Механизм извлечения нефти из недр с использованием внутрипластового горения

Методы извлечения нефти из недр при использовании внутрипластовых окислительных процессов основаны на идее подземной газификации угля, выдвинутой в 1888 г. Д.И. Менделеевым. В 30-х гг. текущего века советские ученые А.Б. Шейнман и К.К. Дубровай предложили извлекать нефть методом ее подземной газификации с созданием в пласте экзотермической окислительной реакции, переходящей в горение. Ими были сделаны первые попытки инициирования внутрипластового окисления нефти на одном из. месторождений Краснодарского края.

Однако в 30-х—50-х гг. внутрипластовое горение на практике не применяли вследствие его недостаточной изученности. В конце 50-х к в начале 60-х гг. возрос интерес к методу извлечения нефти из недр с использованием внутрипластового горения. В СССР, США, ВНР, СРР, Франции, Нидерландах и в ряде других стран были осуществлены опытно-промышленные работы, показавшие возможность промышленного извлечения нефти из недр путем осуществления внутрипластового горения. Были проведены многочисленные исследования, способствовавшие современному пониманию механизма внутрипластового горения и совершенствованию его технологии. Теоретически было доказано, что скорость тепловой конвекции меньше скорости движения фронта горения при закачке в пласт в качестве окислителя воздуха, и затем экспериментально и теоретически установлено, что ускорить перенос тепла в пласте можно путем осуществления влажного внутрипластового горения.

В СССР устойчивый процесс внутрипластового горения был осуществлен в 1967 г. на месторождении Павлова Гора в Краснодарском крае и на месторождении Сходница на Украине. В опытах, проведенных на этих месторождениях, были получены доказательства длительного существования и перемещения в пласте области, где происходит интенсивная окислительная реакция, «очага горения», а также возможности существенного дополнительного извлечения нефти при внутрипластовом горении.

Метод извлечения нефти из недр с использованием внутрипластового горения успешно применяют на нефтяных месторождениях СССР, СРР, ВНР, США. Исследования показали, что при развитии процесса внутрипластового горения в пористой среде пласта сгорает в основном тяжелый остаток нефти, получивший название кокса, так как более легкие фракции нефти испаряются перед областью горения в результате повышенной температуры и переносятся потоком газов вперед по пласту по направлению к добывающим скважинам.

В процессе разработки нефтяного месторождения методом .внутрипластового горения в качестве окислителя применяют главным образом воздух, закачиваемый в пласт через специальные воздухонагнетательные скважины. Нефть отбирается из добывающих скважин вместе с продуктами горения и водой, которую также можно закачивать в пласт в те же воздухонагнетательные или в специальные водонагнетательные скважины.

Операцию создания в пласте внутрипластового горения начинают с его возбуждения, инициирования. Для этого в нагнетательную скважину, в которой предполагают начать процесс горения, опускают нагревательное устройство (глубинную горелку или электронагреватель) и нагнетают воздух. Воздух, обладая существенно меньшей вязкостью, чем насыщающие пласт нефть и вода, проскальзывает сквозь нефть и воду, частично вытесняя их из пласта, к забоям добывающих скважин. Так осуществляется сообщаемость (сбойка) воздухонагнетательных и добывающих скважин. Затем включают глубинное нагревательное устройство и вводят тепло в пласт. В результате в нем повышается температура, скорость окисления нефти возрастает и окисление переходит в горение.

На рис. 10 схематично показан график изменения температуры вблизи скважины в процессе инициирования внутрипластового горения. Здесь кривые 1 и 2, которым соответствует время , пока не отражают появление в пласте источника интенсивного выделения тепла; кривая 3 (время характеризует резкое изменение температуры; кривая 4 соответствует началу перехода медленной окислительной реакции в горение, а кривая 5 (время )—сформировавшемуся фронту горения с температурой Т=Т_*. Внутрипластовое горение может быть инициировано в определенных условиях без дополнительного подогрева пласта путем его самовозгорания.

