Перспективы освоения ресурсов природных УВ-систем в значительной степени связаны с разработкой залежей газо- и нефтегазоконденсата. С увеличением глубины бурения их доля в балансе газонефтяных флюидов возрастает.

Добыча газа и конденсата из залежей в глубокопогруженных низкопроницаемых коллекторах - одно из новых направлений теории и практики разработки месторождений природных УВ. В связи с этим особую актуальность приобретает решение важной научно-технической проблемы развития методологии исследования и обоснования рациональной разработки глубокопогруженных залежей. Подобные залежи - сложнейшие геолого-физические системы с низкой проницаемостью пластов-коллекторов, высокими значениями пластового давления и температуры, значительным содержанием группы С₅+ высшие (С₅+) в пластовом газе и растворенного газа в пластовой нефти. Наряду с УВ различного строения пластовые смеси могут включать многие неуглеводородные вещества.

Эффективность разработки глубокопогруженных залежей, достигаемые значения коэффициентов извлечения ресурсов из недр и динамика компонентного состава добываемой продукции в значительной мерс определяются массообменными процессами и физико-химическими свойствами фаз пластовых флюидов. Поэтому для прогнозирования разработки таких месторождений и исследования искомых закономерностей требуется создание моделей, основанных на теории многокомпонентной фильтрации. Характерной особенностью разработки низкопроницаемых коллекторов являются значительные депрессии в скважинах, что затрудняет использование известных подходов. В связи с этим в лаборатории газонефтеконденсатоотдачи ИПНГ РАН решена сопряженная задача фильтрации газоконденсатных систем: для внепризабойной зоны моделируется нестационарная фильтрация, а призабойной зоны - стационарный неизотермический приток.

Важно подчеркнуть, что описание фазового состояния и PVT-свойств природных газоконденсатных систем должно опираться на фундаментальные научные основы, быть достаточно точным для практического использования, органично входить в математические модели, описывающие современные технологии разработки месторождений.

Количественные результаты моделирования разработки залежей зависят от вида используемых фазовых проницаемостей. Для исследования качественных закономерностей привлекаются и рассматриваются, в частности, капиллярные сетки [1]. Полученные результаты указывают на принципиальное отличие фазовых проницаемостей газоконденсатных систем от тех, что получены по методикам, применяемым для нефтей. Так, в нефтяной системе газ образуется в виде пузырьков в сплошной жидкой УВ-фазе, а в газоконденсатной системе в газовой фазе образуются зародыши ретроградной жидкости, конденсирующейся на поверхности пористой среды или смачивающей ее пластовой воды. Поскольку более мелкие поры заполнены остаточной водой, конденсат формируется в более крупных порах, что вызывает уменьшение значения его критической насыщенности.

В работе [3] введена классификация типов конденсации газоконденсатных систем. При значении поверхностного натяжения между УВ-жидкостью и паром s_lv менее критического значения s_c (0,03 < s_c < 0,06 мН/м) осуществляется пленочная конденсация, т.е. ретроградная жидкость растекается и мобильна. Это характерно для околокритической области, а также зоны повышенных давлений. При s_lv>s_c возникает режим капельной конденсации, из-за чего мобильность конденсата резко снижается.

В работах [1,3] подтверждается прямая связь относительной фазовой проницаемости с поверхностным натяжением между паровой и жидкой УВ-фазами, отмеченная в более ранних работах (Asar H., Handy L.L., 1988; Bardon S., Longeron D.G., 1980): при уменьшении s_lv функции относительных фазовых проницаемостей выпрямляются и стремятся к диагоналям. Фазовая проницаемость жидкой УВ-фазы (f_l) при увеличении s_lv уменьшается более быстро, чем таковая газовой фазы (f_v).

