СПОСОБ СТИМУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДОБЫЧИ НЕФТИ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/22 E21B43/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к способам стимулирования процесса добычи нефти путем оптимизации режима термохимических реакций, протекающих в скважинах и в продуктивных пластах с использованием реакции бинарных смесей БС.

БС - бинарные смеси - водные растворы химических реагентов, которые закачивают по двум отдельным каналам. БС реагируют в скважине и в продуктивном пласте, выделяя газ и тепло, входящие в пласт под давлением, создаваемым самой реакцией.

Основным компонентом БС является селитра, которая выделяет тепло в реакции разложения при взаимодействии с инициатором реакции (ИР).

Второй компонент БС-ИР - нитрит, или гидрид щелочного металла, преимущественно натрия.

Известно, что средний коэффициент извлечения нефти (КИН) на месторождениях США близок к 0,6, а на месторождениях России близок к 0,4. При этом в недрах этих стран остается нефть, масса которой близка к массе нефти, извлеченной из недр за всю историю ее добычи. В последние годы наметился технологический прорыв в результате создания в России системы управления процессом реакции бинарных смесей. КПД процесса повысился в 2,5 раза (Стимулирование добычи нефти продуктами реакций бинарных смесей (БС) как альтернатива технологиям, обводняющим нефтяной пласт. Александров Е.Н., Варфоломеев С.Д., Лиджи-Горяев В.Ю., Петров А.Л., журнал «Точка опоры», ноябрь 2012. №158, с.14-15). Была разработана и использована 2-уровневая схема безопасности работ с потенциально опасным реагентом - селитрой (Масштабный нагрев продуктивного пласта и оптимизация добычи нефти. Е.Н. Александров, Н.М. Кузнецов, НТЖ «Каротажник», 2007, 4, с.113 - 127, Александров Е.Н., Александров П.Е., Варфоломеев С.Д., Технология добычи нефти на выработанных месторождениях на основе реакций бинарных смесей, журнал «Точка опоры», №168, с.15, июнь 2013).

Ранее количество селитры, закачиваемой в область пласта, ограничивали менее 1 т, т.к. селитра взрывоопасна. Однако многочисленные эксперименты показали, что количество селитры, закачиваемой в скважину, можно увеличить до 40-50 т и более и тем самым значительно увеличить эффективность добычи нефти и времени рентабельной работы скважин (Е.Н. Александров, П.Е. Александров, Н.М. Кузнецов, В.В. Лунин, Д. А. Леменовский, Р.С. Рафиков, М.В. Чертенков, П.А. Ширяев, А.Л. Петров, В.Ю. Лиджи-Горяев, Высокотемпературный режим реакции бинарных смесей и стимулирование добычи нефти на обводненных месторождениях, журнал «Нефтехимия», 2013, №4, с.312-320; Александров Е.Н., Александров П.Е., Варфоломеев С.Д. Технология добычи нефти на выработанных месторождениях на основе реакций бинарных смесей, журнал «Точка опоры», №168, с.15, июнь 2013).

Такая технология предлагается авторами данного изобретения.

Уровень техники

Основу часто применяемой при обработке пластов тяжелых нефтей с высоким теплогазовыделением составляют бинарные составы БС на основе неорганических и органических селитр, преимущественно аммиачной NH₄NO₃.

Известен способ термохимической обработки ПЗП, который заключается в последовательной закачке в скважину водного раствора неорганической селитры (нитрата аммония, натрия или калия), кислородсодержащего органического вещества и 30-35% раствора соляной кислоты, причем в качестве кислородсодержащего органического вещества используют диметиловый и уксусный эфиры, метиловый и этиловый спирты, глицерин, ацетон и другие (RU 2023874, E21B 43/24, 43/27, 1994 г.). Недостатком способа, кроме использования дорогих реагентов является отсутствие средств контроля полноты протекания реакции и относительно низкая эффективность разогрева пласта, зачастую недостаточная для перевода в текучее состояние тяжелых нефтей.

Известен горюче-окислительный состав для термохимической обработки призабойной зоны пласта, содержащий исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%: селитра 2,0-25,0; комплексное соединение алканоламина с азотной кислотой до 100, при этом в качестве алканоламина состав содержит, по крайней мере, один из ряда: этаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, преимущественно этаноламин, связанный с азотной кислотой в эквимолярном соотношении, а в качестве селитры состав содержит аммиачную, калиевую, натриевую, кальциевую, преимущественно аммиачную селитру (RU 2192543 C1, E21B 43/22, E21B 43/25, 10.11.2002).

