книги из ГПНТБ / Муравьев, Виталий Михайлович. Новые методы вытеснения нефти из пластов
.pdfБ. Б. Лапук пришел к выводу, что с помощью топки,
установленной на поверхности, при большой глубине сква
жины, нефть в пласте вообще нельзя поджечь. Это моти вируется следующим. Ввиду того что до начала нагнетания в скважину горячей газо-воздушной смеси вся система яв ляется охлажденной, потери тепла на пути движения пото ка в начальный период будут настолько велики, что в цласт
будут поступать холодные газы. Затем, по мере постепенного
прогрева всей системы, температура на забое нагнетатель ной скважины начнет увеличиваться, и в пласт будут посту пать теплые газы. К тому моменту, когда температура на забое достигнет температуры воспламенения нефти (около 400°), нефть от призабойной зоны будет оттеснена в глубь
пласта, где температура еще невысокая. При дальнейшем
нагнетании горячих газов в пласт нефть будет проталкивать-
-ся еще дальше в глубь пласта, но воспламенения ее не про изойдет, а будет иметь лишь тепловой эффект вытеснения
пластовой нефти.
Этот вывод Б. Б. Лапука в применении к пластам, со держащим легкую нефть, был подтвержден и последующими опытами в СССР и за рубежом. Работы по подземной гази фикации нефтяных пластов, проводимые ИГИ Академии наук СССР с 1934 по 1938 г., не были завершены и не дали ответа на многие вопросы, связанные с этой проблемой.
Так, не были разработаны ни гидродинамические, ни тепло технические вопросы проблемы горения в пористой среде; остались незатронутыми вопросы миграции нефти под влия нием термического фактора, а также вопросы теплопередачи и теплопотерь в пористой среде. Очевидно, это можно объяс нить неподготовленностью научной мысли к решению этих проблем в то время.
Работы по применению тепловых методов воздействия на нефтяные пласты значительно активизировались за рубежом в последнее десятилетие. Особенно усилились работы по под
земной газификации нефтяных пластов. Как пишет Бафам
[34], многие специалисты считают, что со временем вторичные методы эксплуатации на истощенных залежах применять не
будут и заводнение будет заменено сжиганием нефти в пла сте. Таким путем будут исключены высокие расходы на пе реход ко вторичным методам эксплуатации, уменьшены рас ходы на разработку и увеличена нефтеотдача.
Для воспламенения нефти в пласте большинство специа листов рекомендует применять электрические запальники, ко торые после воспламенения можно поднять на поверхность.
При этом горение в пласте поддерживается подачей в сква жину воздуха. При горении нефти в пласте выделяется до статочное количество тепла, за счет которого нефть, находя щаяся в пласте впереди фронта горения, нагревается. Вяз
— 39 —
кость ее сильно уменьшается, а давление нагнетаемого воз духа заставляет ее двигаться по направлению к эксплуата ционным скважинам. При горении происходит крекинг, в результате которого более легкие фракции оттесняются к
эксплуатационным скважинам, а тяжелые смолистые остат ки в виде кокса остаются в песчанике, служа горючим ма териалом при дальнейшем движении фронта горения. В плас те сгорает около 10—15% заключенной в нем нефти. При этом нефтеотдача получается намного выше, чем при любом другом методе воздействия на пласты.
В 1953 г. появилась работа американских специалистов Куна и Коха [35] о повышении нефтеотдачи пласта путем частичного сжигания в нем нефти. Эти исследователи прове ли ряд лабораторных опытов по созданию передвижного оча га горения в пористой среде, насыщенной очень тяжелой и вязкой нефтью (удельный вес 1,0028, вязкость несколько сот сантипуаз). Вслед за лабораторными опытами метод стал испытываться в промысловых условиях фирмой Magnoly Petroleum. Для проведения промысловых испытании был выбран полностью истощенный участок залежи площадью 12 га на месторождении Локо в округе Джеферсон (Окла хома). Нефтеносный песчаник мощностью 4,5—6 м залегает
здесь на глубине 52 м. Плотность нефти в пласте 0,943 г/см3, вязкость — 7413 спз. Чтобы выяснить можно ли создать и под
держивать очаг горения, были пробурены три скважины,
расположенные по прямой на расстоянии 6 м одна от другой.
