Поскольку запасы нефти не бесконечны, в нашей стране с первых лет национализациии нефтяной промышленности проводятся мероприятия, направленные на совершенствование разработки нефтяных месторождений.
Прогресс был в основном обусловлен совершенствованием метода заводнения. Значительно интенсифировать этот процесс стало возможным благодоря внутриконтурному разрезанию залежей. При современной технологии разработки нефтяных месторождений с поддержанием пластового давления путем закачки воды в пласт не обеспечивается полное извлечение геологическихзапасов нефти, вследствие чего в недрах остается свыше 50 процент, а по пластам с высоковязкой нефтью до 80-85 нефти от геологических запасов. В связи с тем, что число вводимых в разработку месторождений со сложными горно-геологическими условиями и с высоковязкой нефтью все время увеличивается, наметилась тенденция снижения среднего коэффициента нефтеотдачи по отрасли.
Особое место тепловых методов воздействия на пласт обусловлено тем, что для их реализации используются широко доступные агенты — вода и воздух, и масштабы внедрения этих методов не зависят от возможностей получения больших количеств химических реагентов, необходимых для внедрения физико-химических методов повышения нефтеотдачи пластов.
Другими важнейшим преимуществом термических методов перед большинством физико-химических методов является возможность достижения более высокой нефтеотдачи при различных условиях залеганиянефтяных месторождений. Нередко термические методы применяют когда никаким другим методом извлечь нефть из пласта не удается.
Поэтому месторождения высоковязкой нефти — первоочередные объекты для тепловых методов. К числу таких объектов относятся прежде всего месторождения Каражанбас и Кенкияк и др.
ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Начальное значение пластовой температуры и ее распределение определяются геотермическими условиями, в которых находится месторождение. Обычно пластовая температура нефтяных месторождений соответствует среднему геотермическому градиенту в данном геологическом регионе. Однако наблюдаются и существенные отклонения пластовой температуры от этой величины. Тогда считают, что пластовая температура повышенная или пониженная. Зоны земной коры с высокой температурой называются геотермальными зонами.
В процессе разработки нефтяного месторождения его пластовая температура может существенно измениться. Это происходит при закачке в пласт веществ, главным образом воды, с иной температурой, чем начальная пластовая, а также при экзотермических реакциях в пласте. В значительно меньшей степени, как это было показано в гл. II, пластовая температура изменяется за счет дросселирования извлекаемых жидкостей и газов и гидравлического 1 трения о породы пласта фильтрующихся в нем веществ.
Дипломная работа по разработке нефти
... проектных решений. Целью работы является анализ фактических данных работы оборудования Цеха подготовки и перекачки нефти Ванкорского месторождения, выявление "узких" мест технологической схемы и разработка мотивированных предложений по оптимизации производственного ... минус 10 до минус 11 °С. Наиболее теплый месяц года июль, средняя температура воздуха в июле плюс 16 °С, в отдельные дни до плюс ...
Распределение пластовой температуры под землей и изменение ее во времени называют температурным режимом месторождения. Изменение температуры в нефтяных пластах происходит в основном за счет теплопроводности и конвекции.
Нефтяные пласты не теплоизолированы от окружающих пород и от других пластов. Поэтому всякое изменение температуры на каком-либо участке по сравнению с другими участками влечет за собой ее перераспределение и перенос тепла за счет теплопроводности. Закачка в пласт воды с иной температурой, чем пластовая, и добыча из пласта нефти с пластовой температурой приводят к изменению содержания тепла в пласте и, следовательно, пластовой температуры.
Рассмотрим процесс вытеснения нефти водой из однородного прямолинейного пласта в условиях, когда закачиваемая вода имеет иную температуру, чем пластовая. Будем считать для простоты, что вытеснение нефти водой поршневое, причем остаточная нефтенасыщенность s HO ct уменьшается с увеличением температуры по определенному закону.
Допустим, что в рассматриваемый однородный пласт закачивается вода с температурой меньшей, чем пластовая. Поскольку в случае поршневого вытеснения нефти водой из обводненной области не вытесняется нефть даже при пластовой температуре, то при значении ее меньшем, чем пластовая, из этой области тем более не будет вытесняться нефть.
Вследствие того что рассматриваемый процесс вытеснения нефти водой происходит в неизотермических условиях, когда температура в пласте не остается неизменной, необходимо использовать уравнение переноса тепла в пласте. Для вывода этого уравнения рассмотрим элемент прямолинейного пласта, показанный на рис. 1. Слева в элемент пласта длиной Ах, высотой h и шириной b (рис. 1) поступает вода с температурой Т.