Зависимости (1), (2) существенно различны: относительная проницаемость газовой и жидкой УВ-фаз при пленочной конденсации почти линейно зависит от их насыщенности, а при капельной конденсации описывается степенной функцией. Следует подчеркнуть, что параметры, определяющие степенные функции, различны для паровой и жидкой фаз и вполне могут быть так идентифицированы, что практически заменят неизвестные значения критической насыщенности фазами. Кроме того, зависимости (1), (2) позволяют учесть, что при стационарной многофазной фильтрации компонентный состав потока постоянен, поэтому как паровая, так и жидкая УВ сосуществующие фазы подвижны, даже если их насыщенность мала.

При значительных градиентах давления газовая (паровая) фаза фильтруется с отклонением от закона Дарси. В модели многокомпонентной фильтрации это учитывается использованием "двучленного закона", в котором коэффициент b, призванный учесть структуру поровых каналов, рассчитывается следующим образом [2 ]:

b = 8,91*10⁸t/(mk_L), (3)

где t - извилистость; m - пористость; k_L - проницаемость фазы, зависящая от ее насыщенности и поверхностного натяжения s_LV.

Для исследования использована многокомпонентная природная смесь с потенциальным содержанием группы C₅+ 398 г/м³ сухого газа. Дебутанизированный конденсат разбит на фракции в соответствии с экспериментальными данными.

Пластовая смесь моделировалась 16-компонентной системой. Группа С₅+ в соответствии с результатами фракционной разгонки разбита на девять фракций. Пластовая температура 107 °С, начальное пластовое давление 54,5 МПа, давление начала конденсации 38,6 МПа, базовая проницаемость пласта 0,0015 мкм².

Для рассматриваемой смеси при заданной пластовой температуре поверхностное натяжение s_LV всегда больше s_C, поэтому ретроградной конденсации соответствует капельный режим, характеризующийся относительной фазовой проницаемостью (2).

Динамика содержания группы C₅+ в добываемом газе имеет немонотонный характер (рис. 1). В этом заключается принципиальное отличие результатов многокомпонентной фильтрации от традиционно представляемых по данным дифференциальной конденсации. В соответствии с PVT-исследованиями снижение потенциального содержания C5+ в добываемом газе происходит после отбора около 9 % запасов сухого газа. По результатам фильтрации уменьшение содержания С5+ в добываемом газе начинается значительно раньше и зависит от темпа его отбора (дебита скважины). Так, при темпе отбора 2 % в год (дебит 250 тыс. м³/сут) снижение содержания С₅₊ начинается менее чем через год (и это несмотря на превышение начального пластового давления над давлением начала конденсации более 15 МПа!). Достигнув локального минимума, содержание С₅₊ в добываемом газе увеличивается и на непродолжительное время может превысить даже его начальное содержание. Значимость этого эффекта связана с относительной фазовой проницаемостью коллектора, которой наряду с динамической вязкостью определяются подвижность фаз и, следовательно, состав добываемой смеси.

Продолжение разработки с заданным темпом отбора газа возможно до достижения минимально необходимого давления на забое скважины. При темпе отбора 2 % в год забойное давление снижается до 3 МПа менее чем за 2 года, и, следовательно, при данном темпе отбора можно извлечь менее 4 % запасов газа. Вследствие небольшого отбора газа среднее пластовое давление близко к начальному. При меньшем темпе отбора газа наблюдаются следующие закономерности: депрессия сначала увеличивается, достигает максимума, затем монотонно уменьшается и при низком значении забойного давления вновь возрастает. Из залежи с дебитом 200 тыс. м³/сут (темп отбора 1,6 % в год) можно извлечь лишь около 25 % запасов газа (забойное давление снижается до менее 3 МПа), а при разработке с дебитом 150 тыс. м³/сут (темп 1,2 % в год) извлекаемые запасы увеличиваются кратно.