При реакции окисления нефти углерод и водород, входящие в ее состав, соединяются с кислородом, образуя при интенсивном горении окись и двуокись углерода, а также воду, а при низкотемпературном окислении — окислы углеводородов и органические кислоты.

Если пластовое давление сравнительно невелико (до 5МПа), а температура 420—450 К, при содержании в нефти легких углеводородов в пласте в результате реакции окисления образуются в значительном количестве окислы органических соединений и кислоты, а при температурах, больших 470—520 К,— только двуокись углерода и в небольшом количестве окись углерода. В этом случае окислительная реакция превращается в реакцию горения.

Химическую формулу горения остатка нефти — кокса запишем следующим образом:

Где - численные коэффициенты химических реакций; n—отношение числа атомов водорода Н к числу атомов углерода С в коксе; λ - отношение числа молей СО₂ к числу молей СО в продуктах горения.

Если, например, кокс представлен твердым парафином, химическая формула которого . Однако при написании формулы реакции будем рассматривать только одну группу , поскольку для дальнейшего изложения потребуются относительные данные участвующих в реакции веществ (например, сколько приходится кислорода на единицу массы кокса и др.).

В реакции, протекающей по формуле все атомы водорода переходят в воду. Поэтому должно быть d=n/2. Далее, приравнивая число атомов углерода в левой и правой частях, имеем

По кислороду получим

Следовательно, химическая формула горения приобретает вид

Важный параметр пласта, подвергаемого воздействию горением,— содержание в единице его объема кокса. Это содержание обозначим z_T. Таким образом, объем воздуха , необходимого для выжигания кокса в 1 м³ пласта и приведенного к стандартным условиям, составит

где α₁; — содержание кислорода в воздухе; α₂ - степень использования кислорода.

Необходимо заметить, что из 1 кг/моль кокса при развитом процессе горения в пласте приходится кг-молей кг/молей воды.

Сухое и влажное пластовое горение.внутрипластовый горение

Внутрипластовое горение, осуществляемое путем нагнетания в пласт только воздуха, получило в теории и практике разработки нефтяных месторождений название сухого внутрипластового горения. Опыты, проведенные в лабораторных условиях, теоретические исследования, а также измерения температуры в реальных пластах, из которых нефть извлекается с использованием внутрипластового горения, показали, что для сухого внутрипластового горения характерна кривая изменения температуры для прямолинейного пласта, показанная на рис. 11. Температура Т_* соответствует положению фронта горения с координатой Х_ф. На этой кривой виден излом на расстоянии х_Т от начала координат. Это связано с конвективным переносом тепла. Сечение пласта с приближенной координатой х=х_Т называется фронтом конвекции. В процессе внутрипластового горения фронты горения и конвекции с координатами Х_ф иХ_Т перемещаются по ходу движения закачиваемых в пласт веществ.

Рис. 11. Кривая изменения температуры при сухом внутрипластовом горении

Скорости перемещения этих фронтов с координатами Х_ф иХ_Т зависят от различных факторов, и поэтому они, по существу, не одинаковы. В прямолинейном случае скорость перемещения х_ф. По аналогии с тепловой конвекцией, возникающей в пласте при закачке в него горячей воды, для скорости фронта конвекции при сухом внутрипластовом горении можно написать формулу

Для дальнейшего анализа характера движения фронта горения и конвекции примем, что воздух — идеальный газ. Условно будем также считать, что температура позади фронта конвекции, т. е. при равна пластовой. С учетом этих допущений имеем

Здесь -плотность воздуха соответственно при стандартных условиях и пластовых условиях.

Рассмотрим отношение скорости фронта горения ω_ф к скорости фронта конвекции w_r. Имеем

Формулу можно упростить, учитывая незначительность второго члена в числителе но сравнению с первым. Так, используя наиболее характерные значения входящих в величин, получим

Тогда

Оценим по вышеуказанной формуле, принимая Имеем

Таким образом, скорость движения в пласте фронта сухого горения почти в 7 раз превышает скорость фронта конвекции. Это означает, что тепло, генерируемое в зоне горения, остается позади фронта горения, бесполезно уходя в породы кровли и подошвы пласта. Совершенно ясно, что тепло будет эффективно использоваться только в том случае, если оно переносится в область, расположенную перед фронтом горения, и опережает его. Тогда обеспечивается извлечение легких фракций нефти из пласта до подхода фронта горения, где остаток нефти сгорает.

