Разработка нефтяных месторождений

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 20.3. Распределение температуры (à) и насыщенности Sñâ (á) пласта при закачке пара

Рис. 20.4. Схема технологического процесса при паротепловых обработках добывающих скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 20.5. Схема линейного пласта с условиями для задачи Ловерье

Через галерею в пласт закачивается теплоноситель горячая вода с расходом q.

Основные допущения при решении задачи Х.А. Ловерье сводятся к следующим:

теплопотери в кровлю и подошву пласта равны qò; теплопроводность горных пород по вертикали принима-

ется равной бесконечной, а по горизонтали нулю; температура пласта на забое галереи равна температуре

закачиваемой воды Tç, а начальная пластовая температура

равна T0;

положение теплового фронта определяется координа-

òîé xô.

Процесс переноса теплоты в линейном пласте описывается дифференциальным уравнением в частных производных:

a T b T 2qT				0,							(20.10)
x		t	h
ãäå	à	ñâ âvâ; b				ññê ñê(1		m)	ñâ âò(1		Síîñò)

mSíîñò ñí í; ññê теплоемкость; индексы ск; в, н относятся к скелету породы, воде и нефти соответственно.

Потери теплоты в кровлю и подошву продуктивного пласта qò можно определить разными способами:

282

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По формуле Ньютона:
qò (T Tïë ),	(20.11)

где коэффициент теплопередачи.

По формуле Ловерье, получаемой из решения задачи

îраспространении теплоты в прямолинейном полубесконечном стержне.

q	T	для случая Ò const;		(20.12)
ò	t
	t	T ( )d
qò îï			для случая Ò const.	(20.13)
		îï (t )
	0

При закачке горячей воды в пласт температура в пласте во времени t по координате r рассчитывается по формуле:

T(r, t) T0
	erfc				( ),	(20.14)
Tç T0			cïë ïë
		2		( )
			ñâ â

где ( ) единичная функция, которая равна 1 при ( ) 0 и равна 0 при ( ) 0.

Величины и зависят от расчетной схемы пласта.Линейный пласт:

4 ïët

;

(20.15)

c

2

(

h

2

ïë

h

îõâ

)

ïë

4 îï x

;

(20.16)

c

â

q h h

â

â îõâ

ñïë ïë

ññê ñê(1 m) ñí íSím ñâ âSâm,

(20.17)

ãäå x расстояние от линии нагнетания; hîõâ охват пла-

ста по толщине.

Радиальный пласт:

			4 ïët						;	(20.18)
	c			h	2	(	h 2
			ïë				îõâ	)
ïë
										283

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

		4 îï r2						;			(20.19)
	c			q h h
â			â â îõâ
rпрогр					câ â qât					,	(20.20)
					c		ïë		h h
				ïë					îõâ

ãäå t время с начала закачки теплоносителя.

При закачке пара в пласт определяем температуру пласта по формуле Ловерье с учетом изменения параметров.

Линейный пласт

		4 îï x(Tç T0)						.	(20.21)
	q h(ñ x				i	ñ T )
ï			ï	ï	æ	â 0
Радиальный пласт
	4			x(T T )r2				,	(20.22)
q h(ñ				x	i	ñ T )
			îï		ç	0
ï			ï	ï	â	â 0

ãäå qп расход пара на 1 м толщины пласта; ñп удельная теплота парообразования воды; õп степень сухости пара; iв удельная энтальпия воды; ñв теплоемкость воды.

Остаточную нефтенасыщенность пласта, после прохождения пара можно оценить по формуле:

S	( T) Ae b T.	(20.23)
í îñò

Площадь прогретой зоны определяется по формуле Маркса Лангенхейна:

Sïð

qò h hîõâcïë ïë

exp erfc

2

1 ,

(20.24)

(Tç T0)4 îï ñîï îï

ãäå qò qïõïrï

qïñâ(Òç

Ò0) темп подачи теплоты в

пласт;

4 îï ñîï îï

t,

(20.25)

2

(

h

2

2

2

h

îõâ

) c

ïë

ïë

ãäå rï скрытая теплота парообразования.

284

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рассчитав площадь прогретой зоны, можно найти ее радиус.