Известное изобретение имеет существенный недостаток - комплексное соединение органических аминов промышленность в настоящее время не производит, а масштабное нитрование (азотирование) органических аминов в условиях промыслов, как правило, неосуществимо.

Известен способ термохимической обработки продуктивного пласта, который включает закачку в зону обработки пласта энерговыделяющего горюче-окислительного состава ГОС, содержащего аммиачную селитру, мочевину, азотную кислоту, уксусную кислоту и воду, введение в зону расположения ГОС инициатора реакции ИР, спрессованного в виде таблеток, и дополнительно порохового заряда из твердотопливного материала, изготовленного из баллиститного пороха или из баллиститного переделочного артиллерийского пороха, или из смесевого топлива, содержащего в качестве окислителя перхлорат аммония, с последующим освоением пласта, при этом заряд вводят в зону обработки пласта либо после закачки ГОС и введения в него инициатора реакции, либо до закачки ГОС, либо одновременно с инициатором реакции (RU 2233976 C1, E22B 43/248, 10.08.2004). В качестве последнего используют, по крайней мере, один из ряда: гидрид кальция, гидрид магния, гидрид бария, гидрид титана, алюминий, при содержании последнего в смеси указанных гидридов 10-50 мас.% инициатор горения вводят в количестве не более 5,0% от массы ГОС. Недостатком способа является использование указанных гидридов, которые могут привести к пожаро-взрывоопасной ситуации.

Известен способ термохимической обработки нефтяного пласта, включающий раздельную закачку компонентов ГОС и инициатора реакции (горения) по двум коаксиально расположенным относительно друг друга насосно-компрессорным трубам НКТ, при этом конец внешней НКТ опущен ниже конца внутренней НКТ на расстояние, достаточное для обеспечения времени контакта ГОС и ИР в реакционном объеме, ГОС подают в обрабатываемую зону нефтяного пласта через кольцевое пространство между внешней и внутренней НКТ, ИР подают по внутренней НКТ, ГОС - водный раствор с водородным показателем pH 4-7, включающий, мас.%: селитру (аммиачную, калиевую или натриевую) 5-25, карбамидно-аммиачную смесь КАС-32 остальное, ИР - водный раствор с pH 12-14, включающий, мас.%: нитрит щелочного металла 15-45, воду остальное, или борогидрид щелочного металла 15-45, щелочь 3-45, воду остальное, причем масса ИР, содержащего нитрит щелочного металла, составляет 1-80% от массы ГОС, масса ИР, содержащего борогидрид щелочного металла, составляет 1-30% от массы ГОС (RU 2401941 C1, E21B 43/22; E21B 43/24; C09K 8/524, 20.10.2010).

При всех положительных преимуществах способа основным его недостатком является невозможность контролировать и регулировать температуру призабойной зоны пласта ПЗП при закачке реагентов, что ограничивает использование способа. Кроме того, общее количество, закачанных реагентов в зону пласта при отсутствии текущего контроля реакции не превышает 2 т, что позволяет прочищать только ближайшую зону пласта («скин-слой»).

Описание предлагаемого изобретения

Задачей изобретения является создание новой высокоэффективной термохимической технологии, разработка схемы непрерывной масштабной закачки в скважину массы бинарных смесей (до сотен и тысяч тонн) и извлечения нефти из скважины способом, в котором энергия реакции БС используется для роста давления и напорного дренажа (НД) с выходом флюида из пласта в скважину и термохимического газлифта (ТГ) с выходом флюида на поверхность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности добычи нефти (увеличение коэффициента извлечения нефти) на выработанных месторождениях, повышение безопасности процесса за счет усовершенствования способа контроля подачи БС в обрабатываемую зону пласта необходимого количества БС.

