лекц. 3 лекционный курс. Лекция 1 Тема. Введение. Объекты и системы разработки нефтяных месторождений Введение Объекты и системы рнм
 Скачать 1.78 Mb.
|
|
Тема: Тепловые методы РНМ Относительно большая доля известных запасов нефти во всем мире характеризуется высокой вязкостью нефти, что является одним из основных факторов, определяющих ее малую подвижность в пористой среде и неудовлетворительную эффективность извлечения. Вязкость нефти сильно зависит от температуры, которая в естественных условиях не всегда в пласте достаточно высока. Как показывают исследования и опыт разработки, для эффективного извлечения нефти вязкостью более 25-50 мПа*с требуется тепловое воздействие на пласты с целью снижения этой вязкости. При нагревании нефти до 200-2500С вязкость ее может снижаться с 500-1000 до 5-20мПа*с. На практике применяются различные методы искусственного теплового воздействия на пласты, содержащие высоковязкие нефти- внутрипластовое горение (сухое и влажное), вытеснение нефти паром, горячей водой и пароциклические обработки паром скважин. 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 вадяного 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 патоками пара и воды по пласту к забоям добывающих скважин, дополнительно способствуя увеличению извлечения нефти из недр. 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. Узнать это можно с помощью  - диаграммы для воды, на которой линия насыщения разделяет области существования воды в жидкой и паровой фазах. При этом критическая зона характеризуется точкой. Для воды Если давление воды и ее температура таковы, что соответствующая этим значениям точка на этой диаграмме находится на линии насыщения, то вода пребывает одновременно и в парообразном и в жидком состояниях. Сколько в единице массы воды будет содержаться воды в жидком и парообразном состояниях, зависит от теплосодержания единицы массы воды. Если давление и температура пара соответствуют давлению и температуре на линии насыщения, то пар называется насыщенным. Над линией насыщения состояние воды будет только жидкое, а под нею - только в виде перегретого пара. Пусть некоторый объем воды находится в состоянии, соответствующем линии насыщения. Масса пара в этом объеме равна МП, а масса жидкой воды Мв. Имеем  (1)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 -диаграмме для воды принято аппроксимировать следующей простой зависимостью:  (2)где  -давление на линии насыщения, МПа; Т- температура, К.По формуле (2) 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 пласт с начальной температурой ТПЛ. Итак в прямолинейный однородный пласт через галерею закачивается горячая вода с температурой Т1 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. В этом случае процесс теплопереноса описывается уравнением (3)  В случае переменной температуры используем интеграл Дюамеля. В результате получим  (4)Эта задача расчета температурного поля в пласте известна как задача Ловерье. Ее решают с использованием преобразования Лапласа, согласно которому вводится функция  в виде  (5)После постановки (5) в (3) и (4) получим следующее дифференциальное уравнение:  (6)Решение уравнения (6) с учетом граничного и начального условий,  если х=0 и  при имеет вид  (7)Функции - изображение по Лапласу функции – оригинала  .При переходе от изображения к оригиналу имеем  (8) Из (8) видно, что при  и а при  и Упрощению задачи расчета процесса вытеснения нефти из пласта горячей водой способствует то обстоятельство, что тепловой фронт, 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 нефтенасыщенности , соответствующей данной температуре или данному перепаду температур  . Это предположение равносильно утверждению о существовании зависимости.  (9) 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 нефти горячей воды, можно добиваться все большего извлечения нефти из пласта. Подставляя в (9) величину определяемую формулу (8), получим распределение остаточной нефтенасыщенности в нагретой области .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. 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  на нагрев теплоносителя, то оптимальные размеры оторочки и другие показатели теплового воздействия достигаются при условии (10)Конечно, если учитывать другие критерии, в принципе можно выбирать иные показатели теплового воздействия, не обязательно в точности соответствующие условию (10). Рассмотрим распределение температуры в прямолинейном пласте при создании в нем тепловой оторочки за счет закачки горячей воды, основываясь на решении (8). Вначале закачивают в пласт горячую воду с начальной температурой  и  . В момент времени  температура этой воды снижает скачком до или становится  при х=0. Так как исходное уравнение (3), описывающие распределение температуры при закачке в пласт горячей воды, линейное, то сумма двух его решений есть тоже решение. Поэтому, чтобы получить распределение температуры в прямолинейном пласте при создании в нем тепловой оторочки, нужно из решения (3) вычесть такое же решение, но зависящее не от t а от t-t* (t*-момент начала закачки в пласт воды с температурой, равной пластовой). В результате для определения распределения перепада температуры в пласте с тепловой оторочкой получим следующую формулу: (11) Первый член формулы (11) справедлив при  а второй – при . Входящие в формулу (11) обозначения те же, что и в предыдущих параграфах.