Тепловые методы разработки

Введение

Общеизвестно возрастающее значение нефти в мировой экономике и стремительные темпы роста её добычи во всём мире. Так, по данным BP Statistical Review of World Energy 2017, с 1900 по 2016 год мировая доыбча нефти возросла с 20 млн. тонн до 4382 млн. тонн. Вследствие этого, темпы производства промышленных запасов нефти отстают от темпов её добычи. Причиной этому стал целый ряд факторов, включая рост сложности условий поиска и разведки месторождений нефти, а также ограниченность мировых запасов этого вида сырья. В связи с этим, по прогнозам исследователей, запасы нефти могут быть полностью исчерпаны к 2068 году. Кроме того, необходимо понимать, что хотя нефть используется преимущественно в качестве энергетического сырья, она также необходима для производства множества химических продуктов разного рода. Именно поэтому сегодня крайне важной задачей для всего мира является повышение эффективности разработки месторождений нефти, поскольку это позволит максимизировать использование данного ресурса и сохранить его на значительно более длительный срок. Помимо этого, увеличение переработки добываемого углеводородного сырья является приоритетной задачей промышленного развития России, т.к. продукция нефте- и газохимии является вторым сырьевым эшелоном на фоне первичной добычи нефти и газа. И, поскольку большинство российских нефте- и газоперерабатывающих заводов были построены 50-60 лет назад, в настоящее время проводится масштабная модернизация устаревшего технологического оборудования заводов, ввод в эксплуатацию новых производственных мощностей с высокой степенью автоматизации процессов и многое другое. Тем не менее, последние десятилетия развития нефтяной промышленности России характеризуются ухудшением структуры запасов нефти. Особое внимание все больше занимает проблема разработки залежей нефти, сложенных карбонатными коллекторами, содержащими нефть повышенной и высокой вызкости. При этом на сегодняшний день нефть высоковязкая и повышенной вязкости составляет более чем 30% мировых разведанных запасов. В россии же запасы нефти в таких коллекторах составляют около 50%.
В мировой практике широкое применение нашли три способа разработки залежей высоковязких нефтей и природных битумов: карьерный и шахтный способы разработки, «холодные» способы добычи и тепловые методы добычи.
Как показывает практика, одними из наиболее эффективных, изученных и выгодных с экономической точки зрения являются тепловые методы разработки нефтяных месторождений.
Тепловые методы воздействия за многолетнюю историю эксплуатации применялись и применяются в большинстве нефтегазодобывающих регионов России и бывшего СССР: Башкортостане, Татарстане, Краснодарском крае, Пермском крае, на Сахалине, а также Узбекистане, Казахстане и других регионах, есть аналогичный опыт применения тепловых методов и в странах дальнего зарубежья. Применяемые на практике основные модификации теплового воздействия, как на межскважинную зону, так и на призабойную зону пласта (ПЗП): сухое и влажное внутрипластовое горение, вытеснение нефти паром, горячей водой, пароциклические обработки скважин, электротепловой прогрев ПЗП, закачка горячей нефти и нефтепродуктов, термокислотные обработки. Такие технологии эффективны в первую очередь на месторождениях вязкой и высоковязкой нефти. Эффективность тепловых методов в основном обеспечивается снижением вязкости нефти за счет повышения температуры и улучшающихся при этом условий вытеснения. При нагревании от +2025 до +100120 ºС вязкость нефти может быть снижена от 1000 до 520 мПа с.
Тепловые методы разработки нефтяных месторождений высоковязких нефтей, как и все другие методы, должны способствовать выполнению главной задачи развития нефтедобывающей промышленности - максимальному удовлетворению потребностей народного хозяйства в нефти на базе технического прогресса, обеспечивающего наименьшие затраты общественного труда при возможно наиболее полном извлечении запасов нефти из недр.
Актуальность темы данного исследования обусловлена тем, что потребление энергии в современном мире продолжает расти, в то время как запасы нефти и газа, являющиеся на сегодняшний день основными энергоносителями, сокращаются быстрыми темпами. Отсутствие универсальных методов повышения нефтеотдачи пластов вызывает необходимость координации научного и производственного потенциала в вопросах разработки, испытания и внедрения новых инновационных технологий.
