ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В связи с ужесточением экологических и экономических требований к освоению нефтегазовых объектов подземные хранилища газа (ПХГ) теперь используют не только для снижения пиковых нагрузок в Единой системе газоснабжения, но также и для сбора и хранения ранее сжигаемого попутного нефтяного газа (ПНГ). Степень использования попутного газа в нефтегазодобывающих компаниях, работающих на территории России, находится на уровне 75 %. В отдаленных регионах Западной, Восточной Сибири и Крайнего Севера использование попутного газа значительно осложнено в связи с отсутствием газотранспортной системы для поставок газа внешним потребителям. Создание ПХГ в истощенном нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ) осложнено необходимостью дополнительного исследования и использования адресной технологии повышения коэффициента извлечения конденсата в зависимости от геологических условий залежи, коллекторских свойств пласта, физико-химических свойств остаточного конденсата.
В истощенном НГКМ, на котором совместно с циклической эксплуатацией подземного хранилища ведется также отбор остаточного конденсата, наиболее эффективным способом освоения представляется смешивающееся вытеснение конденсата углеводородным газом. В настоящее время в районе Крайнего Севера разрабатывается Ярейюское нефтегазоконденсатное месторождение. Недалеко от этого месторождения ведется освоение нескольких газонефтяных месторождений, где вопрос утилизации невостребованных объемов попутного нефтяного газа не решен. Это предопределяет актуальность исследования и научного обоснования создания ПХГ на базе истощенного газоконденсатного месторождения на примере Ярейюского НГКМ.
Цель работы повышение эффективности создания подземного хранилища газа в истощенном нефтегазоконденсатном месторождении путем разработки методов управления процессами хранения газа.
Основные задачи работы:
Анализ и обобщение опыта сооружения и эксплуатации подземных хранилищ газа в истощенных нефтегазоконденсатных месторождениях;
Математическое моделирование автоматизированной системы управления процессами накопления углеводородных смесей в ПХГ с учетом и без учета запаздывания управляющих воздействий в системах регулирования и рециркуляции потоков;
Экспериментальные исследования перевода истощенного нефтегазоконденсатного месторождения в объект подземного хранения углеводородного газа;
Обоснование создания подземного хранилища газа в истощенном нефтегазоконденсатном месторождении на примере Ярейюского НГКМ.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались путем компьютерного моделирования автоматизированной системы управления процессами в ПХГ, путем теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных условиях с использованием комплекса компьютеризированного экспериментального оборудования для визуального наблюдения за фазовыми превращениями в ПХГ. Использовались поверенные приборы и устройства, соответствующие последним достижениям науки и техники.
Научная новизна результатов работы:
Разработана математическая модель автоматизированной системы управления процессами накопления и рециркуляции углеводородных смесей в ПХГ с учетом и без учета запаздывания управляющих воздействий в системах регулирования и рециркуляции потоков;
Выявлены особенности перевода истощенного нефтегазоконденсатного месторождения в ПХГ, влияющие на эффективность его создания;
Разработан метод подготовки ПХГ в истощенном НГКМ путем обеспечения многократно повторяющегося перехода газонефтяной смеси в ретроградную область и обратно с дополнительным отбором капиллярно-удержанного конденсата при рециркуляции углеводородных смесей в ПХГ;
Предложено с целью повышения эффективности обезвоживания скважинной продукции в центральном пункте сбора использовать электромагнитное излучение в определенном диапазоне частот.
На защиту выносятся:
компьютерное моделирование автоматизированной системы управления процессами накопления и рециркуляции углеводородных смесей в ПХГ;
результаты аналитических и экспериментальных исследований по выявлению особенностей перевода истощенного НГКМ в ПХГ, влияющих на эффективность его создания;
обоснование и рекомендации по созданию ПХГ в истощенном НГКМ на примере конкретного месторождения.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Математическая модель автоматизированной системы управления процессами накопления углеводородных смесей в ПХГ позволит выровнять поток потребления, оптимизировать пластовые потери, повысить экологическую и промышленную безопасность и общую устойчивость функционирования подземного газохранилища.
Выявленные особенности перевода истощенного нефтегазоконденсатного месторождения в ПХГ, в том числе учет остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в пласте, позволяют производить расчет условий равновесия в фазовых превращениях в пластовых условиях.
Разработанный метод подготовки ПХГ в истощенном НГКМ путем обеспечения многократно повторяющегося перехода газонефтяной смеси в ретроградную область и обратно при рециркуляции углеводородных смесей в ПХГ позволяет осуществить дополнительный отбор капиллярно-удержанного конденсата.
Использование малогабаритной установки воздействия электромагнитным излучением в центральном пункте сбора позволит улучшить эффективность обезвоживания скважинной продукции.