Технический результат достигается тем, что способ стимулирования процесса добычи нефти путем оптимизации режима термохимических реакций, протекающих в скважинах и в продуктивных пластах с использованием водных растворов бинарных смесей БС: неорганической или органической селитры, нитрита или гидрида щелочного металла, закачиваемых по отдельным каналам, согласно изобретению, способ включает последовательность операций: монтаж оборудования скважин на выбранном участке месторождения, оснащенных устройствами для контроля температуры, давления и состава продуктов реакции разложения бинарных смесей в режиме реального времени при закачке реагентов в скважины, предварительный нагрев участков пласта около каждой скважины объемом не менее 20 м³ до температуры не менее 100°C при закачке не менее 2-х тонн реагентов БС и циклический режим реакции, нагревающей пласт около скважины объемом не менее 100 м³ (массой не менее 250 тонн), до температуры не менее 140°C за счет реакции не менее 12 тонн реагентов БС, при этом контролируют: первый уровень взрывобезопасности в стволе скважины путем чередования в канале закачки порций раствора селитры массой не более 1 т каждая, с порциями технической воды (не менее 0,05 т каждая); второй уровень взрывобезопасности в стволе скважины путем непрерывных контроля и регулирования процесса реакции с ограничением температуры в стволе скважины ниже предвзрывной (Т_пр), которая определяется по появлению признаков ускорения реакции на регистрируемых кривых зависимости температуры и давления от времени; прекращение закачки инициатора разложения селитры в скважину и последующая закачка раствора селитры массой не менее 10 тонн в предварительно нагретый пласт, при этом реализуется третий уровень взрывобезопасности при протекании в пласте реакции, катализируемой накопленным теплом в предыдущих циклах, который (третий уровень) связан с отношением массы селитры, закачиваемой в поры и трещины пласта, к массе породы, при их соотношении, преимущественно, 1 к 20, и с низкой, близкой к нулю вероятностью взрыва смеси, в среднем, 95 мас.% породы и 5 мас.% селитры, причем закачку реагентов на всех циклах проводят при непрерывном контроле температуры в зоне реакции; давления и температуры - в районе пакера, давления и температуры в районе пакера и в процессе закачки реагентов с целью своевременного прекращения реакции при выходе параметров реакции за пределы допустимых режимов.

1. Для достижения эффективности (рентабельности) процесса добычи нефти проводят дополнительно контролируемую закачку атмосферного воздуха в предварительно нагретый пласт. Для поддержания температуры пласта в диапазоне 150°C<Т<300°C после прогрева пласта проводят закачку ингибитора, например фенолов или фенолсульфидов, или катализатора реакции, например борогидрида щелочного металла, в процессе чего при окислении не более 5% пластовой нефти происходит газификация пластового флюида и облегчается его выход на поверхность. На всех стадиях закачки используют водные растворы аммиачной селитры, преимущественно, концентрации 67 мас.%, нитрита натрия или гидрида натрия, преимущественно, концентрации 50 мас.%, в качестве органической селитры используют, преимущественно, моноэтаноламиннитрат, при этом закачка и разложение в нагретом пласте моноэтаноламиннитрата без выделения кислорода приводит к крекингу нефти за счет экзотермической реакции разложения селитры, продуктами которых, в основном, являются азот, углекислый газ и вода.

Сущность изобретения

В 2010 году в ИБХФ РАН была разработана схема непрерывного контроля и оптимизации реакции БС в скважинах с использованием БС и получено разрешение органов Ростехнадзора №25-ИД-19542-2010 от 15.11.2010 г. на закачку в скважину селитры без ограничения ее массы.

Система закачки селитры и инициатора ее разложения в скважину работает как термохимический газогенератор (ТГ), в котором вся закачиваемая в пласт селитра превращается в газ и тепло по реакции:

,

разогревающей пласт и создающей условия для газлифта, который работает, в основном, за счет энергии окисления нефти кислородом, выделившимся в реакции. Газированная нефть, как правило, после повышения давления и открытия вентилей фонтанирует. ТГ - двигатель нового типа - двигатель внутрипластового сгорания нефти, предназначенный в разработанной схеме для откачки горячего флюида из скважины при температуре, значительно превышающей предельную для работы промысловых механических насосов.

Предложенный способ в соответствии с совокупностью признаков формулы был испытан на низкодебитных скважинах в России, на двух скважинах №№1242 и 3003 Усинского месторождения (ООО «ЛУКОЙЛ -Коми»). Масса растворов селитры и инициатора ее разложения (нитрита натрия), закачанных в указанные скважины, составила около 25 тонн. Суммарный дебит двух скважин после обработки возрос от 1,93 т/сутки до 16,42 т/сутки. КПД реакции, при неуправляемом режиме реакции обычно близкий к 0,3-0.4, удалось увеличить до 0.8. Коэффициент продуктивности добычи нефти увеличился более чем в 6 раз. В течение года после обработки скважин №№1242 и 3003 было получено более 2500 тонн добавочной нефти.