В одну из крайних скважин начали закачивать воздух одно временно с воспламенением пласта. Нефть отбиралась из двух других скважин. После 55 суток, когда фронт горения достиг ближайшей скважины, было добыто 13 м3 нефти. Скорость распространения очага горения была немногим
больше 0,5 м в сутки.
В следующем, более широком испытании, проведенном там же [36], использовались уже пять скважин, пробуренных по пятиточечной системе. Центральная скважина — нагне тательная, а остальные, расположенные от нее на 12 м по углам квадрата,— эксплуатационные. Последние были обо рудованы глубинными насосами.
Для наблюдения за передвижением фронта горения меж ду нагнетательной и эксплуатационными скважинами были пробурены четыре пары контрольных скважин. В одну из каждой пары этих скважин были спущены термопары про тив продуктивного пласта с интервалом 0,6 м. По показа нию температуры строились температурные профили фрон та горения. Назначение других контрольных скважин — по лучение данных о температуре и давлении на забое, а так
же отбор проб нефти и газа.
— 40 —
Перед началом процесса в нагнетательную скважину на гнетался газ до прорыва его в одну из эксплуатационных скважин. После этого в скважину через лубрикатор был спущен на бронекабеле специальный электрозапальник, ко торый после образования очага горения был извлечен на поверхность.
Воздух для поддержания горения закачивался компрес сором при давлении 12—14 атм. Всего было установлено два компрессора общей производительностью 17 85О.м3/сг/ткы.
Этот опыт также прошел успешно и позволил выявить
целый ряд параметров, необходимых для проектирования
подобных установок в широком промышленном масштабе. Успешному проведению опыта способствовала хорошо орга низованная подготовительная работа, насыщенность уста новки всеми необходимыми приборами и автоматами, высо кая культура проведения работ.
Гарбус [37] в 1956 г. опубликовал результаты промысло вых опытов по термическому воздействию на пласт, прове денных в 1953:—1954 гг. на месторождении Паркер (Илли нойс). Процесс сводился к нагреванию пласта-паро-воздуш ной смесью высокой температуры; в качестве источника теп ла служил очаг горения, созданный непосредственно в плас те сжиганием части нефти. Нефть поджигалась при темпе ратуре от 205 до 480° путем нагнетания паро-газовой смеси с добавкой кислорода. Фронт горения продвигался в глубь пласта под давлением нагнетаемой смеси.
Автор различает три зоны в пласте.
Первая зона вкдючает истощенную область пласта во круг нагнетательной скважины. Горение в этой зоне не про исходит из-за отсутствия горючего материала. Вторая зона — это зона горения. Пласт здесь прогрет до температуры вос пламенения или выше. И, наконец, третья зона представ ляет собой область, на которую не распространяется тепло
очага горения. Несмотря на ниличие огромного количества
горючего материала, горение здесь не происходит, даже если проходящие газы содержат некоторое количество сво бодного кислорода. Продуктивный песчаник мощностью 10,7 м на месторождении Паркер залегает на глубине 85— 95 м. Нефть тяжелая, вязкая, ее удельный вес при 18° ра вен 0,896.
При разработке месторождения обычными методами уда
лось получить очень незначительное количество промышлен ной нефти. Безуспешным оказалось и заводнение. На участ
ке, предназначенном для испытания описываемого метода, было пробурено восемь скважин (рис. 13).