При вводе воды в элемент пласта с иной температурой, нежели температура воды в элементе, происходит перекос тепла за счет конвекции. Кроме того, тепло переносится в пласте и за счет теплопроводности. Если v BX — скорость фильтрации воды в направлении оси х, то скорость ввода тепла в элемент пласта через его левую грань за счет конвективного переноса будет . Через правую грань элемента пласта теплоотдача происходит за счет конвекции со скоростью
где с в — удельная теплоемкость воды; рв — плотность воды.
Кроме конвекции тепло переносится в пласте за счет теплопроводности. Через левую грань (см. рис. 1) элемент получает тепло со скоростью v TX , и через правую грань он отдает тепло со скоростью . Следует учитывать, что в элементе содержатся остаточная нефть и вода. Поэтому приращение теплосодержания в нем выражается следующим образом:
Тема работы «Методы повышения нефтеотдачи пластов на П.месторождении ...
... повышения нефтеотдачи пластов, которые основаны на различных процессах, происходящих в пласте. Одним из перспективных методов является термогазовое воздействие (ТГВ), ... песчаногоgпласта определяютсяgграницами егоeраспространения. Исключениеsсоставляет пласт АС7, при испытанииsкоторого получены притокиtпластовой воды из песчаныхdлинз, заполненных водой. Вsсоставе продуктивных неокомскихtотложений ...
где С Т — массовая удельная теплоемкость горных пород (минералов, слагающих горные породы); рт — плотность минералов; s — водонасыщенность.
Ах) bhAt.
Скорость и Т т распространения тепла за счет теплопроводности, как было показано гл. II, выражается законом Фурье. Если , согласно балансу тепла в элементе пласта получим
Здесь q r — скорость отдачи тепла с единицы площади кровли и подошвы пласта за счет теплопроводности. Теплоотдача как через кровлю, так и через подошву пласта учитывается цифрой 2 в последнем члене в правой части формулы.
Механизм переноса тепла в нефтяном пласте за счет конвекции имеет одну весьма важную особенность: зона с иной температурой, чем пластовая, т. е. охлажденная или нагретая, перемещается в пласте со значительно меньшей скоростью, чем. скорость движения воды в пористой среде. Это приводит к очень важному для разработки нефтяных месторождений эффекту, заключающемуся в том, что при закачке в пласт воды с температурой, отличающейся от пластовой, образующаяся при этом в пласте охлажденная или нагретая зона, в зависимости от отношения температуры закачиваемой воды к первоначальной пластовой, отстает От фронта вытеснения нефти водой.
Рис 1. Схема вытеснения нефти холодной водой из прямолинейного теплоизолированного пласта.
Докажем возникновение указанного эффекта теоретически, используя уравнение. Для большей наглядности этого доказательства упростим его, а именно: пренебрегаем переносом тепла за счет теплопроводности вдоль оси х и отдачей тепла в кровлю и подошву; вынесем за знаки соответствующих производных скорость конвективного переноса тепла св рв ув в величину
В результате, исключив из взаимно уничтожающиеся члены, получим, полагая
Т=Т
В этом случае в пласте образуется фронт охлаждения с координатой х т . Температура в области составит Т1 , а при . Фронт охлаждения по мере закачки холодной воды будет перемещаться со скоростью w T , причем
Решение уравнения в рассматриваемом случае будем искать в виде
где f — функция от переменной.
Имеем
В результате
В общем случае . Тогда равно нулю выражение, заключенное в фигурные скобки соотношения.
Таким образом, в данном случае скорость перемещения в пласте фронта охлаждения примерно в несколько раз превышает скорость фильтраций воды. Если же отнести скорость фронта охлаждения к скорости фронта поршневого вытеснения нефти водой w в , то
Следовательно, фронт охлаждения в каждый момент времени отстает от фронта вытеснения нефти водой в n раза. Это значит, что нефть будет вытесняться из пласта не охлажденной водой, а водой с пластовой температурой. Чтобы полностью охладить этот идеализированный пласт до температуры закачиваемой воды, нужно прокачать через него при указанных условиях Q B = 6,45 (s—sсв ), т. е. примерно 3,9 порового объема холодной воды.
Оценка эффективности применения методов увеличения нефтеотдачи ...
