CC BY
28
УДК 533.1
А. В. Радаев
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВУХФАЗНОЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИСТЕМЫ «НЕФТЬ-ВОДА-СВЕРХКРИТИЧЕСКИЙ ФЛЮИД» В ОДНОРОДНОЙ
ПОРИСТОЙ СРЕДЕ
Ключевые слова: Процесс вытеснения нефтей из однородной пористой среды сверхкритическим СО2 при пластовых условиях, эксперимент, численное моделирование, программный комплекс STARS.
Экспериментально исследован процесс вытеснения модельной нефти масло трансформаторное водой и сверхкритическим СО2. кроме того, при помощи программного комплекса STARS процесс двухфазной трех-компонентной фильтрации «нефть-вода-сверхкритический флюид» в однородной пористой среде исследовался численно. Численная модель с качественной точки зрения, верно описывает процесс., однако значительная погрешность наблюдается в переходной области, то есть в начале процесса вытеснения нефти сверхкритическим диоксидом углерода.
Keywords: oil displacement processes of a homogeneous porous medium with supercritical CO2 at reservoir conditions, experiment,
numerical simulation software package STARS.
Experimentally studied the process of displacement model of oil transformer oil water and supercritical CO2. In addition, using the software package STARS process of two-phase three-filtering "oil-water-supercritical fluid" in a homogeneous porous medium is investigated numerically. Numerical model from a qualitative point of view, the right describes the process., However, a significant error is observed in the transition region, ie at the beginning of the process of displacement of oil by supercritical carbon dioxide.
В настоящее время для описания процесса фильтрации многокомпонентных многофазных систем применяются модели фильтрации системы «жидкость - жидкость», «жидкость - газ», описывающие многофазную многокомпонентную фильтрацию сжимаемой и несжимаемой жидкости, фильтрацию газированной жидкости [1,2]. Существующие экспериментальные данные и построенные на их основе модели фильтрации многокомпонентных систем являются научной основой вторичных методов увеличения нефтеотдачи (заводнение, па-ровытеснение и т.д.), которые характеризуются наличием пороговых ограничений (проницаемость более 0,025 Дарси, вязкость нефти менее 60 мПа • с). Для вовлечения в разработку низкопроницаемых коллекторов и высоковязких нефтей необходима разработка третичных методов увеличения нефтеотдачи, один из которых основан на применении сверхкритических вытесняющих агентов. Сверхкритические вытесняющие агенты используются на поздней стадии разработки нефтяного месторождения, при котором оно характеризуется максимальной степенью обводненности, либо применяют в виде оторочек сверхкритических флюидов и воды с целью их экономии. Основой для таких третичных технологий являются модели, описывающие процесс фильтрации системы «жидкость-сверхкритический флюид», построенные на основании экспериментальных и расчетных данных по вязкости, плотности вязкого потока, фазового распределения компонентов в пластовых системах и фазовых проницаемостях.
Целью настоящей работы является исследование процесса вытеснения нефтей из однородной пористой среды сверхкритическим СО2 при пластовых условиях - при давлениях до 14 МПа, температурах до 333 К, проницаемостях нефтяного пласта
менее 0,01 Дарси, вязкости пластовой нефти более 30 мПа • с и создание математической модели процесса фильтрации многокомпонентных многофазных систем «нефть-вода-сверхкритический флюид».
Исследования процесса вытеснения модельной нефти вязкостью 38 мПа • с водой и сверхкритическим СО2 были проведены на экспериментальной установке [3] в интервале давлений до 14 МПа, температуре до 333 К при проницаемости пласта 0,038 Дарси. В качестве модельной нефти использовалось масло трансформаторное. Результаты исследований приведены на рис. 1-3.
Рис. 1 - Результаты исследования процесса вытеснения масла трансформаторного водой в интервале давлений 10-12 МПа и температуре 333 К на модели терригенного пласта проницаемостью 0,038 Дарси
Сравнивая графики, следует отметить, что увеличение КВН водой при увеличении давления нагнетания с 8 до 14 МПа не превышало 5 %. Это говорит о том, что механизм процесса вытеснения
нефти водой основан на механическом продавлива-нии одной жидкости другой, изменение физико-химических свойств нефти и воды при данных условиях незначительно и не оказывает существенного влияния на процесс. Свойства СКФ при увеличении давления в указанных пределах изменяются значительно (плотность увеличивается 3-3,5 раза, динамическая вязкость на 40-50 %, кинематическая вязкость уменьшается в 2-3 раза), свойства пластовой нефти также значительно изменяются. Все это приводит к выравниванию фронта вытеснения нефти, а также к увеличению ее подвижности вследствие высокой растворимости СК СО2 в ней.