Образование и нагнетание паро-газовой смеси осущест влялись посредством специальной установки (рис. 14). Ее основными узлами являлись воздушный компрессор, газовый
— 41
(®)— Нагнетательная скважина
• — Продуктивная скважина
х—Скважина для отвара образцов
Рис. 13. Расположение^скважин при нагнетании нагретой паро-газовой смеси в пласт
компрессор (или топливный сгорания и используемый в газовый двигатель.
Рис. 14. Схема коммуникаций установки для нагнетания в пласт паро-газовой смеси:
/— газовый двигатель; 2— воздуш ный компрессор; 3— газовый ком прессор; 4— коробка скоростей; а— водяной насос; 6— камера сго рания; 7— воздух; 8— топливо;
9— вода; 10— к скважинам
насос), водяной насос, камера качестве привода 150-сильный
Сжатый воздух и топливо
подавались в камеру сгора ния, где топливо сгорало при высокой температуре.' Для охлаждения нижней части ка меры в нее впрыскивалась вода.
Образовавшаяся в камере смесь паров воды и газообраз ных продуктов сгорания на гнеталась в пласт.
Суточная производитель
ность установки составляла
11 300 ж3 воздуха и 25 т паро газовой смеси; давление на выкиде — до 35 ат.
В среднем нагнетаемая смесь в течение испытания со-
— 42 —
держала: пара 40%, азота 47%, углекислого газа 6% и кислорода 7%.
Результаты исследования следует признать успешными.
Возврат нагнетаемого сухого газа составил 50%; осталь
ное— в пласте. На этом основании полагают, что область, из которой была извлечена нефть, имеет форму, показанную на рис. 13 (заштрихованная часть). Она примерно равна области, заключенной в квадрат с продуктивными скважи нами по углам, и составляет 0,112 га.
В процессе испытания было добыто всего 815 .и3 нефти. Достигнутое значение нефтеотдачи 7460 м3/га, или 80% на чального содержания нефти в пласте, следует считать боль шим достижением.
Некоторый интерес представляет предложенный в США вариант термического воздействия на нефтяной пласт с ис пользованием в качестве источника тепла очага горения в угольном пласте [38]. Очевидно, что этот метод применим
лишь на месторождениях, где в резрезе наряду с нефтя ными пластами имеются пропластки угля, разработка кото рых невозможна или нерентабельна.
Сущность этого метода состоит в следующем. Через угольный пласт, залегающий под нефтяным, бурят две или несколько скважин с углублением их в глины, подстилающие угольный пласт. В глинистом пропластке с помощью прямой промывки скважин создают каналы, соединяющие эти сква жины. Глина при этом разбухает и в виде грязи вымывается по затрубному пространству на поверхность. После обра зования в глинистом пропластке каверны резко увеличивают давление нагнетания и создают трещину, соединяющую скважину.
В дальнейшем воду заменяют воздухом, нагнетая его в
какую-либо из скважин. После установления циркуляции воздуха угольный пласт поджигают, продукты сгорания при этом циркулируют под угольным пластом и фильтруются в нефтяной пласт. Последний нагревается, вязкость нефти сни жается, и она отбирается через эксплуатационные скважины.
Это предложение было испытано Горным бюро на место рождении Горгез (Алабама). В качестве объекта исследова ния был выбран вытянутый участок, на котором перпендику лярно его оси пробурили несколько скважин; последние обса живались до кровли нефтяного пласта, залегающего над угольным. Угольный пласт был подожжен и тем самым была доказана возможность осуществления подобного способа термического воздействия на нефтяной пласт. О результатах работ данные в печати не опубликованы.
Судя по американской литературе последних лет, из всех способов зажигания нефти в пласте при его газификации
сейчас отдается предпочтение зажиганию с помощью забой-
- 43 —
пых запальников или горелок. Имеется описание нескольких типов электрозапальников и забойных горелок, опробованных
в той или иной мере в промысловых условиях.
Сам метод подземной газификации проводился, как пра вило, в неглубоко залегающих пластах, содержащих очень вязкую нефть, которую другими способами извлекать не уда валось. Все эти работы носили еще полупромышленный ха рактер и массового внедрения не нашли.