... методов. Чтобы выбрать наилучший метод, надо знать следующее: нефтенасыщенность пластов или степень их истощения , заводнения; свойства нефти и пластовой воды- вязкость, содержание серы, парафина, асфальтенов, смол, солей; коллектор ...
Однако рассмотренный пласт идеализированный — однородный и полностью теплоизолирован. В реальных же условиях, когда тепло непрерывно поступает через кровлю и подошву, если в пласт закачивается холодная вода, происходит охлаждение контактирующих с ним других пластов или слоев. Таким образом получается, что в наиболее высокопроницаемом пропластке, в который в основном проникает закачиваемая холодная вода, нефть за основную часть времени разработки вытесняется водой с пластовой температурой. При этом в высокопроницаемом пропластке не ухудшаются условия вытеснения нефти по сравнению с условиями в процессе закачки воды при пластовой температуре. В соседних же пропластках может наблюдаться уменьшение температуры и ухудшение условий вытеснения, особенно если нефть в них обладает свойством резко увеличивать вязкость с понижением температуры или в нефти кристаллизуется парафин и она приобретает неньютоновские свойства.
Во время закачки воды в пласт, с целью вытеснения из него нефти, с температурой образуется тепловая зона —область с температурой Т 2 . Переднюю границу этой зоны назовем фронтом нагрева или тепловым фронтом. Скорость продвижения такого фронта можно определить аналогично фронту охлаждения с той только разницей, что в этом последнем случае из зоны координата теплового фронта, см. рис. 3) будет дополнительно вытесняться нефть и впереди теплового фронта при образуется зона повышенной нефтенасыщенности (нефтяной вал).
В некоторый момент времени распределение насыщенности пласта водой и остаточной нефтью станет таким, как показано на рис. 3. Допустим, что к рассматриваемому моменту времени в пласт закачан объем воды, равный Q B . Тогда согласно рис. 3.
Если разделить левую и правую части приведенного выражения на произведение bh, продиффенцировать его по t, раскрыть скобки и уничтожить соответствующие члены, получим
Рассматривая баланс нефти, вытесненной из зоны в зону имеем
Из выражений получим следующую формулу:
Таким образом, и в случае вытеснения нефти из пласта водой с температурой , т. е. горячей водой, будет наблюдаться отставание теплового фронта от фронта вытеснения нефти. Нефть будет вытесняться сначала водой с пластовой температурой и только в зоне — горячей водой. Дополнительную нефть можно добывать спустя некоторое время, когда «передняя координата» нефтяного вала х н достигнет конца пласта .
Приведенная идеализированная картина изменения температурной обстановки в пласте и характера вытеснения нефти при закачке воды с температурой, неравной пластовой, была сделана только для более наглядной демонстрации эффекта отставания теплового фронта от фронта вытеснения нефти водой. Для расчетов же изменения температурной обстановки в пласте при закачке в него воды в неизотермических условиях необходимо, конечно, учитывать, как это показано при выводе уравнения теплопереноса, отдачу тепла в кровлю и подошву. При расчетах неизотермических процессов разработки нефтяных месторождений в таких случаях обычно используют два следующих способа.
1. Способ Ньютона, согласно которому полагают, что
Где б — коэффициент теплопередачи пласта.
Однако этот способ более пригоден для расчета неизотермических процессов, осуществляющихся в исследовательских целях в лабораторных условиях, т. е. с помощью физических моделей пластов. Использовать его для реальных пластов можно только при приближенных, оценочных расчетах.
Физические основы ограничения притока вод
... промытым зонам коллектора и поступления его в скважины. Это приводит к перераспределению энергии закачиваемой воды в пласте и извлечению нефти из невыработанных зон, обеспечивая тем самым регулирование ... потоков и градиента давления на фронте вытеснения нефти водой и отбора жидкостей с целью вытеснения нефти из менее проницаемых зон пласта. Результаты промышленных испытаний очагового заводнения с ...
2. Способ Ловерье, заключающийся в том, что температура по толщине пласта в каждом вертикальном сечении или в каждом элементе пласта длиной Ах считается одинаковой, а перенос тепла в кровле и подошве за счет теплопроводности принимается происходящим только в вертикальном направлении. Так как отдача тепла за счет теплопроводности происходит медленно, условно считаем, что кровля и подошва пласта простираются соответственно вверх и вниз до бесконечности.
