Анализ методик по проведению термодинамических исследований пластовых флюидов

АННОТАЦИЯ
Цель. Метод. Результат. Выводы.
Ключевые слова: ключевое слово; ключевое слово; ключевое слово.
Состояние термодинамической системы предопределяется спектром значений ее термодинамических параметров, под которыми понимают физические величины. Традиционно данные величины описывают макроскопические свойства системы, а их вычисление осуществляют по математической зависимости от физических величин, поддающихся непосредственному изменению. Кроме того, указанные физические величины устанавливают количественно, что также допускается в практической деятельности [1].
На современном этапе развития гидродинамическое моделирование выступает в качестве основного инструмента для прогнозирования состояния термодинамической системы, в том числе, в рамках разработки месторождений углеводородов и анализа их эксплуатации. В связи с этим, планомерно создаются различные программные продукты, а нефтегазовые компании накопили богатый опыт в сфере их использования. В качестве обязательного структурного элемента формирования любой гидродинамической модели, в том числе, модели газоконденсатной залежи, выступает создание PVT модели пластового флюида. Изучение пластовых флюидов, равно как и математическое моделирование их свойств, осуществляются с целью получения информации, необходимой для вычисления запасов, проектировки процессов по разработке и эксплуатации месторождений, а также с целью прогноза составов добываемого сырья в динамике разработке месторождений и прогноза баланса подготовки и переработки.
В данном аспекте, особое значение приобретает проблема изменения состава пластового газа, который подлежит добыче, по мере падения давления в рамках разработки залежи на истощение. На практике указанная задача решается посредством проведения исследований термодинамического характера. Так, в рамках проведения эксперимента, посвященного дифференциальной конденсации, определяется количество пластовых потерь, а также состав добываемого газа. Также в данном аспекте стоит учитывать тот факт, что в рамках определения коэффициента извлечения конденсата из пласта, объективной необходимостью является определение его пластовых потерь в динамике, а также к концу разработки месторождения [2]. Стоит отметить, что максимально точное описание флюида, равно как и понимание его основных PVT-свойств приобретает особое значение для формирования решений в сфере планирования, строительства, эксплуатации и мониторинга скважин.
Методики термодинамических PVT-исследования на установках фазовых превращений
Методика проведения PVT эксперимента
ООО «ВНИИГАЗ»
Это одна из первых методик созданная для проведения PVT экспериментов на установках фазовых превращений. Так, после осуществления загрузки пробы в бомбе осуществляют повышение температуры до пластовой температуры и ступенями повышают давление до пластового давления. В данном аспекте особое значение приобретает наблюдение за объемом жидкой фазы, которая идет на убыль. Для того чтобы установить фазовое равновесие, объективной необходимостью является включение мешалки на пять минут, причем на каждом этапе повышения давления. После того, как перемешивание прекращается, бомбу оставляют в состоянии покоя на 15 минут. Очевидно, что с помощью данного алгоритма определяется давление, при котором конденсат будет полностью растворяться в газовой фазе. Стоит отметить, что на практике данное давление также устанавливается посредством снижения давления в бомбе с помощью поршня. Опыт по определению давления начала конденсации будет повторяться несколько раз. При дифференциальной конденсации, выпуск целесообразно проводить поэтапно, а именно, по 15-20 % в час от объема загруженного газа. Так, первые 10 % снижения давления осуществляют сравнительно небольшими ступенями, после чего этапы снижения давления в бомбе устанавливаются таким образом, чтобы получить шесть-восемь точек в целях построения кривой дифференциальной конденсации. В данном случае поршень измерительного пресса бомбы полностью вдвигается в бомбу.
После каждого из этапов снижения давления в бомбе, для замеров скопившегося конденсата устанавливают равновесие фаз. Равновесие в данном случае считается установленным только тогда, когда при постоянной температуре и объеме рабочей камеры в бомбе при дальнейшем перемешивании не меняется давление и объем конденсата, который скапливается в данных условиях. На базе данных опытов формируется график выпадения сырого конденсата от снижения пластового давления. В данном аспекте для построения кривой дифференциальной конденсации стабильного конденсата проводят специальную серию опытов. Так, на основе газового фактора загружают в бомбу пробы конденсата и газа. Затем создают в бомбе пластовую температуру и давление, а также устанавливают фазовое равновесие. Затем осуществляют дифференциальный процесс конденсации до намеченного давления, а скопившийся конденсат приводят в фазовое равновесие с газовой фазой перемешиванием мешалкой. Бомбу оставляют в покое на стекание до тех пор, пока количество конденсата, который скопился в данных условиях, перестанет изменяться. После в обязательном порядке замеряют количество сырого конденсата. Скопившийся конденсат передавливают посредством измерительного пресса из сепаратора в стеклянную U-образную трубку, помещенную в баню, тем самым, осуществив замер количества конденсата. Стоит отметить, что при передавливании конденсата в трубку во избежание прорыва газовой фазы, у нее оставляют затвор конденсата у выпускного вентиля. Затем по линейке штока максимально точно замеряют количество передавленного конденсата, а газ, который выделился из конденсата, собирают в газовую бюретку.