В начальный период разработки насыщенность ретроградной жидкой фазой на забое очень быстро возрастает (в рассматриваемом примере - до 50 %, рис. 2). Вследствие этого вначале содержание С₅₊ в добываемом газе становится меньше, затем подвижность УВ-жидкой фазы увеличивается, что приводит к добыче смеси с возрастающим содержанием группы С₅₊. В дальнейшем, вследствие расширения депрессионной воронки и ретроградных явлений, содержание С₅₊ в добываемом газе монотонно снижается. Несмотря на сильное отличие при различных темпах отбора газа как давления, так и температуры, максимум насыщенности ретроградным конденсатом на забое скважины практически одинаков. Отметим, что для рассматриваемого объекта максимум насыщенности ретроградным конденсатом на забое достигается уже тогда, когда вне призабойной зоны выпадение конденсата еще не происходит. Динамика насыщенности основного объема пласта ретроградной жидкой фазой по данным фильтрации и дифференциальной конденсации очень сходна. В то время как на забое скважины насыщенность составляет многие десятки процентов, ее значение вне призабойной зоны не превышает 15 %.

Важная особенность разработки низкопроницаемых коллекторов - огромное влияние проницаемости на температуру добываемого флюида в призабойной зоне скважин. Это определяется в основном взаимосвязью депрессии с эффектом Джоуля-Томсона. При повышенных давлениях его дифференциальное значение весьма мало, однако огромные депрессии приводят к тому, что интегральная величина изменения температуры в призабойной зоне может составлять десятки градусов (рис. 3). Если при проницаемости 0,005 мкм² депрессия не превышает 6,5 МПа и фильтрация мало отличается от изотермической, то снижение проницаемости продуктивных отложений до 0,0015 мкм² приводит к уменьшению температуры на забое почти на 60 °С. Поэтому, несмотря на высокую пластовую температуру, для глубокопогруженных залежей необходимо прогнозирование динамики температуры на забое скважины с целью более достоверного определения РТ-условий в скважинах и промысловом оборудовании, в частности для идентификации возможных условий гидратообразования, выпадения твердой фазы в результате отложения высокомолекулярных соединений, входящих в состав добываемой смеси, и для достоверного прогнозирования устьевых параметров.

Поскольку проницаемость пласта оказывает большое влияние на динамику давления и температуры в призабойной зоне, то соответственно это сказывается и на других параметрах процесса, в частности на насыщенности ретроградным конденсатом в призабоиной зоне. Так, при повышении проницаемости не только уменьшается максимальное значение насыщенности ретроградным конденсатом в призабойной зоне, но для ненасыщенных пластовых систем само образование ретроградных жидких "пробок" может происходить значительно позже (рис. 4).

Смесь, моделирующая пластовый флюид, получена рекомбинацией сухого газа рассматриваемой газоконденсатной системы и дебутанизированного конденсата с более тяжелым фракционным составом. Потенциальное содержание группы С₅₊ – 634 г/м сухого газа; пластовая температура 107 °С; давление начала конденсации равно начальному пластовому давлению 54,5 МПа. Характеристики пласта - те же.

Результаты показывают, что многие особенности, выявленные при исследовании низкопроницаемых ненасыщенных залежей, характерны и для газоконденсатных месторождений, у которых давление начала ретроградной конденсации пластовых смесей равно начальному пластовому давлению. Следует подчеркнуть, что для разработки таких залежей типичны немонотонный характер изменения содержания C₅₊ в добываемом газе в начальный период разработки, существенная неизотермичность фильтрации в призабойной зоне, немонотонность изменения депрессии при постоянном темпе отбора газа, а также необходимость отбора пластового газа со значительно меньшим дебитом, чем это принято при добыче газа из коллекторов обычного типа.

Начальный этап разработки характеризуется резким падением содержания C₅₊ в добываемом газе и стабилизацией этого показателя (рис. 5). Это вызвано насыщенностью пластовой смеси и пленочным режимом фильтрации. Жидкая ретроградная пленка на поверхности пористой среды возникает практически сразу не только в призабойной зоне, но и вне нее. Несмотря на высокую фазовую проницаемость, из-за большей динамической вязкости скорость фильтрации пленки меньше, чем у паровой фазы. Поскольку содержание С₅₊ в паровой фазе ниже, чем в жидкой пленке, суммарное содержание стабильного конденсата в добываемой смеси меньше, чем в исходном пластовом газе.