Чтобы получить уравнение теплопереноса при поршневом вытеснении нефти водой в прямолинейном пласте, уничтожим соответствующие члены и пренебрегаем теплопроводностью в горизонтальном направлении. Будем считать, что теплоемкости воды и горных пород в рассматриваемом диапазоне изменения температуры мало от нее зависят. Поэтому вынесем их из-под знаков дифференциалов в выражении. В результате получим уравнение теплопереноса в прямолинейном пласте при поршневом вытеснении из него нефти водой
Для расчета движения вала нефти и воды в пласте можно использовать схему распределения нефтеводонасыщенности, приведенную на рис. 3.
При учете ухода тепла по Ньютону в уравнение необходимо подставить выражение для q r , определяемое формулой.
По способу Ловерье необходимо использовать решение задачи о распространении тепла в прямолинейном стержне. Если, например, кровлю пласта считать сечением, соответствующим z = 0 (см. рис. 1), то с элемента пласта длиной ; и шириной b при постоянном перепаде температур будет уходить в единицу времени количество тепла, равное
Таким образом
Где — коэффициент теплопроводности горных пород кровли и подошвы пласта х тк — коэффициент температуропроводности тех же пород.
Как видно из той формулы, скорость отдачи тепла в кровлю — подошву с течением времени t уменьшается, а при t =0 она стремится к бесконечности.
Отметим еще раз, что формула пригодна при const. При переменном перепаде температур следует использовать интеграл Дюамеля.
Если учитывать непоршневой характер вытеснения нефти водой, то уравнение несколько изменится — перед производной дТ/дх должно быть не , а член Гидродинамическая часть расчета в этом случае основывается, как я при изотермическом вытеснении нефти водой, на использовании относительных проницаемостей для нефти и воды и функции f(s, Т), определяемой выражением
Уравнение неразрывности движущихся в пласте неоднородных жидкостей останется таким же, что и при изотермическом вытеснении нефти водой. Расчет непоршневого вытеснения нефти водой в неизотермических условиях производят обычно численными методами на ЭВМ.
§ 2. ВЫТЕСНЕНИЕ НЕФТИ ИЗ ПЛАСТОВ ГОРЯЧЕЙ ВОДОЙ И ПАРОМ
С повышением температуры вязкости нефти и воды уменьшаются. При этом вязкость нефти, если она в обычных пластовых условиях значительно превышала вязкость воды, снижается более существенно. Соотношение подвижностей нефти и воды изменяется в лучшую сторону. Этот экспериментально установленный факт — главная причина использования закачки в пласт воды с повышенной температурой или водяного пара для роста нефтеотдачи пластов, содержащих нефть увеличенной вязкости. Кроме того, при закачке в пласт горячей воды или водяного пара из нефти при соответствующих условиях испаряются легкие фракции углеводородов и переносятся потоками пара и воды по пласту к забоям добывающих скважин, дополнительно способствуя увеличению извлечения нефти из недр.
Увеличение нефтеотдачи пластов с применением микробиологического ...
... за отчетный год дополнительно добыто 3,3 тыс. т нефти. Продолжались работы, направленные на повышение нефтеотдачи пластов. Таблица 2.1.1 Характеристика пробуренного фонда скважин Р а ... изменение минерального, микрокомпонентного, газового состава, физико-химических свойств пластовых и закачиваемых вод. Вместе с закачиваемой водой в горизонт попадают ряд групп бактерий (сульфатовосстанавливающих, ...
Горячую воду и пар получают в парогенераторах (котлах) высокого давления и закачивают в пласт через нагнетательные скважины специальной конструкции и со специальным оборудованием, предназначенным для работы в условиях высоких температур и давлений.
При проектировании и осуществлении закачки в пласт горячей воды и водяного пара важно знать термодинамическое, состояние воды: жидкое, в виде пара, в виде смеси воды и пара или даже в закритическом состоянии.
1)
Пусть некоторый объем воды находится в состоянии, соответствующем линии насыщения. Масса пара в этом объеме равна М п , а масса жидкой воды М в . Имеем
Здесь — сухость пара. Она изменяется от нуля, если термодинамическое состояние воды соответствует точкам, находящимся над линией насыщения, т. е. вода является жидкостью, до единицы или 100%, когда вся вода представляет собой перегретый пар.
Линию насыщения на рТ-диаграмме для воды принято аппроксимировать следующей простой зависимостью:
где р вп — давление на линии насыщения, МПа; Т — температура, К.
По формуле получают давление на линии насыщения с некоторой погрешностью вблизи точки, характеризующей критическое состояние воды.