Исследовательские работы по тепловому воздействию на пласт путем создания передвижного очага горения, кроме США, проводятся также и в других странах (Канада, Вене суэла) .
Вбюллетене научно-технической информации ТАСС
№50 (315) от 23 июня 1958 г. (стр. 18) в реферате «Новый способ добычи нефти» указывается, что способ создания передвижного очага горения испытывается в лабораториях фирмы Royal Duteh Shell в Амстердаме.
Наряду с работами по прогреву нефтяного пласта при помощи передвижного очага горения, в США за последние годы усилились исследовательские и эксперементальные рабо ты по использованию таких теплоносителей, как водяной пар
игорячая вода.
Всвоем докладе на IV международном конгрессе в Риме в 1955 г. Дж. Ван Хейнинген и Н. Шварц [25] как бы подвели
итоги работ, проведенных за последние годы в этой области американскими учеными. Оценивая различные теплоносители (воздух, газ, пар, вода), авторы доклада пришли к заклю чению, что лучшим агентом для нагнетания в пласт при
тепловом воздействии на него является вода. Этот вывод не
подтверждается работами советских исследователей, которые доказали, что насыщенный пар обладает лучшей вытесняю щей способностью, чем горячая вода.
Далее авторы доклада указывали, что месторождения с
режимом растворенного газа не перспективны для. примене
ния методов теплового воздействия. В то же время, по их мне нию, месторождения с водонапорным режимом имеют хоро шие перспективы для этих целей и притом тем лучше, чем
выше соотношение вязкости нефти и воды.
Наши же советские исследователи считают, что наиболее благоприятными объектами для тепловой обработки являют
ся не пласты, обладающие водонапорным режимом, а пласты с высокой остаточной нефтеиасыщенностью, какими в первую очередь являются залежи, имеющие режим растворенно го газа.
Наконец, Дж. Ван Хейнинген и Н. Шварц считают, что любой метод термического воздействия может дать благо приятные результаты, когда продолжительность его примене
ния равна времени эксплуатации месторождения. Этим они
- 44
объясняют неудовлетворительные результаты прежних про мысловых испытаний таких методов: испытания прекраща лись слишком рано, т. е. до того, как можно было наблюдать
существенные результаты их проведения.
Наши ученые опровергают и этот вывод и рекомендуют вместо непрерывной закачки теплового агента применять импульсный способ, при котором в пласт попеременно за качивается теплоноситель и холодная вода в качестве вы теснителя.
В Советском Союзе в послевоенные годы работы по тепловым методам воздействия на нефтяные пласты сосре доточились в основном в Институте нефти Академии наук
СССР и Украинском филиале ВНИГНИ. Институт нефти
Академии наук в основном занимался лабораторными ис следованиями по установлению зависимости нефтеотдачи на сыщенных нефтью песков от термического фактора. Опыты проводились с нефтями различной вязкости, при различной температуре и скорости движения теплоносителя.
В результате работ последних лет Г. М. Белова и А. Б. Шейнман [39] установили:
1. Процент извлекаемой нефти из песка повышается в
зависимости от количества теплоносителя и его скорости, при
этом снижается необходимая температура нагрева. В этих условиях теплового воздействия показана возможность по
лучения при нагреве песка до 200° не менее 70% нефти и при нагреве до 400°—от 84 до 93% нефти, содержащейся в песке.
2. На полноту отделения нефти от песка при прочих рав ных условиях оказывает влияние первоначальная вязкость нефти. Чем выше вязкость нефти, содержащейся в пласте,
тем выше должна быть температура нагрева и больше коли
чество и скорость |
теплоносителя, проходящего через |
пласт. |
В последнее время |
Институт нефти Академии наук |
СССР |
(А. Б. Шейнман и др.) разработал конструкции забойных горелок для создания очага горения в пласте и испытывал их в промысловых условиях. Эти работы проводились на не
глубоких скважинах в НПУ «Кинельнефть» Куйбышевского совнархоза. К сожалению, темпы работ были очень низки и практических предложений по широкому внедрению горе лок на промыслах Институт не дал.