Исследования проводились в рамках реализации Государственного контракта № 14.740.11.0429 по Федеральной целевой программе Министерства образования и науки РФ на 2009 – 2013 годы.
Разработанная автором математическая модель автоматизированной системы управления процессами накопления и рециркуляции углеводородных смесей в ПХГ используется в исследовательской практике ГУП «ИПТЭР», внедрена в учебный процесс Кафедры безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет».
Автором обоснована возможность создания подземного хранилища газа в истощенном нефтегазоконденсатном месторождении на примере Ярейюского НГКМ.
Оценка достоверности результатов обеспечивалась путем применения современных методов физического и математического моделирования и статистических методов обработки данных. Достоверность результатов исследований достигается использованием поверенных средств измерений и подтверждается сходимостью результатов аналитических расчетов, теоретических оценок и данных экспериментальных исследований с результатами исследований других ученых.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 2008 – 2011 гг.); на VIII Международном конгрессе нефтегазопромышленников России (г. Уфа,
2009 г.); Всероссийских конференциях «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике» (г. Уфа, 2009 – 2012 гг.); II, III International Student Scientific and Practical Conferences «Oil and Gas Horizons» (г. Москва, 2010 г., 2011 г.); международной научно-технической конференции «Современные проблемы холодильной техники и технологии» (г. Одесса, 2011 г.); VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт 2011» (г. Уфа, 2011 г.); на Международных молодежных нефтегазовых форумах (г. Алматы, 2011 г., 2012 г.); XXXIV студенческой научной межвузовской конференции транспортного факультета Оренбургского государственного университета (г. Оренбург, 2012 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (г. Уфа, 2009 – 2013 гг.); International Youth Conference «East Meets West» (г. Краков, 2012 г.); Международной молодежной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (г. Уфа, 2012 г.); научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2010 – 2013 гг.).
1. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ НАКОПЛЕННОГО ОПЫТА
СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ
ХРАНИЛИЩ ГАЗА В НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
Особенности создания подземных хранилищ газа
в газоконденсатных месторождениях
Подземное хранилище газа представляет собой технологический комплекс, расположенный в пластах-коллекторах геологических структур, предназначенный для закачки, хранения и последующего отбора газа.
ПХГ принято классифицировать на базисные, пиковые, газгольдерные и стратегические.
Базисные ПХГ создаются с целью регулирования сезонной неравномерности газопотребления. Технологические режимы отличаются стабильностью закачки и отбора газа.
Пиковые ПХГ создаются преимущественно с целью кратковременного регулирования объемов отбора газа и подачи потребителям.
Газгольдерные являются разновидностью пиковых ПХГ, но подразумевают кратковременные закачки газа в период отбора.
Резервные, или стратегические, ПХГ рассматриваются как долгосрочный запас газа, используемый только в аварийных случаях.
По типу пористой среды, в которой создается ПХГ, различают газохранилища:
а) в водоносных структурах;
б) в истощенных месторождениях.
Рассмотрим ПХГ в истощенных месторождениях. По наличию в истощенном месторождении (залежи) жидких углеводородов различают газохранилища:
а) без нефтяной оторочки или с нефтяной оторочкой непромышленного значения;
б) с нефтяной оторочкой (промышленного значения);
в) с остаточной нефтенасыщенностью;
г) с остаточным газовым конденсатом [1].
В соответствии с РД 08-93 «Правила создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых пластах», утвержденным Постановлением Госгортехнадзора России от 28.09.1993 № 21, при создании подземного хранилища газа в истощенном месторождении необходимо на основе изучения геолого-промысловой документации по разработке месторождения оценить остаточные запасы конденсата и сопутствующих компонентов, степень истощенности залежей и их пригодность к дальнейшей разработке [2].
Оценка остаточных запасов конденсата в истощенном нефтегазоконденсатном месторождении, рассматриваемом
для создания ПХГ
Считается, что на большинстве нефтегазоконденсатных месторождений активными при разработке на истощение являются около 20 % запасов, которые обеспечивают 50…60 % общего объема отбора конденсата. Остаточные, или неизвлекаемые промышленно-освоенными методами разработки, запасы конденсата принято называть трудноизвлекаемыми запасами (ТрИЗ) [3].
Милосердова Л.В. дает следующее определение трудноизвлекаемых запасов конденсата. Это запасы газоконденсатных месторождений, характеризующиеся неблагоприятными для извлечения физическими свойствами конденсата или геологическими условиями его залегания. Для отбора трудноизвлекаемых запасов требуются повышенные затраты финансовых, материальных и трудовых ресурсов и, нередко, инновационные технологии [4]. При этом ценность конденсата для нефтегазовой промышленности не вызывает сомнений. По данным Ю.П. Коротаева и
А.И. Ширковского, углеводородный конденсат представляет собой смесь бензиновых, лигроиновых, керосиновых и, реже, более тяжелых фракций углеводородного сырья, находящуюся в пласте с сухим газом и сжиженную под высоким давлением пропан-бутановой составляющей [5].