В дальнейшем горячую воду и пар будем называть теплоносителями, закачиваемыми в нефтяные пласты в промышленных масштабах.
Важная характеристика процесса вытеснения нефти теплоносителями— пластовая температура и ее распределение. Поле температуры в пласте при закачке в него теплоносителя рассчитывают на основе уравнения теплопереноса. Рассмотрим вначале температурное поле при закачке в пласт наиболее простого теплоносителя — горячей воды. При этом будем полагать, что горячая вода закачивается в нефтяной пласт с начальной температурой Т пл при постоянной остаточной нефтенасыщенности
Итак, в прямолинейный однородный пласт ‘ через галерею (см. рис. 2) закачивается горячая вода с температурой Т 1 и расходом q . Следовательно, на входе в пласт постоянно поддерживается перепад температур . Пренебрегаем теплопроводностью пласта в горизонтальном направлении, но в отличие от рассмотренного в предыдущем параграфе идеализированного теплоизолированного пласта будем учитывать уход тепла по вертикали в его кровлю и подошву. Схема распределения температуры в пласте в этом случае будет существенно отличаться от схемы, показанной в нижней части рис. 2. В этом случае процесс теплопереноса описывается уравнением.
Запишем это уравнение в следующем виде:
Поскольку температура в каждом вертикальном сечении пласта у кровли и подошвы переменная, то формула для скорости отдачи тепла в виде использовать нельзя, так как она справедлива при . В случае же переменной температуры используем интеграл Дюамеля. В результате получим .
Повышение нефтеотдачи пласта путем закачки гелеобразующих композиций ...
... кошайской пачки, имеющие толщину 35 - 40м, являются надежной покрышкой для залежей нефти в пластах горизонта АВ1 . На Урьевском месторождении наиболее крупная по размерам и запасам ... Сургут - Омск и газопровод Уренгой - Челябинск. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения населения используются воды турон-четвертичного возраста (минерализация 275-535мг/л). При разработке нефтяных залежей для целей ...
Эта задача расчета температурного поля в пласте известна как задача Ловерье. Ее решают с использованием преобразования Лапласа, согласно которому вводится функция в виде
После подстановки получим следующее дифференциальное уравнение:
Решение уравнения с учетом граничного и начального условий если имеет вид:
Рис 4. Распределение температуры в прямолинейном пласте при вытеснении из нефти горячей водой.
Упрощению задачи расчета процесса вытеснения нефти из пласта горячей водой способствует то обстоятельство, что Тепловой фронт, как это было показано в предыдущем параграфе, сильно отстает от фронта вытеснения нефти водой. Поэтому можно считать, что нефть из нагретой области, занимающей часть пласта, перемещается по ходу вытеснения быстрее, чем изменяется пластовая температура. С учетом этого можно предположить, что остаточная нефтенасыщенность в каждом сечении нагретой области равна предельной остаточной иефтенасыщенности s HO ct , соответствующей данной температуре или данному перепаду температур Это предположение равносильно утверждению о существовании зависимости.
Такая зависимость, можно считать, существует, так как экспериментально доказано, что коэффициент конечной нефтеотдачи при многократной промывке горячей водой зависит от ее температуры. Увеличивая температуру вытесняющей нефть горячей воды, можно добиваться все большего извлечения нефти из пласта. Подставляя в величину , определяемую формулой, получим распределение остаточной нефте-насыщенности в нагретой области Общее распределение водонасыщенности в пласте в некоторый момент времени при имеет вид, показанный схематично на рис. 5. Видно, что в нагретой области 1 остаточная нефтенасыщенность возрастает, а водонасыщенность s уменьшается с увеличением х, в области 2 образуется нефтяной вал, а в области 3 происходит изотермическое вытеснение нефти водой с постоянной остаточной нефтенасыщенностью.
Изложенная схема распределения насыщенностей в пласте сходна с соответствующей схемой, используемой в модели поршневого вытеснения нефти водой, вернее, является ее обобщением на случай неизотермического вытеснения. Согласно рис. 5, для накопленного количества закачанной в пласт воды Q B 3 имеем следующее выражение:
Так как площади областей 1 и 2 равны, поскольку нефть вытеснилась горячей водой из области 1 в область 2, образовав нефтяной вал,
По формуле находим х в . Определим х 2 и s 2 . Значение s2 можно установить исходя из условия совместного движения нефти и воды в области 2 (см. рис. 5), т. е. из соотношения
Рассмотрим процесс вытеснения нефти водяным паром. Очевидно, этот процесс можно реально осуществлять только вблизи паронагнетательных скважин. Если в пласт нагнетают насыщенный пар, то по мере удаления от нагнетательной скважины в результате потерь тепла в кровлю и подошву пласта и влияния теплопроводности в горизонтальном направлении сухость пара будет непрерывно уменьшаться, так что на определенном расстоянии от нагнетательной скважины пар полностью сконденсируется и превратится в горячую воду. Однако важно отметить, что температура в области насыщенного пара будет близка к постоянной — она изменяется только вследствие увеличения или уменьшения давления при фильтрации пара.
