Способ определения величины сгорающего топлива при внутрипластовом горении

(54 ) СПОСО СГОРАЮЩЕГО ВОМ ГОРЕНИИ (57 ) Изобр ботке нефт увеличение эксперимен ПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛИВА ПРИ Е ЛИЧИНЫУТРИПЛАСТО точности определен рающего топлива пр горении, Заполняют ную модель пласта ристой средойс не количества сговнутрипластовом еплаизолированоднОродной по- еводонасыщенносериев пор ефти с кис азов горек экспериментф-лы. Д.опр неф ение относится к метров разработк ождений с примен го горения и мож но в нефтедобыва и Изобретению пара л т нео нием внут бытьщей проых место учета асто и, ко ога м ьзо мьппленносЦелью чение без перимента держа тсяточ ностио топл л на кациях вСпасоразом. яется адель ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИ 4408443/31-031.01.8830,08.90. Бюл,Московский инстим. И.М. ГубкинМ,Ю, Захаров, ЕСтрижов и А.И.622.276(088.8)Амелин И.Д, Вну тение относится к разра-. ных месторождений. Цель - безопасности, упрощениеальных работ и повышение зобретения является увелипасности и упрощение эксьных работ при повышениипределения величины сгораюва при различных модифи-,трипластового горения.реализуется следующим обтью и температурои, соответствующими пластовым условиям, В модель закачивают газы горения с температурой, соответствующей температуре франта горения, и прекращают закачку при прогреве противоположного конца модели до температуры, составляющей не менее 90% температуры закачиваемых газов горения, Концентрацию топлива определяют весовым способом па пробам, отбираемым у выходного конца модели. Для моделирования влажного11 1 горения вместе с газами горения закачивают водяной пар. При сверхвлажном горении величину сгорающего топлива пересчитывают по формуле с учетом параметров кинетики окисления. Результаты опытов не зависят от криия по скорости реакцииородом, Использованиея повышает безопасностльных работ. 2 з.п,определения концентрации топ- ОО убную модель пласта заполнянородной пористой средой с СЛ того типа микронеоднороднос/ орый характерен для конкретсторождения. До набивки керноля размолотая порода смешиваводой, количество которой обеспечивать соответствие ос- д, й водонасыщенности в модели му пласту. После этого лаборамодель вакуумируется и запал- нефтью. Заполненная нефтью пласта выдерживается в течейие некоторого времени (1-30 сут) Под давлением, благодаря чему дости- "ается равномерная нефтенасьпценность йористой среды. Затем модель нагре 5 вают до пластовой температуры.С целью определения концентрации топлива присухом внутрипластовом .Горении в заполненную флюидами тепло- Изолированную модель пласта закачивают смесь азота и двуокиси углерода с температурой, характерной для фронта горения 673-973 К, Темп нанетания смеси газов и ее состав должны соответствовать по критериям подобия реальным промысловым услориям. Подобная технология проведения эксперимента обеспечивает реализацию в модели пласта процессов, подобных смешивающемуся вытеснению, Так как горячая смесь газов закачивается в Холодную модель, то испарившиеся легкие фракции нефти и водяной пар будут конденсироваться в холодных частях кернодержателя, постепенно перемещаясь к выходному концу модели. Появление оторочки легких фракций споссбствует эффективному вытеснению неФти из пористой среды, а результаты опыта не зависят от соблюдения критерия подобия по скорости реакции Нефти с кислородом.