Помимо этого, в современных реалиях наблюдается серьёзное истощение активно разрабатываемых месторождений нефти. Это обуславливает повышенное внимание нефтегазодобывающих компаний к внедрению методов разработки нефти с высокой степенью вязкости и природных битумов. В структуре запасов с каждым днем возрастает процент малых месторождений, где преобладают трудноизвлекаемые запасы. Именно поэтому, для сохранения уровня добычи нефти в Российской Федерации, крайне необходимо осовение новых технологий, которые будут обладать достаточной энергоэффективностью, а также уровнем экологической безопасности. Одним из таких методов могут стать тепловые методы, которые считаются наиболее перспективными в области разработки месторождений высоковязкой нефти. Более того, существует множество месторождений со свойствами, структурой и условиями залегания сырья, которые в совокупности серьёзно ограничивают возможности в их разработке, делая тепловые методы единственным оптимальным вариантом.
Таким образом, целью данного исследование является изучение современных тепловых методов обработки, их влияния на нефтяную промышленность и на качество получаемого сырья.

Глава 1. Виды тепловых методов разработки нефтяных месторождений и их роль в нефтяной промышленности
На сегодняшний день технологии постоянно развиваются и обновляются. Всего выделяют три вида спобов разработки месторождений:
- первичные способы, принцип действия которых основывается на извлечении нефти с применением потенциала внутренней энергии пласта; в данном случае приток нефти происходит за счет действия естественных природных сил;
- вторичные способы, которые предполагают извлечение нефти за счет поддержания энергии внутри пласта, что осуществляется путём закчаки туда газа или воды;
- третичные способы представляют собой методы, направленные на увеличение нефтеотдачи (поэтому их еще называют МУН) и осуществляются путём закачки агентов, которые позволяют использовать потенциал внутрипластовой энергии с помощью химического, газового, микробиологического и теплового воздействия.
По результатам различных исследований было установлено, что МУН могут позволить значительно повысить коэффициент извлечения нефти, а также улучшить её свойства. Однако проблема заключается в том, что каждое месторождение индивидуально и для достижения определенного эффекта необходимо детальное изучение всех составляющих проекта. К примеру, опыт применения паротеплового воздействия на пласт в Пермской области компанией ОАО «ЛУКОЙЛ» - после подобных мероприятий, резко выросла обводненность продукции, разрабатывать данный участок стало нерентабельно. А в Тюменской области, к примеру, с учетом природных свойств пласта, наиболее актуальна закачка горячей воды. Во-первых, это эффективно в суровых погодных условиях, во-вторых, данный метод дешевле паротеплового воздействия [21].
Термические методы разработки нефтяных месторождений являются одним из основных способов добычи высоковязкой битумной нефти. Эти методы основаны на резком снижении вязкости нефти при нагреве, что позволяет увеличить подвижность флюидов в пористой среде. Термические методы представлены: закачкой пара; внутрипластовым горением; паротепловым воздействием; закачкой горячей воды; и др. Среди них наиболее распространены паротепловое воздействие, внутрипластовое горение и пароциклические обработки скважин.
Паротепловым методом воздействия на пласт называют способ, при котором пар нагнетают с поверхности в пласты с низкой температурой и высокой вязкостью нефти через специальные паронагнетательные скважины, расположенные внутри контура нефтеносности. Пар, обладающий большой теплоемкостью, вносит в пласт значительное количество тепловой энергии, которая расходуется на нагрев пласта и снижение относительной проницаемости, вязкости и расширение всех насыщающих пласт агентов – нефти, воды, газа. В пласте образуются следующие три зоны, различающиеся по температуре, степени и характеру насыщения:
1) Зона пара вокруг нагнетательной скважины с температурой, изменяющейся от температуры пара до температуры начала конденсации (400–200°С), в которой происходят экстракция из нефти легких фракций (дистилляция нефти) и перенос (вытеснение) их паром по пласту, то есть совместная фильтрация пара и легких фракций нефти. 2) Зона горячего конденсата, в которой температура изменяется от температуры начала конденсации (200°С) до пластовой, а горячий конденсат (вода) в неизотермических условиях вытесняет легкие фракции и нефть. 3) Зона с начальной пластовой температурой, не охваченная тепловым воздействием, в которой происходит вытеснение нефти пластовой водой.
При нагреве пласта происходит дистилляция нефти, снижение вязкости и объемное расширение всех пластовых агентов, изменение фазовых проницаемостей, смачиваемости горной породы и подвижности нефти, воды и др.
Вытеснение нефти паром – метод увеличения нефтеотдачи пластов, наиболее распространенный при вытеснении высоковязких нефтей.
Внутрипластовое горение - это метод извлечения нефти, основанный на использовании способности углеводородов (нефти) в пласте вступать с кислородом воздуха в окислительную реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества теплоты. Он отличается от горения на поверхности. Генерирование теплоты непосредственно в пласте – основное преимущество данного метода.