Высоковязкая и тяжелая нефть в балансе запасов углеводородов РФ
... стимулирования, позволили начать проработку вопросов масштабного освоения запасов месторождений высоковязких нефтей, которые длительное время находились за пределами коммерческих интересов нефтедобывающих ... скважин (ПЗС), закачка в пласт теплоносителей - пара или горячей воды (неизотермическое вытеснение) [11]. Внутрипластовое горение выполняется частичным сжиганием нефти и тяжелых ее составляющих ...
Перемещение области насыщенного пара с постоянной температурой в. глубь пласта можно установить по формуле Маркса — Лангенгейма. Вывод этой формулы получают не путем решения дифференциального уравнения теплопереноса, а непосредственно на основе баланса тепла в пласте, согласно которому
Здесь q — количество тепла, вводимого в пласт в единицу времени вместе с паром; q пл — изменение за единицу времени тепла в нагретой области 1 (рис. 6); q Т — изменение за единицу времени тепла, отдаваемого в кровлю — подошву. В расчетной схеме Маркса — Лангенгейма использована схема теплопотерь Ловерье. В области, содержащей насыщенный пар и остаточную нефть с насыщенностью s но ст , температура равна температуре Т 0 нагнетаемого пара. В области 2, расположенной перед областью 1, температура равна пластовой Т пл .
х=х
Для нагретой области 1 имеем
Так как здесь искомая величина находится под знаком интеграла, уравнение интегральное. Решение этого уравнения получаем с использованием преобразования Лапласа. Оно имеет следующий вид:
Скорость теплового фронта получаем дифференцированием первого выражения
Важным показателем процесса закачки в пласт теплоносителей является — коэффициент тепловой эффективности процесса, определяемый следующим образом:
На рис. 132 показана зависимость , из которой следует, что с ростом безразмерного времени у коэффициент тепловой эффективности процесса воздействия на пласт путем закачки в него пара уменьшается, поскольку с течением времени все большее количество тепла будет уходить в кровлю и подошву пласта.
Рассмотренную схему теплопереноса в пласте при закачке в него пара можно также использовать и в случае радиальной фильтрации. Тогда вместо первого уравнения — будем иметь
где — радиус нагретой области. Функцию и безразмерное время у определяют по формуле
как и для прямолинейного пласта. Распределение насыщенностей пласта водок и нефтью в рассматриваемом случае можно установить по модели поршневого вытеснения нефти водой.
§ 3. РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПУТЕМ ЗАКАЧКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ПЛАСТ МЕТОДОМ ТЕПЛОВЫХ ОТОРОЧЕК
По этому методу вместо непрерывной закачки теплоносителя после проникновения его в пласт через определенное время можно нагнетать воду при пластовой температуре. При этом в пласте создается перемещающаяся в направлении процесса вытеснения нефти нагретая область, получившая название тепловой оторочки. Способ перемещения нагретой области в глубь пласта путем закачки в него холодной воды, т. е. воды с температурой, близкой к пластовой, был предложен в 50-х гг., но только в 60-х гг. по экспериментальным и теоретическим данным обосновали метод тепловых оторочек как способ разработки нефтяных месторождений. Были разработаны методики выбора оптимальных размеров тепловых оторочек при различных геолого-физических условиях пластов, темпах нагнетания: в пласт теплоносителей, их параметрах и других технологических показателях разработки месторождений.
Заводнение пластов
... Вследствие доступности воды, относительной простоты закачки и высокой эффективности вытеснения нефти водой заводнение стало высокопотенциальным и основным способом воздействия на пласты при ... Отдельные исследователи, учитывая только гидродинамические соображения по выравниванию фронта продвижения закачиваемой воды, рекомендовали закладывать нагнетательные скважины на значительном отдалении от ...