Перемещающаяся оторочка легких фракций в ходе опыта увеличивается в размерах, поскольку холодная модель постепенно прогревается закачиваемым горячим агентом, способствуя крекингу и пиролизу, а также испарению легких углеводородов в новых частях пористой среды, Эффективность вытеснения нефти будет возрастать по ме 40 ре роста оторочки легких фракций, поэтому концентрацию топлива необходимо определить по количеству кокса в породе у выходного конца модели, где, учитывая небольшие размеры кернодержателя, условия вытеснения нефти ближе к реальным пластовым. Целесообразно отбирать пробы из интервала, не превышающего 307 длины моде 50После прогрева всего кернодержателя до температуры, равной температуре испарения легких фракций, остаточная нефть будет подвергаться процессу коксования при которомЭконцентрация остаточного топлива будет несколько уменьшаться только за счет крекинга и пиролиза нефти. Так как процесс коксования слабо влияетна концентрацию топлива, то нет необходимости прогревать всю модель дотемпературы фронта горения, а можнозаканчивать опыт, прогрев выходнойконец кернодержателя до температуры,составляющей 90-957. от температурыфронта горения.Данная технология опытов совершенно безопасна в отличие от экспериментов, при которых в модель, содержащую нефть, закачивается газ с содержанием кислорода от 21 до 100%.При осуществлении процесса внутрипластового горения в реальном неоднородном пласте, содержащем газонасыщенную нефть, механизм вытеснениянефти может существенно отличатьсяот того, который имеет место в экспериментах с дегазированной нефтью.Повышение температуры пласта приводит к росту давления насыщения нефти газом. Если давление насыщениястановится больше, чем пластовое,то газ выделяется из нефти, обеспечивая равномерную газонасыщенностьколлектора и, следовательно, егогазопроницаемость во всем объеме.Появление равномерной газонасыщенности в пласте способствует фильтрации газообразного окислителя в малопроницаемых зонах, в результате чего увеличивается коэффициент вытеснения нефти. Таким образом, при проведении экспериментов по определению концентрации топлива в пластах,которые содержат нефть со значительным количеством растворенногогаза, необходимо испольэовать моделинефти, в которых растворен газ.Наличие в нефти растворенного углеводородного газа снижает безопаснссть проведения экспериментов, Выделение из нефти этого газа и его последующее смешивание с воздухом ввыходных линиях или сборниках жидкойпродукции может привести к образованию взрывоопасных смесей, Поэтомудля проведения лабораторных экспериментов можно использовать вместо углеводородных газов смеси негорючихгазов, имеющих такую же растворимость, как и углеводородов. В качестве таких моделей попутного газаможно использовать, например, смесьазота и двуокиси углерод да,С целью заполнения модели плас.та нефтью, содержащей растворенныйгаз, кернодержатель устанавливают вертикально, набивают его смесью молотой породы и воды, которая моделирует начальную водонасыщенность,Кернодержатель заполняют газом, сос 5 тав которого такой же, как у газа, растворенного в нефти под давлением, равным давлению насыщения, Затемснизу в кернодержатель подается 10нефть, содержащая растворенный газ,под давлением, равным давлению насыщения, а иэ верхней части заполняющий модель газ постепенно .стравливают, После вытеснения нефтью всегогаза и насыщения модели нефтью закрывают вентиль на выходном конце модели, а давление в кернодержателе поднимают до величины, равной начальнойпластовой. В таком состоянии керно-Одержатель выдерживается в течениеопределенного промежутка времени 1 отнескольких дней до одного месяца) дляполного насыщения пористой среды нефтью, При проектировании."влажного" 5внутрипластового горения на механизмвытеснения нефти и образования топлива в пласте существенное влияние оказывает. наличие пароводяной эоны передФронтом горения. Поэтому при проведенни лабораторных экспериментов сцелью . определения концентрации топлива в пласте при влажном" внутрипластовом горении необходимо в модельпласта закачивать парогазовую смесьс содержанием воды, соответствующимзапроектированному водовоздушномуотношению,В случае реализации "сверхвлажного" внутрипластового горения фронт 4 Огорения в пласте отсутствует, а температура в паровоздушной зоне ниже,чем температура "сухого" насыщенногопара при данном пластовом давлении.