Каким же образом ускорить конвективный перенос тепла при внутрипластовом горении? Оказалось, что это возможно за счет увеличения теплоемкости движущихся в пласте веществ при добавлении сравнительно небольшого количества воды к нагнетаемому в пласт воздуху. Внутрипластовое горение, осуществляемое путем закачки в пласт окислителя вместе с водой, получило название влажное горение.

Проведем в случае совместной закачки в пласт воздуха и воды при влажном внутрипластовом горении такой же анализ движения фронтов горения и конвекции, что и в процессе сухого горения. Будем считать, что в некоторой области пласта, где совместно фильтруются воздух и вода, водонасыщенность равна 5.

Тогда для скорости фронта конвекции по аналогии с формулой получим

Для скорости фронта горения имеем то же выражение . Принимая те же допущения, что и при выводе формулы , и пренебрегая конвективным теплопереносом за счет воздуха, в случае влажного горения окончательно получим

Здесь — водовоздушное отношение (отношение объема воды, движущейся в пласте, к объему воздуха, замеренного при стандартных условиях). Если, например, на 1000 стандартных м³ воздуха приходится 1 м³ воды, то . оценим для влажного горения.

В п ер во м с л у ч а е

При таком водовоздушном отношении фронт горения будет двигаться быстрее фронта конвекции только в 2,15 раза.

Во вто р о м с л у ч а е При тех же условиях, как и в первом,

Следовательно, если то при влажном горении фронт конвекции уже опережает фронт горения.

Таким образом, в третьем случае фронт конвекции уже более чем в 2 раза движется быстрее, чем фронт горения. Установленное экспериментальным путем и расчетными методами распределение температуры в прямолинейном пласте имеет вид, показанный на рис. 12. Если процесс горения интенсивный, т. е. зона окислительной реакции имеет небольшой размер, то при влажном горении, как и при сухом, продолжает существовать «пиковая» температура Т_* За этой температурой по ходу движения фронта горения расположена зона 3 со сравнительно мало меняющейся по координате х температурой. Эта область получила название парового плато, так как она в значительной степени насыщена, помимо продуктов горения, водяным паром.

Вытеснение нефти из пласта происходит в зоне, прилегающей спереди к фронту конвекции (см. рис. 12) с координатой х_Т. Опыты показывают, что в области пласта, по которой проходит фронт горения, практически не остается нефти: легкие ее фракции путем гидромеханического вытеснения или дистилляции переносятся вперед по ходу процесса, а кокс сгорает.

Поэтому впереди фронта конвекции образуется нефтяной вал. Когда этот вал подойдет к выходу из пласта, накопленную добычу нефти при влажном горении определить очень просто — она равна разности между первоначальным содержанием нефти в охваченной процессом области за вычетом количества сгоревшей нефти в виде кокса и нефти, накапливающейся в нефтяном вале.

С увеличением водовоздушного отношения область, где происходит окислительная реакция, расширяется. При этом _;влажное горение переходит в так называемое сверхвлажное горение.

Если водовоздушное отношение увеличивается в большей степени, кокс может не полностью выгореть, температура в зоне окислительной реакции снизится и горение перейдет сначала в окислительную реакцию с образованием вместо двуокиси и окиси углерода и воды окислов углеводородов и органических кислот, а затем с дальнейшим увеличением Т_* может совсем прекратиться. Расчет процесса извлечения нефти из недр с применением влажного внутрипластового горения, проводят с помощью сложных уравнений неизотермической многофазной многокомпонентной фильтрации с учетом химических реакций в пористой среде. Решение указанных уравнений реализуется на современных мощных ЭВМ.

Однако достаточно просто расчет процесса извлечения нефти из прямолинейного и радиального пластов можно провести по приближенной методике.