Таким образом, при 100%-ой начальной неф-тенасыщенности КВН СК диоксидом углерода значительно превосходит КВН водой при одинаковых термобарических условиях. Результаты также показали, что что применение СКФ на обводненном пласте позволяет увеличить КВН на 9-10 %, при этом, требуемый объем СК СО2 составляет примерно 1,3 П.О. модели пласта и примерно соответствует объему СК СО2, нагнетаемому в необводненный пласт в предыдущих опытах. Основной причиной наблюдаемого, по мнению авторов, является тот факт, что СК СО2 растворяется не только в нефти, но и в воде. При этом вязкость воды увеличивается, а вязкость нефти уменьшается. Это приводит к выравниванию фронта вытеснения. Кроме этого, применение СКФ приводит к увеличению охвата пласта по площади и объему за счет лучшего капиллярного впитывания.
Рис. 2 - Результаты исследования процесса вытеснения масла трансформаторного СК СО2 в интервале давлений 8-12 МПа и температуре 333 К на модели терригенного пласта проницаемостью 0,038 Дарси
В настоящей работе осуществлена апробация разработанной математической модели процесса двухфазной трехкомпонентной фильтрации системы «нефть-вода-сверхкритический флюид» в однородной пористой среде путем сравнения результатов математического моделирования в программном комплексе STARS с результатами экспериментальных исследований авторов [4] на примере процесса вытеснения нефти сверхкритическим СО2 на обводненной модели пласта. Результаты математического моделирования на рис. 3 и 4.
Результаты численного моделирования показали, что разработанная авторами математическая модель с качественной точки зрения верно описывает процесс вытеснения нефти сверхкритическим СО2, погрешность описания процесса фильтрации трехкомпо-нентной двухфазной системы «нефть-вода-СК СО2» не превышает 10 % в области вытеснения нефти во-
дой и при закачке более трех поровых объемов СК СО2, значительная погрешность получена в переходной области, то есть в начале процесса вытеснения
♦ ♦♦
♦ ♦
♦ 12МПэ_333 К
Рис. 3 - Результаты исследований по вытеснению трансформаторного масла из модели обводненного пласта при давлении 12 МПа и температуре 333 К
Рис. 4 - Результаты моделирования процесса вытеснения масла трансформаторного сверхкритическим СО2 из обводненного пласта при давлении 12 МПа и температуре 60 0С
нефти сверхкритическим диоксидом углерода. По мнению авторов, значительная погрешность связана с тем, что в этой области наблюдаются переходные режимы фильтрации трехкомпонентной системы, обусловленные одновременным насыщении нефти и воды сверхкритическим СО2. В процессе насыщения пластовых флюидов диоксидом углерода под высоким давлением происходит изменение вязкостей нефти и воды в сторону их выравнивания. При этом окончание выравнивание вязкостей просходит примерно при трех поровых объемах закачки СК СО2, что и отражается на графике - экспериментальная и расчетная кривые сливаются. Существующие модели также качественно верно описывают процесс фильтрации, однако погрешность расчета по ней выше, чем по предлагаемой. Связано это с тем, что отсутствуют надежные экспериментальные и расчетные данные по свойствам фаз «нефть-СКФ», «вода-СО2», расчет осуществляется либо по свойстам отдельных фаз «нефть», «вода» и «СО2», либо по физико-химическим свойствам систем «нефть-газообразный СО2», «нефть-жидкий СО2», а число фаз совпадает с числом компонентов, что для исследуемых систем не соответствует действительности.
Литература
1. Д.А. Эфрос, Исследование фильтрации неоднородных систем. Гостоптехиздат, Л., 1963. 349 с.
2. А.М. Пирвердян, Физика и гидравлика нефтяного пласта. Недра, М., 1982. С. 192.
3. А.В. Радаев, Н.Р. Батраков, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов. Вестник Казанского технологического университета. 3, 96-102 (2009).
© А. В. Радаев - доцент кафедры теоретических основ теплотехники КНИТУ, [email protected]. © А. V. Radaev - Associate Professor of theoretical foundations of Thermal Engineering of KNRTU, [email protected].
4. А.В. Радаев, Н.Р. Батраков, Р.Ш. Абсалямов, Р.Р. Га-лимзянов, И. Д. Закиев, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов. Вестник Казанского технологического университета. 16, 10, 245 (2013).
5. Х. Азиз, Э. Сетарри, Математическое моделирование пластовых систем. Недра, М., 1982. С. 407.