При переходе от пленочного к капельному режиму конденсации фазовая проницаемость ретроградной жидкой фазы резко снижается, что приводит к значительному уменьшению содержания С₅₊ в добываемой смеси. После достижения локального минимума содержание C₅₊ в добываемой смеси возрастает. Это происходит вследствие увеличения фазовой проницаемости жидкой УВ-фазы, из-за роста ее насыщенности. Достигнув локального максимума, содержание С₅₊ в добываемой смеси монотонно снижается до начала прямого испарения. Следует отметить, что в отличие от рассмотренного случая ненасыщенной системы (см. рис. 1) для насыщенной в период монотонного снижения С₅₊ в добываемой смеси эта величина в основном выше той, что представлена по результатам дифференциальной конденсации. Это объясняется тем, что при дифференциальной конденсации ретроградная жидкая фаза неподвижна, а в случае многокомпонентной фильтрации ее доля в потоке возрастает с увеличением насыщенности, которая может быть весьма велика для пластовых флюидов глубокопогруженных залежей (в рассматриваемом случае при отборе 10 % сухого газа насыщенность УВ нестабильным конденсатом на контуре залежи - около 20 %).

Известно, что процессы стабилизации в пластах такого типа отличаются длительностью. Во время исследования скважин вначале (это время может составлять многие часы) содержание С5+ в добываемом газе резко снижается, после достижения некоторого минимума - возрастает (этот процесс тоже измеряется многими часами) и, наконец, стабилизируется на постоянной величине. Согласно существующим представлениям и инструкциям стабилизированный состав соответствует пластовой смеси. Однако результаты исследований показывают, что это не всегда так. Для недонасыщенных пластовых смесей стабилизированный состав может содержать С5+ больше, чем в "истинной" пластовой смеси, а при исследовании насыщенных систем - меньше, чем в действительности.

Научное обоснование рациональной разработки глубокопогруженных залежей природных УВ требует комплексного применения современных достижений геологии, газогидродинамики, термодинамики, физики пласта, прикладной математики и др. Один из примеров такого подхода - развитие и применение теории многокомпонентной фильтрации пластовых систем с фазовыми превращениями и учетом неизотермичности процесса. На этой основе получены новые результаты, показывающие настоятельную необходимость дальнейшего развития теории разработки глубокопогруженных залежей.

1. A phenomenological modeling of critical condensate saturation /F. Fang, A. Firoozabadi, M. Abbaszadeh, C.Radke //Proc. Ann. Tech. Conf. and Exh., Denver, Colorado. - 1996. -P.371-383.

2. Liu X., Civan F., Evans R.D. Correlation of the Non-Darcy Flow Coefficient //JCPT. - 1995. -Vol. 34, №10. -P.50-54.

3. Nikravesh M.,, Soroush M. Theoretical Methology for Prediction of Gas-Condensate Flow Behavior //Proc. Ann. Tech. Conf. and Exh., Denver, Colorado. -1996. - P.257-272.

4. Zakirov S.N., Zakirov E.S. Pseudo-horizontal well: alternative to horizontal and vertical wells //Paper SPE 37085, Proc. International Conf. on Horizontal Well Technology. - 1996, November.

1 - дифференциальная конденсация; 2 - фильтрация с дебитом, тыс. м³/сут: а - 150, б - 200, в - 250

1 - депрессия: а - с учетом неизотермичности, б - без учета неизотермичности; 2 - насыщенность: а - с учетом неизотермичности, б - без учета неизотермичности

1 - проницаемость, мкм² : а - 0,0015, б - 0,005

Рис. 5. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ С₅+ В ДОБЫВАЕМОМ ГАЗЕ ОТ СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЗАПАСОВ СУХОГО ГАЗА ДЛЯ НАСЫЩЕННОЙ ГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СИСТЕМЫ

1 - дифференциальная конденсация; 2 - фильтрация с дебитом, тыс. м³ /сут: а - 150, б - 200