В этом случае концентрация топливав лабораторных условиях определяетсяпутем нагнетания в модель пласта смеси горячей воды и газов горения Темпнагнетания горячей воды должен соответствовать реальным промысловым 50условиям, а водогазовое отношениедолжно быть равно запроектированномуводовоздушному отношению, Температура закачиваемой воды задается равной .температуре тепловой .оторочки присверхвлажном" горении. Эту температуру определяют по формулеТ р=273+190 1/Рр 1 где Т - равновесная температура гепРловой оторочки, К;Р - пластовое давление, ИПа,Эксперименты продолжаются до тех пор, пока из модели не прекращается выход нефти. По остаточной нефтенасыщенности. пористой среды у выходного конца модели судят об исходной концентрации топлива при "сверхвлажном внутрипластовом горении, Поскольку при сверхвлажном" внутрипластовом горении образовавшееся остаточное топливо может сгорать частично, масса сгорающего топлива зависит от параметров процесса окисления, поэтому после вытеснения нефти из кернодержателя с использованием описанной технологии переходят к определению параметров диффузионно-кинетического режима окисления нефтей. Для этого кернодержатель, содержащий обводненную неоднородную пористую среду с остаточной нефтена-. сыщенностью, помещается в термошкаф, нагревается до заданной температуры и продувается. кислородсодержащим газом. В ходе проведения опыта замеряют темп выхода газов горения и их состав, температуру и давление в кернодержателе, а также количество.ле) - ких фракций нефти, которые выносятся газами горения. Скорость реакци. вычисляют по формуле,вк ВИЦ где Ю - скорость реакции нефти скислородом, кг/кг, с;темп выхода газов горенияиз модели, нм 3/с;С иС- концентрация кислорода в газейЫсоответственно .на входе ивыходе из модели, доля еди 37ницы;,С фф - концентрация азота в газеОсоответственно на входе и вы-ходе модели, доля единицы;М - масса нефти в модели, кг;степень окисленности нефтив модели, доля единицы.Проводя эксперименты при различных температурах, определяют постояннук Аррениуса (А,) и энергию активации (Е)(3) 5 энергия активации, Дж/моль;галовая постоянная,Дж/мольК;число замеров скорости реакции при различных температурах 5скорость реакции нефти с кис-,лородом в -м опыте, кг/кг,с;температура кернодержателяв х-м опыте, К; где Е К(5) где Г, - степень окисленности нефтив -и опыте, доля единицы;М, - число замеров скорости ре 4акции при различных степенях окисленности нефти.Количество сгорающего топлива при сверхвлажном внутрипластовом горении рассчитывают по формуле Е 8/1+ Е 0506 050002697(Бт 32,5)+-7,317 10 (с 1 А ехр(- - )-5 86 еО КТ 8о10 )-6,726 .10 (81,-32,5) +0,000404 к где Ао - коэффициент Аррениуса,кг/кг (МПа)с,Р - парциальное давление кисло)4рода, МПа;и - показатель, учитывающийвлияние парцигльного давления кислорода нг скоростьреакции,Так как эксперименты проводятсяпри высоких температурах,то можнопринимать в расчетах п=0,8, Проводяэксперименты при различной степениокисленности нефти, определяют параметр с, учитывающий влияние степениокисленности на скорость реакции:)р - -9) +8,073 10 1 А ехр(- - )- Св Е С, Р КТР -5,86 О )" +4724,10 К+ -280) к(р - -9)-4,286 1 О (-2 в -280)(1 А (Св -А ЧГСхгехр(" )-5,86 10" (6)КТвгде Е - количество сгорающего топлитва в единице объема пласта,кг/м О;коэффициент теплопроводнос"ти окружающих 1 пласт пород,Дж/м с К,- плотность окружающих пластпород, кг/мЗ;С - удельная теплоемкость