Использование тепловых оторочек позволяет получить несколько меньшую нефтеотдачу по сравнению с этим показателем при непрерывной закачке теплоносителей в пласт. Но в таком случае на подготовку горячей воды или пара значительно меньше тратится энергии.
Если рассматривать отношение дополнительно извлеченной нефти , получаемой при использовании метода тепловой оторочки, к затрате тепла QT на нагрев теплоносителя, то оптимальные размеры оторочки и Другие показатели теплового воздействия достигаются при условии
Конечно, если учитывать другие критерии, в принципе можно выбирать иные показатели теплового воздействия, не обязательно в точности соответствующие условию.
Рассмотрим распределение температуры в прямолинейном пласте при создании в нем тепловой оторочки за счет закачки; горячей воды, основываясь на решении. Вначале закачивают в пласт горячую воду с начальной температурой Т В момент времени температура этой воды снижается скачком до или становится при .
Так как исходное уравнение
описывающее распределение температуры при закачке в пласт горячей воды, линейное, то сумма двух его решений есть тоже решение.
Как видно из примера, вытеснение нефти из пласта при непрерывной закачке в него горячей воды приводит к несколько большему коэффициенту нефтеотдачи, чем при использовании метода тепловой оторочки, но зато количество получаемой чистой дополнительной нефти, за вычетом условно сожженной в водогрейных установках для производства горячей воды, больше в случае тепловой оторочки.
Данные в рассмотренном примере абсолютные цифры извлечения нефти и нефтеотдачи — условные. В других пластах с лучшими исходными параметрами могут быть получены большие абсолютные данные по извлечению нефти
§ 4. ТЕХНОЛОГИЯ И 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;
- л — 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 б 1 ; — содержание кислорода в воздухе; б2 — степень использования кислорода.
Необходимо заметить, что из 1 кг/моль кокса при развитом процессе горения в пласте приходится кг-молей кг/молей воды.
§ 5. СУХОЕ И ВЛАЖНОЕ ВНУТРИПЛАСТОВОЕ ГОРЕНИЕ
нефть месторождение 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 Хф и Х 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 и Х Т зависят от различных факторов, и поэтому они, по существу, не одинаковы. В прямолинейном случае скорость перемещения хф . 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 щ 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 м 3 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.
§ 6. МЕТОДИКА ПРИБЛИЖЕННОГО РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЕ НЕФТИ ИЗ ПЛАСТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЛАЖНОГО ГОРЕНИЯ
Рассмотрим процесс влажного горения, схема распределения температуры которого показана на рис. 12. При приближенном расчете процесса извлечения нефти из пласта с использованием влажного горения применим одну из разновидностей так называемых зонных моделей. Изложим рассматриваемую методику только для прямолинейного пласта. Для этого разобьем весь прямолинейный пласт длиной l на четыре зоны. В зоне близлежащей к воздуховодонагнетательной галерее движутся воздух и вода. Фактически температура в этой зоне растет постепенно — от температуры на входе в пласт до ее значения на фронте горения. Однако приближенно будем считать, что температура в зоне 1 постоянна и равна пластовой Т пл . Сплошная линия характеризует фактический температурный профиль при влажном горении, а пунктирная — его аппроксимацию. В нижней части рис. 12 схематично показано распределение насыщенностей пористой среды различными веществами.
Через зону 2, в которой протекает реакция горения кокса, фильтруются воздух в смеси с газами горения и пары воды при постоянной температуре Т* . Длина этой зоны также постоянна во времени и равна В зоне 3, насыщенной газами горения и водяным паром, может присутствовать также жидкая вода. Фронт горения с координатой ч ф движется со скоростью ш ф .
Температура в этой зоне равна Т 3 , Граница зон 3 и 4, имеющая координату х T (фронт конвекции), перемещается со скоростью. В зоне 4, простирающейся от , при температуре, равной пластовой Т пл , происходит совместная фильтрация газов горения, нефти и воды.
В качестве исходных данных при расчете процесса влажного внутрипластового горения задают расход воздуха q B 03 , нагнетаемого в пласт, а также параметры пласта: начальную нефтенасыщенность sH 0 , насыщенность связанной водой sCE ; толщину h части пласта, охваченного процессом влажного горения; содержание кокса z T , его плотность рк и теплоту сгорания Л; начальные пластовую температуру Т„ л и давление рп .-, теплофи-зические свойства пород пласта и окружающих пласт пород, а также другие необходимые параметры.