Как следует из (11), максимальная температура в пласте достигается при х=хmax, причем  (12) Внутрипластовое горение. Основы процессов Углеводороды обладают способностью вступать в экзотермические реакции с кислородом, что может быть использовано для получения тепла непосредственно в нефтяном пласте. В основу метода внутрипластового горения положен процесс горения части нефти, содержащейся в пористой среде, для увеличения подвижности несгоревших фракций. Горение обычно инициируется с помощью специального оборудования, позволяющего создать в призабойной зоне необходимый температурный уровень; в дальнейшем процесс протекает в автономном режиме при постоянной подаче воздуха в одну или несколько скважин. Как правило, температура фронта горения превышает температуру насыщения водяного пара и находится в пределах от 400 до 6000С. Внутрипластовое горение применяется с пятидесятых годов, 20 века в основном на месторождениях тяжелой нефти. Чаще всего при этом нефть вытесняется от одной скважины к призабойной зоне другой, однако в ряде случаев этот момент используют и в качестве метода теплового воздействия на прискважинную область, причем периоды нефтедобычи чередуются с периодом горения (поддерживающегося при помощи нагнетания воздуха). Выделение тепловой энергии внутри пласта позволяет снизить тепловые потери в скважинах. Теплота горения используется для повышения температуры не только нефти, но и коллектора; часть энергии рассеивается в окружающих породах. Совместное использование методов внутрипластового горения и нагнетания нагретой воды служит повышению к.п.д. всего процесса. Рассмотрим основы различных методик для одновременных процессов, протекающих в однородных средах, т.е. в пренебрежении теплопереносом через боковые поверхности. Легко понять, что при установившемся режиме распространения воздуха в нефтяной залежи направление перемещения фронта горения зависит от места его образования. Действительно, если температура призабойной зоны вокруг нагнетательной скважины поднята до необходимого уровня, горение инициируется именно в этой области и его фронт перемещается в направлении эксплуатационных скважин, т.е. в направлении вытеснения нефти; в этом случае процесс называют прямоточным горением. Если же повышают температуру призабойной зоны эксплуатационной скважины и воспламенение происходит в ее окрестностях, то фронт горения распространяется к нагнетательной скважине, т.е. в направлении, противоположенном направлению вытеснения нефти; такой процесс называют противоточным горением. Область применения противоточного горения более ограничена, чем прямоточного. Сухое прямоточное горение При сухом прямоточном горении его фронт вытесняет несгоревшие фракции сырой нефти, при этом наиболее тяжелые ее фракции, превратившиеся в углеродистый остаток, неправильно называемый коксом, сгорают в кислороде нагнетаемого воздуха. Область, остающаяся за фронтом горения, не содержит органических соединений. Для рассмотрения случая установившегося режима удобно выделить четыре основные зоны, нумерация которых проводится в направлении распространения фронта. Зона 1. В этой области пласта уже произошло горение, и она совершенно освобождена от нефти. Нагнетаемый воздух нагревается при контакте с коллектором, что позволяет утилизировать часть тепловой энергии, выделяемой при горении. Следовательно, зона представляет собой некий теплообменник, причем температура в ней снижается в направлении к нагнетательной скважине. Зона 2. Зона горения. Кислород потребляется при сжигании углеводородов и кокса, осажденного на поверхности коллектора. Температура в этой зоне определяется в основном свойствами и количеством твердых и газообразных веществ, присутствующих в единице объема зоны. Зона 3. Зона коксования. Тяжелые фракции, которые не были смещены и не переведены в газообразное состояние, подвергаются пиролизу. Если не все количество кислорода, поступившего в зону горения, было использовано при окислении, протекает окислительный пиролиз. Зона 4. При достаточном падении температуры закачиваются химические превращения. Через эту зону фильтруются газообразная и жидкая продукция. Здесь наблюдается следующие явления: в области примыкающей к зоне реакций, протекают последовательно испарение и повторная конденсация легких фракций нефти и воды, изначально присутствовавшей в месторождении; происходит также конденсация воды, являющейся продуктом химических реакций. В области, где температурный уровень ниже температуры конденсации воды, возникает зона, характеризуемая значением водонасыщенности, превышающим начальное значение водонасыщенности данного месторождения (водяной зал); этот слой проталкивает перед собой вал нефти (зону, характеризуемую повышенной относительно начального уровня нефтенасыщенностью). Эта нефть очень вязкая, и ее продвижение может привести к закупорке пласта. Вне вала нефти характеристики пласта постепенно приближаются к исходным величинам. Внутрипластовое прямоточное горение в сочетании с заводнением При сухом прямоточном горении значительная доля тепловой энергии, накопленной в коллекторе, теряется в окружающих