Лучших успехов в теоретических и лабораторных иссле дованиях различных методов теплового воздействия на
пласты добился Украинский филиал ВНИГНИ. Еще в 1947— 1950 гг. ЦНИЛ Укрнефти на одном из промыслов Борислав-
нефти проводила испытания метода теплового воздействия
нагнетанием паро-газовой смеси в пласт. Получение этой смеси осуществлялось путем сжигания газо-воздушной смеси в закрытой трубе, куда добавлялась вода. Несмотря на дли тельные промысловые опыты, фактически паро-газового на
- 45 —
гнетания не происходило, а было лишь нагнетание дымовых газов и теплой воды. Причинами неудачных результатов про
мысловых опытов явились недостаточные масштабы и темпы
нагнетания.
Однако несмотря на свою безуспешность этот опыт по служил толчком для дальнейших широких теоретических и
лабораторных исследований в области теплового воздействия на пласты.
В 1953 г. проф. МНИ им. И. М. Губкина И. А. Парный впервые аналитическим путем вывел закономерности тепло обмена внутри пористой среды при нагнетании горячей воды
вскважину.
В1954 г- Э- Б. Чекалюк, К. А. Оганов и др. [40] обосновали
критерий качества теплоносителя для |
нагнетания |
в пласт. |
В своем теоретическом анализе |
они показали, |
что при |
введении в пласт теплового агента, наряду с повышением
температуры пласта, уходит тепловая энергия в окружающую среду пласта. Эффект теплообработки пласта зависит от ито гов теплообмена. Положительный эффект теплообмена между
скелетом пласта и тепловым агентом снижается, а иногда уничтожается отрицательным эффектом теплообмена между пластом и окружающей средой. Устранить или ограничить
уход тепловой энергии из пласта невозможно. Однако име ются возможности задавать темпы теплового процесса вну три пласта путем подбора количества и качества нагнетае мого агента и таким образом регулировать процесс тёплообработки пласта.
С повышением темпов теплоинжекции повышается коэф фициент полезного действия этого процесса. Следовательно,
в каждом конкретном случае можно расчетным путем опре делить необходимую скорость нагнетания теплового агента,
при которой пласт может быть прогрет до заданной тем
пературы.
Далее аналитическим путем были определены, теплоин жекционные качества различных агентов. Установлено, что теплоинжекционный процесс при обработке пласта водяным насыщенным паром совершается в 31 раз быстрее, а при об работке горячей водой в 123 раза быстрее чем при обработке
пласта горячим воздухом. Воздух, дымовые газы и. паро-газо вая смесь являются некачественными теплоинжекционными агентами и не могут обеспечить необходимых в практике темпов тепловой обработки пласта. Из всех возможных
теплоносителей лучшими являются |
вода при температуре 200° |
и выше, а также насыщенный |
водяной пар при дав |
лении 80 атм и выше. При этом; пар обладает лучшей вытес няющей способностью.
Э. Б. Чекалюк, К. А. Оганов и др. [41] впервые теорети ческим путем и лабораторными исследованиями обосновали
— 46 —
возможность перемещения горячей зоны в пористой среде путем форсированного нагнетания вслед за теплоносителем холодной воды. Они предложили наиболее рациональный ме тод тепловой обработки пласта, слагающийся из следующих процессов:
а) предварительный нагрев призабойной зоны нагнета тельной скважины до температуры парообразования;
б) нагнетание холодной воды, превращающейся в приза бойной зоне в пар;
в) перемещение горячей зоны в глубь пласта путем даль нейшего форсированного нагнетания холодной воды.
Этот метод испытывался на истощенном участке Урич месторождения Сходница и дал обнадеживающие резуль
таты.