Для расчета удобно задаваться не расходом закачиваемой в пласт одновременно с воздухом воды, а отношением скорости фронта конвекции к скорости фронта горения, которое определяют исходя из расхода воздуха q 303 , параметра R B 03 и содержания кокса в породе z T .
Водовоздушное отношение л вв будет неодинаковым в различных сечениях пласта вследствие накопления воды в зоне (см. рис. 12) и образования воды в результате реакции горения.
Приступая к Определению параметров процесса извлечения нефти из прямолинейного пласта по излагаемой методике, необходимо прежде всего установить скорость фронта горения по формуле. При этом параметр R B 03 либо находят непосредственно экспериментальным путем, зная величину zт на основе лабораторных экспериментов.
В соответствии с приближенной методикой зададимся отношением скорости конвективного переноса теплоты w T (скорости движения границы зон 3 и 4) к скорости фронта горения шф , а затем определим потребное водовоздушное отношение на входе в пласт и, следовательно, необходимый расход воды. Обозначим и вычислим температуру Т 3 в зоне 3, поскольку, согласно схематизации, температуру в зонах 1 и 4 принимаем равной пластовой Т пл , При этом Т * задана (устанавливаем на основе лабораторных экспериментов по влажному внутрипластовому горению).
Для нахождения температуры Т 3 , которую приближенно будем считать неизменной как по длине пласта, так и во времени, используем соотношение баланса количества теплоты q * , генерированной в единицу времени, ее накопленное количество в пласте дпл и отдачу в кровлю — подошву q T . Имеем
Расход генерированного тепла в пласте пропорционален расходу воздуха , содержанию в пласте кокса zT , его теплоты сгорания А и обратно пропорционален параметру RB 03 , т. е.
Расход накапливаемого тепла в зоне 3 (см. рис. 12)
Здесь — удельная теплоемкость соответственно кокса, газов горения, воды и водяного пара;
- плотность соответственно кокса, воды, пара и газов горения;
- s 3 — насыщенность пористой среды жидкой водой;
Определим q T по схеме Ловерье.
Чтобы использовать соотношение, необходимо определить скорость ухода тепла в кровлю — подошву из зоны 2. Поскольку было принято, что длина этой зоны постоянна в течение всего процесса влажного горения, для установления количества теплоты , поглощаемой кровлей и подошвой пласта из этой зоны, будем считать, что на длине пласта существует прямой поток тепла в кровлю — подошву, а обратный поток тепла начинается не с момента времени а с момента времени , причем . С учетом изложенного имеем
При , что фактически и реализуется в действительности, так как размер зоны , мал имеем
Количество теплоты, поглощаемой кровлей — подошвой:
Потом получим соотношение, с помощью которого можно определить :
Из этой формулы видно, что зависит от времени t , хотя в исходном предположении было принято постоянным по длине пласта и во времени. Поэтому необходимо установить некоторую среднюю величину за расчетный период времени — время конца процесса влажного горения):
Однако, чтобы определить , необходимо знать входящую в выражение для с величину s 3 .
Перейдем к расчету водовоздушных отношений, скоростей, фильтрации и насыщенностей в отдельных зонах. При этом насыщенности пористой среды газами и паром, водой и нефтью будем считать постоянными в каждой зоне.
Расчет указанных показателей начнем с зоны 4 (см. рис. 12).
Скорость фильтрации нефти находим, исходя из того, что из зоны 3 в зону 4 перемещается путем гидродинамического вытеснения и дистилляции-конденсации вся нефть (за вычетом сгоревшего кокса) со скоростью, пропорциональной скорости фронта конвекции . Имеем
Обозначим насыщенность зоны 4 газами горения sг 4 , водой S4 и нефтью sH 4 . Отсюда
Эти насыщенности — неизвестные величины. Кроме того, неизвестна также скорость фильтрации воды х в4 в зоне 4. Для определения насыщенностей и скорости фильтрации воды в этой зоне используем соотношения теории установившейся трехфазной фильтрации. Имеем
откуда
Аналогично получим
Таким образом, для определения четырех неизвестных и S 4 имеем только три уравнения —, и . Недостающим уравнением будет служить соотношение для скорости конвективного переноса тепла щт , т. е.
Здесь щ т — заданная величина; значение v Г 4 находим по известному расходу газов горения, который можно приближенно принять равным расходу воздуха.
Указанные четыре неизвестные величины определим с помощью систем уравнений —, и . методом последовательных приближений. При отыскании первого приближения можно, например, принять s 4 =0. Можно также пренебречь членом в выражении щт вследствие его малости.
