадии падения пластового

давления целесообразно производить и на высокообводненных добывающих скважинах.

3. К периодам повышения пластового давления предусмотрено приурочить работы по интенсификации добычи нефти в добывающих скважинах. В период повышения пластового давления в скважинах возникают условия перетока из высокопроницаемых прослоев в низко­проницаемые. Если в этот период в добывающие скважины закачивать материалы, уменьшающие фильтрационные сопротивления (ПАВ, ком­позиции и т.д.), то они адресно попадут в основном в низкопроницаемые прослои.

           Положительное в методе циклического воздействия – это возможность его внедрения с другими методами, например, перемены направления фильтрационных потоков, повышеных давлений нагнетания, заводнения с ПАВ и др [6,7].

      Практикой установлено, что метод перемен направлений фильтрационных потоков улучшает охват пласта заводнением по площади  При изменении линий тока по площади участки, не охваченные заводнением, вовлекаются в разработку линиями тока нового направления. Сочетание циклического воздействия с переменой направлений фильтрационных потоков позволяет повысить охват пластов заводнением как по мощности, так и по площади. При этом перемена направлений фильтрационного потока, в зависимости от расположения нагнетательных скважин и принятой технологии процесса, может совпадать по времени с периодами цикла, с различным поворотом тока, например, на 90⁰ , при пятиточечной системе размещения скважин. В случае семиточечной системы, осуществляя в течение полуцикла интенсивное нагнетание воды в три расположенные через одну скважины, а в течение второй половины цикла  - в три другие скважины, можно получить сочетание циклического заводнения с поворотом потока на 60⁰. При девятиточечной системе расположения скважин возможен поворот потока на 45⁰.

             Циклическое заводнение при повышенных давлениях нагнетания позволяет улучшить охват пластов воздействием путём взаимодействия нелинейности процесса с его периодичностью и, следовательно, повысить нефтеотдачу пластов.           

Моделирование слоисто-неоднородного пласта двухслойной системы. В основе математического моделирования процесса лежит двухслойная геологическая модель пласта, наиболее точно отражающая неоднородность коллектора по сравнению с многослойными моделями. Моделирование пласта заключается в превращении набора многих слоёв в два слоя, сложного распределения проницаемости – в двухступенчатое. Информацию о распределении проницаемости по толщине в пределах изучаемого объекта можно получить по результатам определения проницаемости по керну, по данным геофизических и гидродинамических исследований скважин.

           Для построения модели необходимой и достаточной характеристикой является математическое ожидание M|k| или среднее значение случайной величины (проницаемости), характеризующее ее положение на числовой оси:

Здесь n – число выделенных в пласте прослоев; k_i – проницаемость i – ого прослоя, мкм²; h_i – толщина i – ого прослоя, м.

Принимается, что все прослои, проницаемость которых меньше и равны полученному среднему значению, представляют низкопроницаемый пласт, а прослои с проницаемостью больше средней – высокопроницаемый пласт. Соответственно средняя проницаемость сконструированных таким образом слоёв k₁ и  k₂ определяются соотношениями:

Здесь n₁ – число слоёв с k_i >  k_ср;  n₂ – то же, с  k_i£k_cр .

 Толщина слоёв определяется как сумма толщи интервалов, отвечающих значениям проницаемости k₁ и k₂ :

Где h₁ и h₂ – средняя толщина соответственно высоко- и малопроницаемого слоёв, м; N – число скважин, по которым определяли проницаемости и толщины слоев.

 Таким образом, получаем двухслойную модель пласта, характеризующуюся четырьмя параметрами: k₁, k₂ , h₁ ,  h₂. Перейдя к безразмерным величинам этих параметров, получим:

 В случае равенства толщин слоев модели между относительными проницаемостями устанавливается простая связь:

  Для построения модели необходимой и достаточной характеристикой является математическое ожидание M|k| или среднее значение случайной величины (проницаемости), характеризующее ее положение на числовой оси:

Кроме рассмотренных параметров геологическая модель пласта, применительно к циклическому заводнению, должна быть охарактеризована коэффициентом удержания воды b и упругости породы и жидкости С.

Коэффициент удержания воды b, называемый иначе коэффициентом использования воды, представляет собой долю воды, удерживаемой малопроницаемым слоем, поступившей в него из обводненного высокопроницаемого слоя:

где V₁ – объём воды, вошедший в малопроницаемый слой в полуцикле повышения давления; V₂ – объём воды, вышедшей из малопроницаемого слоя в полуцикле снижения давления.

            Коэффициент упругости С – общеизвестный показатель, определяемый экспериментально, согласно работам В.Н.Щелкачёва.

Математическая модель процесса. В основе методике прогнозирования процесса циклического заводнения лежит математическая модель, позволяющая оценивать перетоки жидкости в двухслойном пласте в предположении квазиодномерности движения призаданном переменном расходе нагнетания или давления жидкости и при сохранении среднего отбора жидкости при циклической закачке воды таким же, как и при обычном заводнении [8].