Процесс горения нефти в пласте начинается вблизи забоя нагнетательной скважины, обычно нагревом и нагнетанием воздуха

. Теплоту, которую необходимо подводить в пласт для начала горения, получают при помощи забойного электронагревателя, газовой горелки или окислительных реакций.
После создания очага горения у забоя скважин непрерывное нагнетание воздуха в пласт и отвод от очага (фронта) продуктов горения (N2, CO2, и др.) обеспечивают поддержание процесса внутрипластового горения и перемещение по пласту фронта вытеснения нефти.
В качестве топлива для горения расходуется часть нефти, оставшаяся в пласте после вытеснения ее газами горения, водяным паром, водой и испарившимися фракциями нефти впереди фронта горения. В результате сгорают наиболее тяжелые фракции нефти.
Циклическое нагнетание пара в пласты, или пароциклические обработки добывающих скважин, осуществляют периодическим прямым нагнетанием пара в нефтяной пласт через добывающие скважины, некоторой выдержкой их в закрытом состоянии и последующей эксплуатацией тех же скважин для отбора из пласта нефти с пониженной вязкостью и сконденсированного пара. Цель этой технологии заключается в том, чтобы прогреть пласт и нефть в призабойных зонах добывающих скважин, снизить вязкость нефти, повысить давление, облегчить условия фильтрации и увеличить приток нефти к скважинам.
Механизм процессов, происходящих в пласте, довольно сложный и сопровождается теми же явлениями, что и вытеснение нефти паром, но дополнительно происходит противоточная капиллярная фильтрация, перераспределение в микронеоднородной среде нефти и воды (конденсата) во время выдержки без отбора жидкости из скважин. При нагнетании пара в пласт он, естественно, внедряется в наиболее проницаемые слои и крупные поры пласта. Во время выдержки в прогретой зоне пласта происходит активное перераспределение насыщенности за счет капиллярных сил: горячий конденсат вытесняет, замещает маловязкую нефть из мелких пор и слабопроницаемых линз (слоев) в крупные поры и высокопроницаемые слои, то есть меняется с ней местами.
Именно такое перераспределение насыщенности пласта нефтью и конденсатом и является физической основой процесса извлечения нефти при помощи пароциклического воздействия на пласты. Без капиллярного обмена нефтью и конденсатом эффект от пароциклического воздействия был бы минимальным и исчерпывался бы за первый цикл.
Высокая эффективность применения тепловых методов разработки обусловлена особенностями в строении подобных пластов: так, неоднородность их структуры создаёт серьезные ограничения в использовании традиционных методов возедйствия на пласт, к которым относят площадное заводнение, внутриконтурное заводнение и другие. В основном это связано с тем, что прорыв воды при заводнении к добывающим скважинам происходит значительно быстрее в зависимости от степени вязкости нефти. Вследствие этого, коэффициент извлечения нефти (КИН) также уменьшается, что в целом снижает рентабельность разработки месторождения. Именно поэтому наиболее эффективными и оптимальными методами воздействия являются тепловые и комбинированные с тепловыми методами (в сочетании с кислотными, газовыми, полимерными и другими), поскольку при подаче тепла в пласт, происходит снижение вязкости нефти. Это, в свою очередь, положительно сказывается на её подвижности как при вытеснении, так и при капиллярной пропитке блоков. Более того, подача тепла в пласт приводит к улучшению смачиваемости пористой среды, т.е. делает её более гидрофильной, а это оказывает благоприятное воздействие на процесс доотмыва нефти с породы.
Однако, как и у любых методов разработки нефтяных месторождений, у тепловых имеются как преимущества, так и недостатки. Тем не менее, о достоинствах и недостатках того или иного метода нефтедобычи нельзя судить однозначно без конкретной привязки к разрабатываемому месторождению, структурногрупповому составу и физико-химическим свойствам добываемой нефти, возможности использования местных дешевых химических реагентов и др. Исходя из этих начальных данных, утверждается проект разработки месторождения, в котором отражены темп ввода скважин в строй, плотность сетки скважин и их размещение, возможность использованию различных методов интенсификации добычи нефти и т.д. Кратко остановимся на достоинствах и недостатках основных методах нефтедобычи, применяемых в настоящее время. В настоящее время сформулирован ряд сильных и слабых сторон тепловой разработки залежей. К достоинствам относят:
- оптимальное применение в месторождениях высоковязкой нефти, который частично обусловлен невозможностью внедрения иных методов;
- высокую эффективность использования тепловых методов;
Недостатки метода:
- сложно регулируемый процесс;
- требует значительных капитальных вложений;
- циклическое нагревание и охлаждение обсадной колонны вызывает нарушения цементного камня, резьбовых соединений, интенсифицирует коррозию оборудования;
- пожаро-взрывопасный процесс.