окружающих пласт пород, Дж/кг К;Ь - толщина пласта, м;р - водовоздушное отношение,кг воды/кг воздуха;С - объемная удельная теплоемЬкость воды, ДЖ/м К;С- объемная удельная теплоемкость пласта, Дж/м К;тепловой эффект реакцииокисления топлива, Дж/кг;Б - концентрация остаточногозтоплива в пласте, кг/мП р и м е р 1. При проектировании осуществления процесса внутрипластового горения на залежи нефти,содержащей незначительное количество растворенного газа и насыщающейоднородный коллектор, для определенияконцентрации топлива использоваласьтрубная модель пласта,.заполненнаякварцевым песком. Модель вакуумировглась и заполнялась пластовой водой, Затем в кернодержгтель закачивали нефть до прекращения выхода водыиз модели. После заполнения моделинефтью она выдерживалась под давлением, равным начальному пластовому (3 МПа) в течение месяца. Затем в теплоизолированную холодную,модель закачивали смесь азота (833)и двуокиси углерода (77) при температуре 773 К. Во время эксперимента давление в модели поддерживалосьравным 3"МПа. Темп нагнетания вмодель газа задавался исходя иэ критериев подобия при вытеснении нефтигазами. Процесс . вытеснения и коксования нефти вели до прогрева выходного конца модели до температуры 700 К.Взяв пробу породы у выходного концамодели, весовым способом определили,что концентрация топлива равна30 кг/м,П р и м е р 2, При проектированииосуществления "сухого" внутрипластового горения на начальной стадии разработки одного элемента пласта дляопределения концентрации топлива использовалась труб 1 я модель пласта,заполненная смесьн кварцевого песка,маршаллита и воды. 1 оделировалась неоднородность блочного типа. В установленный вертикально кернодержатель,заполненный углеводородным газом(957. метана, 37. бутана и 17. пропана)под давлением 8,0 МПа нефть, содержащая растворенный газ укаэанногосостава, закачивалась под давлением8,0 МПа. После заполнения модели нефтью она выдерживалась под давлением10 МПа в течение месяцаЗатем в теплоизолированную холодную модель закачивали смесь азота (837) и двуокиси углерода (177) при температуре 25773 К. Во время эксперимента давление в модели поддерживалось равным10,0 МПа, Темп нагнетания в модельгаза задавался исходя иэ критериевподобия при вытеснении нефти газами, Процесс вытеснения и коксования нефти вели до прогрева выходногоконца модели до температуры 700 К,Взяв пробы породы у выходного концамодели, весовым способом опредслили,35что Концентрация топлива равна25 кг/м П р и м е р 3. С целью определения11 11 концентрации топлива при влажном 40 внутрипластовом горении на месторождении модель пласта подготавливалась по вышеописанной технологии, но для повышейия безопасности опытов закачиваемая в модель нефть насыщалась не углеводородными газами, а специальной смесью (107. азота, 507 метана и 40% двуокиси углерода). Из подготовленной таким образом модели нефть вытесняг лась путем закачки в кернодержатель парогазовой смеси с температурой 773 К, Содержание воды в парогазовой смеси составляло 0,0015 м /нм газовз горения. Расход паро газ а устанавли-. вался в соответствии с критериями по 5 добия. Опыт прекратили, когда температура на выходном конце модели достигла 700 К. Взяв пробы закоксованной породы у выходного конца модели, весовым способом определили, что концентрация топлива равна 21 кг/мП р и м е р 4, Для определения ко-.личества сгорающего топлива присверхвлажном внутрипластовом горении в подготовленную вышеописаннымспособом модель пласта закачивалисмесь горячей воды, азота и двуокисиуглерода. Водогаэовое отношение соответствовало запроектированному отношению, т.е, / =34 кг/кг, Темп нагнетания агентов в модель задавался исходя из критериев подобия процессавытеснения нефти теплоносителя.и 1.