Узнав суммарное количество конденсата, который образовался в бомбе, а также количество конденсата, который был взят на дегазацию, осуществляют подсчет общего количества стабильного конденсата. После выпуска конденсата из бомбы, все содержимое бомбы выпускается в атмосферу, а бомба загружается свежей газоконденсатной смесью. После того, как в бомбе будет установлено фазовое равновесие, из нее снова будет выпускаться газ до более низкого давления, чем предыдущее значение и весь цикл будет повторяться снова. Очевидно, что полученные результаты вполне могут быть использованы для построения кривой дифференциальной конденсации стабильного конденсата в рамках пластовой температуры.
Методика проведения PVT эксперимента
«ТюменНИИгипрогаз»
Исследование состоит из следующих этапов:
Определение коэффициента сжимаемости z газа сепарации.
Определение плотности нестабильного конденсата.
Загрузка газа сепарации и нестабильного конденсата.
Рекомбинация.
Определение состава рекомбинированной смеси.
Контактная конденсация.
Контактно-дифференциальная конденсация c определением составов равновесного газа, извлекаемого из ячейки.
Для расчета объема загрузки нестабильного конденсата в PVT-ячейку определяют плотности нестабильного конденсата в условиях сепарации и в условиях загрузки нестабильного конденсата в PVT-ячейку. Замер загружаемого объема конденсата производится при комнатной температуре посредством измерительного пресса с точностью 0.01 см3.
Рекомбинация нестабильного конденсата и газа сепарации проводится при пластовой температуре и давлении выше текущего пластового давления на 10 МПа. Однофазность достигается физическим перемешиванием фаз, вращением ячейки PVT и перемешиванием системы встроенной в поршень мешалкой. Процесс проводится в течении 10-12 часов с контролем наличия жидкой фазы через смотровое стекло.
Критериями окончания процесса рекомбинации является:
а) визуальное отсутствие жидкой фазы - тумана, капель на стекле, оптической неоднородности;
б) установившееся равновесие показателей PVT-ячейки по давлению Pяч, объему Vяч, температуре Tяч.
Рисунок 1 - Принципиальная схема выпуска газа
из ячейки PVT
В процессе контактной конденсации снижение давления проводится путем увеличения объема ячейки. Снижение давления для определения давления начала конденсации первый раз ведут со скоростью 2 бар/мин определяя примерное давление с погрешностью несколько бар, затем повторно производится рекомбинация пробы и давления снижается со скоростью 2 бар/мин до точки на 10 бар выше определенного давления начала конденсации при первом расширении, затем снижение давления происходит со скоростью 0.5 бар/мин для более точного определения давления начала конденсации.
Давление начала конденсации определяется визуально как появление жидкой фазы в ячейке РVT в виде тумана. Либо через датчик отраженного света по графику изменения показаний преломления.
Затем снижение давления осуществляется ступенчато. Ступень составляет 7-10 % от давления начала конденсации. После каждой ступени снижения давления система перемешивается в течение 60-90 минут. Процесс проводится с помощью мешалки, а также переворачиванием ячейки на 90о производится совместное перемешивание газовой и жидкой фаз.
Снижение давления производится до максимально возможного увеличения объема ячейки с количеством ступеней 10-15.
После контактной конденсации проводят повторную рекомбинацию пробы. Затем снижают давление, определяют давление начала конденсации Рнк и фиксируют объем ячейки PVT. Данный объем является исходным для начала снижения давления на каждой ступени.
Производится снижение давления в ячейке на величину в 7-10 % от Рнк. Снижение давления производится увеличением объема ячейки. Ячейку переворачивают, конденсат переливается в основной объем ячейки, приводится в контакт с газом и производится совместное перемешивание газовой и жидкой фаз. Этим достигается термодинамическое равновесие фаз в ячейке. Время перемешивания 60-90 минут.
Ячейку приводят в вертикальное положение, в рамках которого конденсат будет стекать в измерительную часть ячейки. После того, как стекание завершится, в течение 60-180 минут будет производиться замер количества жидкой фазы.
Что касается выпуска газа из ячейки, то он будет производиться посредством уменьшения ее объема при постоянном давлении. Стоит отметить, что в данном случае выпуск газа ведется до достижения первоначального объема ячейки при Рнк, после чего процесс подлежит прекращению.