Наряду с положительными сторонами этого метода имеют ся недостатки, один из которых—ограниченный радиус дейст вия тепловой волны; по расчету волна может дойти до 70—
100 м от нагнетательной скважины, вследствие больших теп
ловых потерь в пласте.
Поэтому тепловая обработка пласта при помощи водяного пара может осуществляться только площадным методом на подобие площадного заводнения пластов.
Наряду с изысканиями в области теплового воздействия на нефтяные пласты горячей водой и паром в Украинском филиале ВНИГНИ проводились также работы по созданию в пласте передвижного очага горения.
Первая серия опытов в лабораторных установках прово дилась на обыкновенных пластовых нефтях украинских место
рождений в двух направлениях:
1)путем нагнетания горячего воздуха с температурой
800° в модель песчаника, насыщенного нефтью;
2)путем нагнетания в модель песчаника холодного воз
духа через предварительно нагретый до температуры 600° участок модели.
В обоих случаях устойчивого горения в модели создать не удавалось. Это объясняется тем, что в пласте, насыщенном обычной нефтью с небольшой вязкостью (до 100 спз), при нагнетании горячего воздуха происходит испарение нефти и уход ее в глубь пласта. В прогретой зоне остается очень мало горючего материала, в силу чего возгорания его не проис ходит.
Устойчивый' очаг горения можно создать только в том случае, если в пласте содержится высоковязкая тяжелая нефть. Под действием высокой температуры эта нефть дает кокс, который и является горючим материалом в пласте.
На основании изложенного становится ясным, почему американским инженерам Куну и Коху [35] удалось создать
— 47 —
в пласте устойчивый очаг горения: они подобрали пласт,, насыщенный остаточной нефтью, обладающей вязкостью око ло 7400 спз с удельным весом 0,944. Такая нефть мало чем отличается от гудрона; при разложении она дает много кокса, необходимого для горения в пласте. Но месторождений с та кой вязкой нефтью и высоким удельным весом в природе ограниченное количество, и в балансе добычи нефти они не
имеют существенного значения.
В большинстве случаев добываемая нефть после возгонки оставляет в пласте недостаточное для поддержания горения кокса.
Для создания устойчивого передвижного очага горения в пластах независимо от качества содержащейся в них нефти Э. Б. Чекалюк предложил новый метод воспламенения и поддержания передвижного очага горения в пористой среде.
Этот метод состоит в нагнетании в пласт газо-воздушной смеси, воспламеняемой в призабойной зоне пласта с помощью запальника или горелки. При дальнейшем нагнетании этой смеси она создает устойчивый передвижной очаг горения в пласте.
В практических условиях применение этого метода пред полагается осуществить первоначальным нагреванием приза бойной зоны пласта при помощи забойного электронагре
вателя с последующим охлаждением стенок скважины, нагнетанием некоторого количества холодного воздуха во
избежание воспламенения смеси на забое скважины и для перемещения горячей зоны в глубь пласта.
Проверка указанного метода в лабораторных условиях дала хорошие результаты. В 1957 г. Украинский филиал ВНИГНИ подготовил проект промышленной установки для создания передвижного очага горения на месторождении Сходница, однако к осуществлению этого проекта еще не приступлено.
Из настоящего обзора тепловых методов воздействия на нефтяные пласты можно сделать вывод, что за последние годы проведены значительные работы по теоретическому обоснованию этой проблемы, было выполнено большое коли чество лабораторных и промышленных опытов с применением разных теплоносителей. Вместе с тем остался ряд нерешен ных вопросов как теоретического, так и промышленного
характера. К этим вопросам относятся следующие:
1. Теория механизма вытеснения нефти из пористой среды горячими вытеснителями.
2.Термодинамические основы парообразования и конден сации пара в пористой среде.
3.Теория горения в пористой среде.
4.Вытеснение нефти из пористой среды паром и водой выше критических температур и давлений.
—48 —