Температура закачиваемой воды в соответствии с формулой (1) была равна537 К. Эксперимент был закончен после прекращения выхода нефти пэ моде-.ли пласта. Взяв пробы нефтенасыщенной породы у выходного конца модели,определили, что концентрация остаточного топлива составила 25 кг/и3Эксперименты по определению кинетических констант нефти проводились на этой же установке при различных температурах, степенях окисленности нефти и парциальном давлении кислорода. Температура меняласьв диапазоне от 373 П до 537 К, степень окисленности от 0 до 0,6. Порезультатам эксперимента было определено, что Е=69109 Дж/моль; Е =10;А=8,05 10 кг/кг (МПа) " с,Таким образом, для расчета перемещения зоны горения остаточноготоплива имеем следующие исходныеданные: Я .=25 кг/м ; А =8 051 Окг/кг(МПА) с 1 Е=69109 Дж/мольР=10 МПа; Е=10; р =4 кг воды/кг возд.,с.=3 7 10 Дж/кг; Л =2,32 Дж/м с К;у =2500 кг/м ; С=1046 Дж/кг К; С==4,187 10Дж/м К; С =3, 10 Дж/м К;Ь =О м.Подставив значения соответствующих переменных в формулу (6), получим 2 =15,2 кг/мтТаким образом, данный способ определения величины сгорающего топлива проще и безопасней при реализации.Формула изобретения1, Способ определения величины сгорающего топлива при внутрипластовом горении, включающий заполнение теплоизалированной модели пласта пористой средой, насыщение ее нефтью,( р - -9) -4, 28610( - -280) с А 0 ехр (- - ,) -5, 86 1 Оф )С 11 КТ где Ег водой и газом в соответствии с плас" товыми условиями, нагрев модели до пластовой температуры, закачку флюидов в модель через входной конец мо 5 дели, отбор флюидов через выходной конец модели и создание в модели температуры фронта горения, о т л и - ч, а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения безопасности и упрощения 1 О экспериментальных работ при повышении точности определения величины сгорающего топлива, в качестве флюидов закачивают с температурой фронта горения газы горения, а по достижении 15 на выходном конце модели температуры, составляющей не менее 907 от температуры фронта горения, закачку газов горения прекращают и определяют величину сгорающего топлива 20 по пробам породы из модели, причем последнюю пробу отбирают на расстоянии не более 30% длины модели от выходного конца модели,2. Способпоп. 1, отлич ающ и й с я тем, что,с целью моделирования влажного горения, в качест величина сгорающего топлива в единице объема пласта,кг/м З;концентрация остаточного 45топлива в пласте, кг/мкоэффициент, учитывающий:влияние степени окисленности нефти на скорость реакции; 50коэффициент теплопроводности окружающих пласт пород,Дж/ м с К;плотность окружающих пластпород, кг/мудельная теплоемкость окруве Флюидов аакачивавг смесь гааов го-рения, в качестве флюидов закачивают смесь газов горения и водяного пара.3, Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью определения величины сгорающего топлива при сверхвлажном горении, в качестве флюидов закачивают смесь га" зов горения и горячей воды с температурой тепловой оторочки, определяе" мой по формуле:Тр = 273+190 Б, )где Т - равновесная температура тепРловой оторочки при сверхвлажном горении, К;Р - среднее пластовое давление,0МПа;а после отбора проб и определения концентрации остаточного, топлива модель пласта нагревают до температуры не выше равновесной температуры тепловой оторочки, закачивают в нее кислородсодержащий газ, определяют параметры процесса окисления, а величину сгорающего топлива определяют по формуле жающих пласт пород, Дж/кгаК;Ь - толщина пласта, м;- водовоздушное отношение,кг воды/кг воздуха;Св - объемная теплоемкость воды,Дж/м К;С - объемная теплоемкость пласита, Дж/м К;тепловой эффект реакцииокисления топлива, Дж/кг;А - константа Аррениуса,кг/кг .(МПа)" с;Е - энергия активации,Дж/моль К,