           Для получения выражений для амплитуды колебаний давления перетоков жидкости |q| в пласте, усредненных в процессе использовалась система уравнений:

где р- давление жидкости в слое; t - относительное время, представляющее собой количество прокачанных поровых объёмов по ординате x.        

Граничные условия для решения системы уравнений принимались в виде изменений давления

Либо колебаний скорости расхода

При решении уравнений (8) и (9) с граничными условиями (10) и (11) получаем выражения для амплитуды колебания давления |p| и перетоков жидкости |q| в пласте, усредненных во времени цикла.

В случае заданных колебаний скоростей фильтрации

Где В=bb - амплитудный фактор; r - безразмерный частотный показатель, характеризующий отношение рабочей частоты циклического воздействия к пьезопроводности пласта c = (mmC)^-1,

Здесь l – длина участка пласта, м.

Cвязь r с безразмерной частотой w задаётся выражением r = (w/2)^1/2.

Из выражений (11) и (12) следует, что при одинаковой относительной  амплитуде расхода в случае заданных колебаний скоростей перетоки достигают больших значений, чем в случае заданных колебаний давлений.

В упрощенном виде эффективность циклического заводнения оцениваются следующими коэффициентами:

Где Q_ц – текущая добыча нефти при циклическом заводнении; Q_об – то же при обычном заводнении; SQ_ц – накопленная добыча нефти при циклическом заводнении; SQ_оц – накопленная добыча нефти при обычном заводнении за время применения технологии; SQ_од – накопленная добыча нефти за время, предшествующее циклическому заводнению.

В выражении для  k₂ знаменатель – накопленная с начала разработки добыча нефти при обычном заводнении (SQ_об), а числитель – накопленная добыча нефти при циклическом заводнении (SQ_ц) за то же время.

 Во ВНИИ для расчетов технологических параметров процесса циклического заводнения с использованием математической составлена программа для ЭВМ под названием «РОТОР-!». Программа позволяет также оценить эффективность процесса и произвести необходимые корректировки. 

Список литературы

1. Сургучёв М.Л. Импульсное (циклическое) воздействие на пласт как метод повышения нефтеотдачи. – Нефтяное хозяйство, № 3, 1965.
2. Огаджанянц В.Г. Теория и практика добычи нефти при циклическом заводнении. – в кн. Разработка нефтяных и газовых месторождений. Сер.Горное дело. – М.: ВИНИТИ, 1970.
3. Боксерман А.А., Шалимов Б.В. О циклическом воздействии на пласты с двойной пористостью при вытеснении нефтей водой. –М.: Труды Вниинефть, вып.10, 1974
4. Цинкова О.Э. К вопросу о механизме циклического воздействия на нефтяные пласты. – Изв. АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа, № 3, 1980.
5. Шарбатова И.Н., Сургучёв М.Л. Циклическое воздействие на неоднородные нефтяные пласты. М. : Недра, 1988. – 121 с.
6. Инструкция по совершенствованию технологии циклического заводнения и изменения направления фильтрационных потоков: РД 39-0147035-232-88/Минтопэнерго;ТатНИПИнефть и ВНИИ.-М.-1988.-122с.
7. Метод перемен направлений фильтрационных потоков. – М.: ВНИИОЭНГ, 1976.
8. Циклическое заводнение нефтяных пластов/М.Л.Сургучёв, О.Э.Цынкова, И.Н.Шарбатова и др.М.: ВНИИОЭНГ, 1977.
9. Березаев А.Н. Эффективность циклической закачки и изменения направления фильтрационных потоков на Вишенском месторождении/Тр.Укргипрониинефть, 1978, вып. ХХ1, с.20-24.
10. Ганич К.В., Дергунов В.К., Ишемгужин С.В. Эффективность циклической закачки воды на Советском месторождении. – Нефтяное хозяйство, 1979, № 1,с.32-36.
11. О результатах циклического метода воздействия на пласт на месторождении Зимняя Ставка Ставропольского края/и.В. Журик, В.В.Калашнев и др. -  Нефтепромысловое дело, 1976, № 1, с.12 – 15.
12. Пермякова М.А., Есаулова В.В., Павлова А.Д. Оценка результатов применения циклического метода заводнения на месторождениях Западной Сибири/Тр.СибНИИ, 1976, вып.5, с.17 – 22.
13. Повышение нефтеотдачи обводненной залежи Речицкого месторождения методом циклического заводнения/О.Ф.Мартынцев, И.Н.Шарбатова, Л.Г. Наказная и др. – Нефтепромысловое дело, 1976, № 7, с.3 – 7.

       При решении уравнений (8) и (9) с граничными условиями (10) и (11) получаем выражения для амплитуды колебания давления |p| и перетоков жидкости |q| в пласте, усредненных во времени цикла.

             В случае заданных колебаний скоростей фильтрации