Для обеспечения устойчивости фронта вытеснения необходимо соблюдение следующего условия:

kí			àã		ví	1.	(20.26)
			k		v
	í
		àã		àã

Это означает, что градиент потенциала в нефтенасыщенной части пласта должен быть выше, чем в зоне фильтрации рабочего агента (пар, вода).

Количество теплоты, накопленной в прогретой зоне пласта, равно:

Q (r2	r2)h h		T	(r) T	c	.	(20.27)
ò	c	îõâ ñð		0	ïë	ïë

При этом необходимо иметь в виду, что количество теплоты, требуемой для нагрева объема воды Qâ на вели- чину температуры Ò, равно:

Q 4,19 103	TQ .	(20.28)
ò	â

При использовании тепловых оторочек, проталкиваемых по пласту водой, расход тепловой энергии будет меньше, но и нефтеотдача пласта также будет ниже. Оптимальными размеры оторочки будут в том случае, если отношение дополнительного количества добытой нефти Qí к затратам на получение теплоты Qò будет наибольшим:

Qí max.

(20.29)

Qò

Распределение температуры в прямолинейном пласте при закачке оторочки теплоносителя, (рис. 20.6) продви-

гаемой водой, можно рассчитать по формуле:
T T1 erfc(z),								(20.30)
ãäå	z		îïx		; T T(x, t)	T0; T1	Òç Ò0,
		ah îï t		b x
				a
à	ñâ âvâ;		b	ññê ñê(1 ò)		ñâ âò(1		Síîñò)
ñí ímSíîñò.
								285

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 20.6. Динамика температуры в пласте во времени (t3t2 t1) при закачке отороч-

ки теплоносителя, продвигаемой водой

При закачке теплоносителя в пласт вследствие передачи теплоты горной породе и пластовым флюидам наблюдается отставание теплового фронта от фронта вытеснения нефти водой.

Глава 21 МЕТОД ВНУТРИПЛАСТОВОГО ГОРЕНИЯ

21.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА

Метод внутрипластового горения (ВГ), который применяется для извлечения в основном тяжелых высоковязких нефтей, связывают с идеей Д.И. Менделеева о подземной газификации углей, высказанной в 1888 г. Работы по воплощению идеи велись под г. Лисичанском в Донбассе. Однако, как известно, практического применения эта идея не получила из-за утечек воздуха в кровлю и подошву пласта и нерентабельности проекта. Вместе с тем по результатам экспериментальных исследований Государственного исследовательского нефтяного института (ГИНИ) было установлено следующее:

нефтенасыщенный пласт песчаника можно поджечь; окисление нефти можно поддерживать путем закачки

воздуха; зону горения можно перемещать по пласту;

пласт, подверженный горению, полностью отдает нефть.

286

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Первые попытки осуществить процесс внутрипластового горения были предприняты в 1934 г. сотрудниками ГИНИ А.Б. Шейнманом и К.К. Дубровай на Нефтяно-Ширван- ском месторождении Краснодарского края по рекомендации И.М. Губкина. Месторождение было открыто в 1909 г. Глубина залегания продуктивного горизонта составляла 75 80 м, коллектор толщиной 12 19,5 м представлен песками. Начальные дебиты скважин были высокие. Скважины работали фонтанным способом. Плотность нефти составляла 847 кг/м3. Всего на площади было пробурено 124 скважины. К 1926 г. месторождение истощилось.

Для проведения опытных работ был выбран участок (рис. 21.1) площадью 4 га, на котором находилось две скважины. Затем пробурили еще три скважины глубиной 100 м: нагнетательную и две добывающие на расстоянии 6 и 21 м от нее к востоку по прямой линии. Для пробного испытания на площади участка пробурили пять скважин глубиной 5 6 м на пласт «Ширванские колодцы» толщиной около 15 м. Так как пробные испытания прошли успешно, то затем перешли на более глубокий объект горизонт Е.

Все три новые скважины до начала процесса были «сухие».