Таким образом, использование тепловых МУН, хотя и имеет ряд серьёзных недостатков, способно оказать благоприятное воздействие на процесс добычи нефти и его эффективность [1].
Итак, на основе вышесказанного, можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день тепловые методы разработки нефтяных месторождений являются неотъемлемой частью всей нефтяной промышленности. И, хотя на данный момент их действие на различные по структуре залежи не до конца изучено, уже сегодня известно их положительное влияние на процесс добычи сырья.
Раздел 2 современные проблемы добычи нефти и роль тепловых методов в их решении
Нефтяной комплекс является стратегически важным звеном в экономике России и имеет большое значение в социально-экономическом развитии страны, что обусловлено не только высокой степенью концентрации существенного объема мировых запасов нефти на территории России, но и историческим развитием отечественной промышленности. Результаты деятельности нефтяной отрасли составляют основу базы для формирования федерального бюджета, обеспечения стабильного курса национальной валюты, и от них прямо зависит, насколько быстро и успешно будут преодолены последствий мирового финансового кризиса и экономических санкций, введенных странами Западной Европы и Северной Америки. В этой связи особенно важным представляется применение новейших научно-обоснованных методов использования залежей нефти.
Распад СССР на отдельные независимые государства и переход России к рыночным отношениям кардинально изменили принципы функционирования нефтяного комплекса и его институциональную структуру. В 1991 г. было упразднено Министерство нефтяной и газовой промышленности и, как следствие, отменено централизованное управление нефтяным комплексом. В 1992 г. структура отечественного нефтяного комплекса представляла из себя около 2000 разделенных предприятий. На фоне экономического кризиса и падения цен на нефть обозначились основные проблемы отрасли:
- неэффективное недропользование (низкий уровень показателя «коэффициент извлечения нефти» – 25% по сравнению с 35%-ным среднемировым);
- основные фонды нефтедобывающего и перерабатывающего комплекса нуждаются в инвестициях и обновлении, поскольку высок уровень их физического и морального износа (от 50% до 70%);
- использование устаревших производственных технологий при добыче нефти;
- низкая глубина переработки нефти и низкое качество нефтепродуктов на действующих НПЗ (в 1960 г. показатель составлял 67%, в конце 1980-х гг. – 63%) [17].
- наличие большого количества малорентабельных, мелких месторождений.
Важно отметить, что одним из основных недостатков нефтяного сектора экономики РФ является экспорт сырой нефти. Установка нефтеперерабатывающих комплексов с использованием современных технологий и оборудования, а также производство нефтепродуктов, соответствующих международным стандартам качества, намного бы повысили эффективность функционирования данного сектора экономики. Другим недостатком, требующим непосредственного вмешательства государства, является наличие морально и физически устаревшего оборудования в отрасли и отсутствие масштабных разработок по его импортозамещению на базе современных технологий. Этот процесс достаточно трудоёмкий и финансово-затратный, многие компании предпочитают покупать уже готовое оборудование за рубежом, чем вкладывать финансовые средства в их отечественную разработку [13].
Увеличение темпов роста добычи нефти в России ранее осуществлялось за счет использования серьёзного тезнического потенциала, созданного еще в советский период. Советский Союз смог достигнуть мирового уровня добыи. Однако на сегодняшний день в Российской Федерации структура остаточных запасов нефти значительно отличается от той, что существовала 25 лет назад. Она отличается качественным ухудшением. Об этом можно судить по большому количеству истощенных месторождений в регионах, где нефть добывалась в течение длительного периода. В то же время новые месторождения, как правило, содержат в себе запасы высоковязкой нефти, или же преобладают в подобных залежах. В целом в России доля трудноизвлекаемых запасов нефти достигает приблизительно 60%, а в старых нефтедобывающих районах, таких как, к примеру, Республика Татарстан, она может составлять более 80%.
В сложной ситуации особенно важно концептуально осмыслить проблему. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2035 года, главными вызовами в области недропользования являются [1]:
- изменение структуры разведанных запасов топливно-энергетических ресурсов в пользу трудноизвлекаемых и сложнокомпонентных (увеличение доли трудноизвлекаемой и сверхвязкой нефти);
- недостаточный прирост ежегодных объемов запасов углеводородов, осуществляемых за счет открытия новых месторождений;
- недостаточная эффективность эксплуатации действующих месторождений в части полного и комплексного извлечения топливноэнергетических ресурсов;
- недостаточная эффективность механизма регулирования недропользования - от поисковой стадии до завершения разработки и ликвидации месторождений.
Очевидно, что работа по ликвидации отмеченных издержек ведется