породах вследствие теплопроводности. После инициирования сухого горения можно совместить нагнетание в пласт воздуха и воды, что позволяет использовать существенную разность энтальпий воды и водяного пара для отбора тепловой энергии, аккумулированной в окрестности нагнетательной скважины, и переносить ее в области перед фронтом горения. Если отношение количества нагнетаемой воды к количеству нагнетаемого воздуха не слишком велико, происходит горение. В этом случае можно выделить пять зон: Зона 1. Через эту зону уже прошел фронт горения; в ней не содержится или почти не содержится углеводородов. Но так как температура в этой зоне ниже температуры, при которой достигается равновесие жидкость- пар, здесь происходит двухфазное течение. Существенная часть поступившей в пласт воды не достигает фронта испарения. Зона 2. В этой зоне вода находится в газообразном состоянии и коллекторы насыщены смесью нагнетаемого воздуха и водяного пара. Фронт испарения поступившей в пласт воды располагается на границе между зонами 1 и 2, где градиент температуры имеет большое значение. Зона 3. Зона горения. Кислород расходуется при сжигании невытесненных из зоны углеводородов и кокса, осевшего на стенках коллектора на границе данной зоны с зоной 4. Зона 4. Зона парообразования – конденсации. Температура этой зоны слабо отличается от температуры парообразования воды. Здесь реализует постепенная конденсация паров нагнетаемой в пласт воды, а так же воды, являющейся продуктом химических реакций. С другой стороны, легкие и средние фракции нефти испаряются и уносятся и уносятся на границу с зоной 5. При достаточно высокой температуре возможны химические реакции. Зона 5. На границе с зоной парообразования – конденсации наблюдается резкое падение температуры вследствие наличия слоя воды, за которым располагается слой нефти. За этой областью характеристики пласта приближаются к своим исходным. При увеличении отношения количества закачиваемой воды к количеству закачиваемого воздуха тепловая энергия, выделяемая при сжигании и запасаемая коллектором на внутренних участках фронта горения, становится недостаточной для испарения всей массы поступившей в пласт воды. Зоны повышенной температуры (зоны 2 и 3) становится все более и более узкими и, наконец исчезают. Однако при определенных условиях возможно продвижение зоны повышенной температуры с неоднородным температурным полем, близким к температуре испарения воды при заданном давлении. Подобный процесс носит название сверхвлажного горения. Для этого процесса характерно следующее: существует конечная водонасыщенность (вода в жидком состоянии) во всем объеме области повышенной температуры; экзотермические реакции, необходимые для поддержания процесса, протекают во всех точках горячей зоны, где находятся углеводородные соединения и кислород; вследствие невысокого уровня температур горячей зоны пиролиз не оказывает существенного воздействия, и характер окислительных реакций в этом случае от реакции горения при высокой температуре; не достигается полного вытеснения нефти из обрабатываемой области. Противоточное горение Если определить границы горения и его затухания в направлении перемещения жидкостей и газов в рассматриваемом объеме, то противоточное горение распространяется от центров добывающих скважин к районам с повышенной нефтенасыщенностью. Таким образом, жидкие фракции должны пересечь зону высокой температуры, где углеводороды претерпевают необходимые химические превращения. Наиболее легко окисляемые фракции сгорают в кислороде, а продукты пиролиза образуют остаток (кокс) на пористом коллекторе в областях прохождения фронта горения. Можно выделить следующие зоны, нумерация которых проводится в направлении течения жидких и газообразных фракции: Зона 1. Характеристики пласта в данной зоне имеют исходные значения. Однако через ее объем пропущен воздух, и при наличии в ней повышенной температуры, а также при достаточной реакционной способности нефти в данной зоне могут начаться химические реакции окисления. Зона 2. Температура в данной зоне возрастает вследствие теплопереноса из зоны 3- зоны горения; тепловой эффект начинающихся реакцией окисления также способствует повышению температуры. Здесь наблюдаются следующие явления: испарение воды, изначально присутствовавшей в месторождении, возгонка легких фракцией и окислительный крекинг ряда углеводородов. Газообразные или жидкие фракции увлекаются к границе зоны 3, хотя отдельные соединения образуют углеродистый осадок. Зона 3. Зона горения. Температура достигает своего максимального значения; при реакциях окисления и сгорания молекул наиболее реакционноспособных углеводородов потребляется весь кислород, не использованный в реакциях, протекающих в ранее рассмотренных зонах. Зона 4. Несгоревший кокс остается осажденным на коллекторе, жидкости и газы выталкиваются к дальним границам зоны. В принципе температура на всем протяжении зоны должна быть постоянной и равной температуре горения. Однако в реальных условиях наличие тепловых потерь в окружающие породы приводит к снижению температуры при удалении от зоны горения и, соответствен, к повторной конденсации фракций нефти, перешедших ранее в газообразное состояние, а также к конденсации паров воды. ЛЕКЦИЯ 9 |