После выпуска точки кран на установке будет перекрываться, а ловушку будут приводить к стандартным условиям. Затем ловушку будут извлекать, и ставить заглушки на вход и выход, после чего обтирать от хладагента, в качестве которого выступает спирт. Впоследствии необходима обдувка гелием и оставление в холодильнике на некоторое время, для профилактики испарения при контакте с атмосферой при взвешивании. На следующем этапе осуществляют замеры масс ловушку и записывают показания объема автоматического газометра. Часть газа отбирается в отборник проб, в котором он разбавляется гелием в отношении 1:1. Представляется, что это необходимо для того, чтобы сохранить однофазность газа и исключить выпадение газа из жидкой фазы. Кроме того, в данном случае оставляют гидрозатвор, что необходимо для исключения попадания воздуха и утечки пробы газа. Затем ловушку с жидкой фазой и пробоотборник с газом передается на хроматографию для определения состава.
Затем реализуется следующая ступень снижения давления, а также увеличения объема ячейки на фоне повторения всех процедур, что необходимо для достижения термодинамического равновесия. Кроме того, повторно замеряется количество конденсата в ячейке и осуществляется выпуск газа, что необходимо для восстановления объема Рнк.
Описанными ступенями производится исследование при пластовой температуре до атмосферного давления. Весь эксперимент осуществляется в 12-15 ступеней.
Пробы жидкой и газовой фазы отбирают из ячейки PVT на каждой ступени выпуска газа для дальнейшего хроматографического анализа и составления материального баланса.
Были произведены сравнение по полученным результатам по методики ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и методики ООО «ТюменНИИгипрогаз» проба заранее была рекомбинированна в контейнере и загружена последовательно в установку. Результаты по сравнению объемной доли жидкости и пластовых потерь представлены на графиках. Месторождения были взяты Восточно-Таркосалинское и Северо-Уренгойское.
Рисунок 2 - Пластовые потери по Восточно-Таркосалинскому месторождению
Рисунок 3 - Пластовые потери по Северо-Уренгойскому месторождению
При давлении максимальной конденсации объем выделившегося конденсата на Северо-Уренгойском месторождении составляет по методики ООО «ТюменНИИгипрогаз» 57.21 см3/ст.м3 против 43.21 см3/ст.м3 по методике ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (рисунок 2), по Восточно-Таркосалинскому месторождению составляет 416.24 см3/ст.м3 против 350.68 см3/ст.м3 соответственно (рисунок 3). Сравнении двух методик выявило, что методика ООО «ТюменНИИгипрогаз» ближе описывает поведение флюда при разработке залежи на истощение.
Вывод.
В целом методика ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ООО «ТюменНИИгипрогаз» очень похожи, основное различие имеется только в проведении дифференциальной конденсации, это один из основных экспериментов для определение изменения состава добываемого пластового газа по мере падения давления при разработке залежи. На основании этого эксперимента создаются PVT модели пластового флюида.
При истощении пласта происходит конденсация жидкой фазы по мере снижение давления, как и при понижении давления в PVT установке. Если рассматривать методику ООО «Газпром ВНИИГАЗ» как работу в пласте то получается что при эксплуатации меняется и объем пластового газа и пластовое давление, а объем нестабильного конденсата выделившегося при падении давления в объеме пласта не учитывается, а выходит из пласта с пластовым газом из-за выпуска на постоянном объеме снижением давления, т.е. конденсат который должен остаться в пласте по мере падения давления выноситься с пластовым газом, что не происходит при эксплуатации залежи.
Если рассмотреть методику ООО «ТюменНИИгипрогаз» то происходит падение пластового давление и изменение объема пластового газа с учетом конденсата оседающего в пласте путем выпуска объема пластового газа от точки выпуска до объема давления начала конденсации, то есть конденсат который должен осесть в пласте выделяется из пластового газа и осаждается внутри. Более долгое время стабилизации дает возможность оседания всего объема НК находящегося в пластовом газе в капельном виде.
При истощении пласта происходит смещение PVT-равновесия и происходит конденсация жидкой фазы. Огромная удельная площадь поверхностности конденсации и низкий темп снижения давления обеспечивает постоянную стабилизацию множества переходных термодинамических состояний. При моделировании истощения пласта методикой ООО «ТюменНИИгипрогаз» проводиться выпуск стабилизированного флюида, а по методике ООО «Газпром ВНИИГАЗ» PVT-равновесие смещается при выпуске и проба выпускается не стабилизированной. Вывод что методика ООО «ТюменНИИгипрогаз» ближе к реальному процессу работы пласта, чем по методике ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Литература:
Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. Брусиловский А.И. – М.: «Грааль», 2002, 575 с.
Долгушин Н.В., Корчажкин Ю.М., Подюк В.Г., Сагитова Д.З. Исследование природных газоконденсатных систем. - Ухта, 1997. - 178 с.
Современные методы измерения свойств пластовых флюидов. Бетанкур Х., Девис Т., Дон Ч., О΄Киф М., Найсуондер Д. Shlumberge 2007 г., 71-80 с.
Р Газпром 086-2010. Инструкция по комплексным исследованиям газовых и газоконденсатных скважин. М.: ООО «Газпром экспо», 2011, 319с.
СТО ТюменНИИгипрогаз 07-02-2014. Методика измерений термодинамических параметров пластовых газов и нефтей. Тюмень: ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2014. 46 с.