Рис. 21.1. Схема опытного участка по испытанию процесса внутрипластового горения на Нефтяно-Ширванском месторождении (горизонт Е)

287

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Техническое обеспечение работ включало компрессорную станцию с тремя компрессорами производительностью 7190 м3/сут каждый и вакуум-станцию (два вакуум-на- соса). Согласно технологии, сообщаемость между нагнетательной скв. 1 и добывающей скв. 3 была установлена путем закачки воздуха в нагнетательную скважину и отсоса из двух других (скв. 2 и скв. 3). Для зажигания пласта после достижения сообщаемости между скважинами использовали три технологии:

зажигание древесным углем (угольные брикеты в ко-

личестве 60 70 кг и закачка воздуха с расходом 550 600 м3/÷);

углем с подачей жидкого топлива;

нагретыми до 250 300 С газами из устьевой газовой топки.

О начале окислительного процесса судили по росту устьевого давления в нагнетательной скважине и снижению концентрации кислорода в газе из скв. 2.

В результате в скв. 3 был получен столб нефти высотой

4 м, который восстанавливался после оттартывания. Из скв. 2 и 3 был получен газ и дистилляты. В 1 м3 газа содержалось от 200 до 230 г бензина. Процесс ВГ на опытном участке был остановлен из-за ограниченных техниче- ских возможностей.

Результаты этого промыслового эксперимента оцениваются как крупное научно-техническое достижение и первый в мире практический опыт осуществления технологии внутрипластового горения несмотря на то, что в полной мере задачи эксперимента решить не удалось. Главный результат работ состоял в том, что ВГ возможно и техниче- ски осуществимо в залежах тяжелой нефти.

С современных позиций науки и техники процесс ВГ можно охарактеризовать более детально.

Горение это процесс окисления. В пласте происходит беспламенное горение. Скорость реакции окисления нефти кислородом воздуха описывается законом Аррениуса (1889 г.):

w A0 p02 n exp	E	kf ,	(21.1)
	RT

ãäå À0 предэкспоненциальный множитель; ð02 парци-

288

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

альное давление кислорода; n показатель степени; E энергия активации; R универсальная газовая постоянная; T температура; k коэффициент, учитывающий влияние степени окисленности нефти; f степень окисленности нефти.

Топливом при ВГ является кокс, так как остальные компоненты нефти переходят в газообразную фазу и уносятся газами горения.

По результатам экспериментальных исследований концентрация кокса в нефти увеличивается с ростом плотности и имеет зависимость, характер который показан на рис. 21.2.

Участок пласта, где происходит непосредственно окислительная реакция, по размерам небольшой и по фактиче- ским замерам в процессе опытно-промышленных работ на месторождении Павлова Гора в Краснодарском крае составляет около 0,5 м. Эту зону считают фронтом горения. Минимальная скорость для поддержания окислительной реакции должна быть более 0,02 0,05 м/сут.

Существует несколько технологий реализации внутрипластового горения:

прямоточное векторы перемещения фронта горения

èзакачиваемого воздуха совпадают;

противоточное векторы фронта горения и воздуха направлены в противоположные стороны;

сухое закачивается в пласт только воздух;

влажное вместе с воздухом в пласт закачивают воду в количестве 1 3 л/м3;

сверхвлажное вместе с воздухом закачивается вода в количестве более 3 л/м3.

Рис. 21.2. Концентрация топлива Qòîï в нефти в зависимости от ее плотности í

289

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

21.2. СУХОЕ И ВЛАЖНОЕ ВНУТРИПЛАСТОВОЕ ГОРЕНИЕ

При сухом внутрипластовом горении в нагнетательную скважину закачивается только воздух. В этом случае в пласте за фронтом горения остается большое количество генерированной теплоты, на производство которого затра- чено определенное количество окислителя и которое не используется для реализации технологии. Изменение температуры в пласте при сухом ВГ показано на рис. 21.3.

Скорость перемещения фронта горения в прямолинейном пласте равна:

w	qâîç	,	(21.2)
ô	Râîçbh

ãäå qâîç расход воздуха; b ширина пласта; h толщина пласта.

Положение фронта в любой момент времени t находится из выражения:

	t
x	qâîç(t)dt	,	(21.3)
	0
ô	Râîçbh

Для радиального пласта радиус фронта горения составит:

	t
r	qâîç(t)dt	.	(21.4)
	0
ô	Râîçh

Рис. 21.3. Распределение температуры в пласте при сухом внутрипластовом горении

290