В широком смысле ТрИЗ это гораздо более «дорогие» ресурсы углеводородов по сравнению с традиционными. Поэтому часто при отнесении к тем или иным группам сырья рассматриваются не только сугубо геологические и геолого-технические причины, но и, например, географо-экономические, социальные, конъюнктурные, стратегические и пр. [6].
В литературе [6] принято делить ТрИЗ на три основные группы согласно схеме, приведенной на рисунке 1.1.
Трудноизвлекаемые запасы нефти
Тяжелые высоковязкие
нефти, природные битумы
и битуминозные пески
Нефть и газ
в сложных коллекторах
с низким коэффициентом извлечения
Остаточные запасы углеводородов
в нерационально освоенных месторождениях с осложненными геолого-промысловыми
условиями
Рисунок 1.1 – Классификация трудноизвлекаемых запасов
По данным экспертных оценок остаточные запасы конденсата (100 %) по видам количественно распределены следующим образом (рисунок 1.2):
1) конденсат, оставшийся в слабопроницаемых пропластках и участках – 27 %;
2) конденсат в застойных зонах однородных пластов – 19 %;
3) конденсат оставшийся в линзах и у непроницаемых экранов, не вскрытых скважинами – 24 %;
4) капиллярно-удержанный и пленочный конденсат – 30 % [7].
Рисунок 1.2 – Круговая диаграмма распределения остаточных запасов
конденсата в пласте по видам
Согласно диаграмме не менее 24 % всех трудноизвлекаемых запасов конденсата приходится на конденсат, оставшийся в пласте в результате неэффективной разработки месторождения.
Разработка газоконденсатного месторождения может осуществляться в режиме истощения пластовой энергии или с поддержанием пластового давления. На истощение газоконденсатные месторождения разрабатываются при небольшом содержании конденсата в газе, когда применение методов поддержания пластового давления по соображениям экономики не целесообразно. Такой режим разработки месторождения ведет к потере значительных объемов газового конденсата: коэффициент газоотдачи
75…90 %, коэффициент извлечения конденсата составляет при этом 30…50 %. Низкие значения коэффициента извлечения конденсата обусловлены выпадением конденсата в пласте в результате снижения пластового давления. Таким образом, эффективный способ увеличения коэффициента извлечения конденсата – поддержание пластового давления близким или выше давления начала конденсации. Тогда значение коэффициента извлечения конденсата будет стремиться к коэффициенту газоотдачи [8 10].
Одним из наиболее широко используемых методов повышения пластового давления является закачка воды в продуктивные пласты. Опыт разработки заводнением газовых месторождений с неоднородными по коллекторским свойствам пластами показывает невысокую степень газоотдачи (коэффициент извлечения газа от 50 % и менее). Это связано с тем, что при заводнении газоконденсатной залежи возможны значительные потери газа в пласте. По мнению Закирова С.Н., Индрупского И.М., Рощина И.В.,
Закирова Э.С., Аникеева Д.П., при заводнении теряется не просто газ, а газ вместе с конденсатом [10].
В сложившейся ситуации одним из наиболее правильных с точки зрения разработки и охраны недр методов освоения месторождения с трудноизвлекаемыми запасами является технология с рециркуляцией газа в газоконденсатной части залежи, описанная такими учеными, как
А.Х. Мирзаджанзаде, О.Л. Кузнецов, К.С. Басниев, З.С. Алиев и др. По окончании извлечения основных и остаточных запасов конденсата возврат газа в пласт завершается, и залежь может использоваться как подземное хранилище газа [11].
Такой режим разработки, обеспечивающий отбор газа с дополнительной добычей конденсата (благодаря поддержанию пластового давления газовыми методами), получил название сайклинг-процесса (англ. cycling process) [12] и вкратце описан в трудах Р.И. Вяхирева, А.И. Гриценко, Р.М. Тер-Саркисова.
Гуревич Г.P., Cоколов B.A., Шмыгля П.T. описывают сайклинг-процесс как метод разработки НГКМ с использованием газа для поддержания пластового давления путем его закачки обратно в продуктивный горизонт. При этом может быть использован газ, добываемый на данном месторождении или из других залежей. Такой метод разработки НГКМ предотвращает ретроградную конденсацию высококипящих углеводородов из пластового флюида (который иначе будет потерян в пласте) [8].
Данный метод не инновационный. Впервые применять его начали в период Второй мировой войны в связи с увеличением потребности в жидких, а не газовых углеводородах как в сырье для производства топливной жидкости для военной техники, а потребность в природном газе, напротив, несколько уменьшилась. Однако, по окончании войны в связи с ростом цен на жидкие углеводороды структура потребления углеводородов существенно изменилась, а, соответственно, отбор и хранение газа стали более актуальным вопросом. В сложившейся ситуации начали рассматриваться варианты сайклинг-процесса [12].
