Лекция 15.

Внутрипластовое горение.

При ВГ тепло образуется непосредственно в пласте за счет сжигания части пластовой нефти при фильтрации окис­лителя. Метод заключается в инициировании горения нефти в призабойной зоне зажигательной скважины специальными источниками тепла при одновременном нагнетании окисли­теля (воздуха) и последующем перемещении фронта горения по пласту к добывающим скважинам. После образования ус­тойчивого очага горения в пласт нагнетают окислитель или смесь окислителя и воды. При этом часть пластовой нефти (10 -15 %) сгорает, и выделяющиеся в результате реакции га­зы горения, пар и другие компоненты эффективно вытесняют нефть из пласта.

Различают два основных варианта внутрипластового го­рения - прямоточный и противоточный. Направление пере­мещения фронта горения в нефтяном пласте зависит от места возникновения очага горения и направления подачи окисли­теля. Если температура призабойной зоны вокруг нагнета­тельной скважины поднята до необходимого уровня, горение инициируется именно в этой области и его фронт перемеща­ется в направлении вытеснения нефти - от нагнетательной к добывающим скважинам. В этом случае процесс называют прямоточным горением.

Если же повышают температуру призабойной зоны до­бывающей скважины и очаг горения возникает в ее окрест­ности, то фронт горения распространяется к нагнетательной скважине, т.е. в направлении, противоположном направле­нию вытеснения нефти. Такой процесс называется противоточным горением.

При внутрипластовом горении действует широкий ком­плекс механизмов извлечения нефти, вытеснение ее газооб­разными продуктами горения, водой, паром; дистилляция легких фракций нефти; разжижение нефти под действием высокой температуры и углекислого газа. Таким образом, одновременно используются почти все известные методы воздействия на нефтяной пласт. Образованные за счет дис­тилляции легкие фракции нефти переносятся в область впе­реди теплового фронта и, смешиваясь с исходной нефтью, играют роль оторочки растворителя.

В связи с тем, что тепловая энергия образуется непо­средственно в пласте, исключаются тепловые потери по стволу скважин, которые имеют место при закачке теплоно­сителей. Кроме этого при внутрипластовом горении зона внутрипластового генерирования тепла перемещается в на­правлении к добывающим скважинам, поэтому снижаются тепловые потери в окружающие породы через кровлю и по­дошву пласта.

Сухое прямоточное горение

Лабораторные опыты по внутрипластовому горению по­казывают, что в пласте существуют несколько, резко отли­чающихся друг от друга переходных зон. При сухом прямо­точном горении в пласте можно выделить пять характерных зон, нумерацию которых удобно приводить в направлении движения фронта горения.

Схема распределения характерных зон и температуры

При прямоточном внутрипластовом горении

Зона 1. В этой области пласта фронт горения уже про­шел, она состоит практически из сухой породы без нефти. В порах фильтруется окислитель. Температура в ней достаточно высокая, плавно увеличивается в направлении вытесне­ния. По мере фильтрации по этой зоне происходит нагрева­ние закачиваемого окислителя за счет контакта с нагретым коллектором.

Зона 2 - это зона горения. В ней происходят высокотем­пературные окислительные процессы, т.е. горение остаточ­ного коксоподобного топлива. Температура в этой зоне дос­тигает своего максимального значения, равного температуре горения, которая обычно составляет 350 – 600⁰ С. В резуль­тате реакции горения образуется углекислый газ, двуокись углерода и вода.

Зона 3 представляет собой зону образования остаточного топлива. В ней под действием высокой температуры проис­ходит крекинг и пиролиз фракций нефти, которые не были вытеснены к этому времени, с образованием жидких и газо­образных продуктов с последующим растворением в нефти впереди фронта горения. Из тяжелых остатков, в результате сложных термохимических реакций образуется коксоподобное вещество, которое служит топливом для поддержания процесса внутрипластового горения, а газообразные и жид­кие углеводороды потоком газов горения и пара, образован­ного из реакционной воды, вытесняются в направлении фильтрации.

В зоне 4 происходит испарение воды, содержащейся в пласте в свободном и в связанном состоянии, а также раз­гонка легких фракций нефти, которые вытесняются в зону 5 горячей воды. В начале зоны горячей воды происходит кон­денсация паров воды и углеводородных газов, образованных в зоне 4.

При сухом горении ввиду малой теплоемкости закачи­ваемого окислителя, основная доля выделившегося тепла ос­тается позади фронта горения и не участвует в процессе вы­теснения нефти. Впереди фронта горения температура пласта довольно резко снижается вплоть до пластовой температуры, так как переброшенное потоками газа тепло расходуется на нагрева­ние породы и содержащейся нефти. А позади фронта, наобо­рот, из-за рассеивания тепла в окружающий пласт породы наблюдается плавное её снижение. Поэтому размер прогре­той области впереди фронта существенно меньше, чем поза­ди фронта.

Для повышения эффективности процесса необходимо увеличить переброску тепла из зоны горения в зоны вытес­нения. Этого можно добиться за счет повышения теплоемко­сти закачиваемого агента.

Влажное внутрипластовое горение

Процесс влажного внутрипластового горения (ВВГ) за­ключается в том, что в пласт вместе с окислителем закачива­ется в определенном соотношении вода, которая позволяет увеличить конвективный перенос тепла через фронт горения.

За счет переброшенного тепла впереди фронта горения обра­зуется обширная область пласта, охваченная тепловым воз­действием.

Сверхвлажное горение

Диапазон изменения соотношения закачиваемый в пласт объемов воды и воздуха колеблется примерно в пределах от I до 5 м³ воды на 1000 м воздуха. При увеличении водо-воздушного соотношения в закачиваемой смеси воды и воз­духа тепловая энергия, выделяемая при горении остаточного топлива в пласте, становится недостаточной для испарения всей массы закачиваемой воды. Зоны пара 2 (позади фронта горения) и горения 3 все больше и больше сужаются и, нако­нец, исчезают полностью. Процесс высокотемпературного окисления (горения) переходит в процесс низкотемператур­ного окисления остаточного топлива. Лабораторные опыты показывают, что при определенных условиях возможно под­держание этого процесса и перемещение зоны повышенной температуры, близкой к температуре испарения воды. Такой процесс получил название сверхвлажного горения.

Этому процессу характерно следующее: во всей области теплового воздействия в фильтрующемся потоке жидкости присутствует вода; экзотермические реакции, необходимые для поддержания процесса, протекают в прогретой зоне; окислительные реакции происходят в низкотемпературном режиме; полное вытеснение нефти после теплового фронта не достигается.

Противоточное горение

Если инициирование горения произвести в призабойной зоне добывающей скважины, а закачку воздуха - в нагнетательную скважину, то фронт горения распространится к нагнетательной скважине, т.е. навстречу потоку воздуха. Такой процесс называется противоточным горением

Метод противоточного внутрипластового горения не получил широкого распространения. Он применяется только при разработке неглубокозалегающих битумных месторож­дений, где при пластовой температуре битумная нефть неподвижна.