Между тем, в России в рамках базовой налоговой системы использовать сайклинг-процесс в газодобыче до 2012 года было крайне невыгодно, так как на одни и те же объемы газа налог на добычу полезных ископаемых (НДПИ) в этом случае начислялся бы многократно всякий раз, как только закачанный в недра газ добывается повторно для очистки и обратной закачки. Очередные поправки в Налоговый кодекс устанавливают нулевую ставку НДПИ в отношении объемов природного газа, закачанного в пласт для поддержания пластового давления при отборе газового конденсата, если это предусмотрено техническим проектом разработки месторождения. Соответственно, применение сайклинг-процесса в рамках конкретных проектов разработки позволяет увеличить объемы извлеченного конденсата и оплатить НДПИ единожды, когда газ будет извлечен из недр окончательно [13].
Стоит отметить, что налоговый барьер был не единственной преградой к применению данного метода. Kоротаевым Ю.П. и Закировым C.H. отмечено, что применимость сайклинг-процесса ограничена возможностями консервации больших запасов газа в течение времени. Принято различать полный и частичный сайклинг-процессы.
Полный сайклинг-процесс характеризуется тем, что весь отбираемый из ПХГ газ после извлечения из него высококипящих углеводородов закачивается обратно в пласт. Объем закачиваемого газа уменьшается на объем отбираемых высококипящих углеводородов, и при его обратной закачке в пласт начальное пластовое давление снижается в среднем на 5 %. Если давление начала конденсации пластового флюида соответствует пластовому, то в залежи происходит частичная ретроградная конденсация углеводородов, соответственно и их потеря в пласте. Компенсировать данный эффект можно подкачкой дополнительных объемов газа из соседних месторождений.
Частичный сайклинг-процесс характеризуется закачкой некоторой части добываемого газа (как правило, 2/3 объема добываемой скважинной продукции) без высококипящих углеводородов. В этом случае пластовое давление может стать вполовину меньше начального, и больше конденсата будет потеряно в пласте [9].
Применение сайклинг-процесса возможно как на новом газоконденсатном месторождении, так и на истощенном. Однако, чем позже начинается применение данной технологии, тем ниже прогнозный коэффициент конденсатоотдачи пласта. Австралийские ученые Mingzhe Dong, Sam Huang, Keith Hutchence настаивают на необходимости использования сайклинг-процесса как первичного метода увеличения конденсатоотдачи, так как проведенные ими исследования по вытеснению тяжелых нефтей из материала керна показывают низкую эффективность [14]. Целесообразность применения сайклинг-процесса на объектах перевода истощенных нефтегазоконденсатных месторождений в подземные хранилища газа определяется экономической эффективностью, достигаемой за счёт дополнительного отбора конденсата (по сравнению с созданием ПХГ без рециркуляции) [15].
Выбор полного или частичного сайклинг-процесса зависит от физико-химических свойств пластового флюида. При наличии в пластовом конденсате низкокипящих фракций даже небольшое снижение пластового давления приводит к безвозвратным потерям конденсата; в данном случае частичный сайклинг-процесс не применим. Частичный сайклинг-процесс осуществляется на месторождениях с высококипящим конденсатом. Тогда при снижении пластового давления вполовину меньше начального потери конденсата невелики, и большая часть извлекается вместе с газом на поверхность. Выпавший ранее в залежи конденсат можно добыть путем нагнетания природного газа, при этом конденсат частично испаряется в проходящий в поровом пространстве газ. Однако, окончательный выбор варианта проведения сайклинг-процесса зависит от результатов технико-экономических расчётов с учетом особенностей месторождения и необходимости природного газа и конденсата для потребителя в рассматриваемом регионе [8, 9].
Опыт применения данного метода поддержания пластового давления в таких странах, как США и Канада, показал, что в силу особенностей проницаемости породы выпадающий в призабойной зоне конденсат запирает газ в залежи. Эксплуатация месторождения в режиме истощения в среднем соответствует конденсатоотдаче на уровне 10…15 %. В то же время, разработка месторождения в режиме поддержания пластового давления обеспечивает рост извлечения газа в 5 раз, а конденсата в 6 и более раз. Итоговый коэффициент извлечения конденсата достигает 70 %. Такой результат с лихвой окупает высокие затраты на применение сайклинг-процесса. Исследованием закачки широких фракций легких углеводородов (ШФЛУ) и сухого газа в истощенные газоконденсатные месторождения занимались также зарубежные ученые M. Metwally (Канада), F.Kalyadijan (Франция), E. Chang, (США) и др. [14, 15].
|