В 2013 г. технология БС по предлагаемому способу была испытана в США (Eastland, штат Техас). На месторождении, признанном выработанным и оставленном в 1994 г. промысловиками, выбрали две скважины (№№ 8B и 10B). В скважины закачали 55 тонн растворов БС (аммиачную селитру и нитрит натрия), реакция в стволах скважин протекала при температуре 200-340°C. Оценки, произведенные на основе опыта, полученного на скважинах России в Усинске, привели авторов к выводу о повышении температуры до 600-700°C в пласте около скважины №8B, в основном, за счет окисления нефти кислородом, выделившимся в реакции (1). После выдержки скважины в течение 4-х суток в закрытом состоянии, открыли вентили. Скважина начала фонтанировать нефтью с примесью воды. Дебит увеличился с нуля до 17 тонн в сутки. Фонтанирование и самоизлив горячего флюида продолжались 4 суток. После падения температуры флюида ниже 150°C откачку начали производить промысловыми насосами. В течение недели доля воды в флюиде понизилась от 30% до 1%. При этом добыча, в среднем, составила около 11 тонн нефти в сутки. Несмотря на последующее монотонно нарастающее обводнение, затраты на обработку скважин окупились полностью в течение 4-х последующих месяцев.

Во время проведения испытаний в России и США процесс осуществлялся при непрерывном контроле температуры и давления и регулирования процесса реакции с удержанием температуры в стволе скважины ниже предвзрывной (Т_пр), которая определялась по появлению признаков самоускорения реакции на кривых зависимости температуры и давления от времени. Непрерывный контроль параметров реакции позволяет своевременно прекратить процесс при выходе реакции за пределы допустимого режима.

Для повышения рентабельности добычи нефти в схеме предусмотрена также закачка атмосферного воздуха в предварительно нагретый пласт, контролируемая по параметрам взрывобезопасности.

Для поддержания температуры пласта в диапазоне 200°C<Т<300°C, после прогрева пласта проводят закачку ингибиторов окисления углеводородов (например, фенолов, или фенольных соединений) или катализаторов реакции разложения селитры, например борогидрида щелочного металла натрия или калия, в процессе чего при окислении не более 5% пластовой нефти происходит газификация пластового флюида и облегчается его выход из пласта в скважину и по скважине на поверхность.

На всех стадиях закачки используют водные растворы селитры, преимущественно, аммиачной, концентрации 67 мас.%, нитрита и гидрида натрия концентрации 50 мас.%, а в качестве органической селитры используют, преимущественно, моноэтаноламиннитрат, при этом закачку порций раствора селитры чередуют с порцией технической воды, при массовом отношении воды к раствору селитры, преимущественно, 1 к 20.

Закачка в нагретый пласт моноэтаноламиннитрата приводит к его экзотермическому разложению, продуктами которого в основном, являются азот, углекислый газ и вода и сопровождается частичным крекингом нефти.

Управление процессом циклического режима реакции БС в объеме продуктивного пласта (обрабатываемой зоны пласта) осуществляют мобильной лабораторией, оснащенной средствами регистрации температуры и давления.

Обработка продуктивной зоны пласта указанных скважин в циклическом режиме согласно формуле изобретения показала на возможность безопасного применения больших порций потенциально опасных реагентов. Кроме того, была подтверждена воспроизводимость термохимического газлифта, создаваемого реакцией БС.

Таким образом, предлагаемый способ термохимического стимулирования добычи нефти с использованием неограниченного количества селитры позволяет увеличить эффективность добычи нефти, контролировать безопасный прогрев нефтяного пласта в диапазоне температур от начальной до 700°C, использовать термохимический газлифт для откачки пластового флюида, нагретого до высоких температур, возможность управления реакцией на забое скважины и безопасность пакера, стабильность реакции водных растворов БС в скважине при температурах 200-320°C и при подаче селитры с катализатором ее разложения, при этом характерное время реакции (τ) - от нескольких минут до долей минуты, стабильность реакции разложения селитры в пласте, нагретом до температур 320-700°C, протекающей и без закачки в пласт катализатора ее разложения, при этом величина τ исчисляется часами и сутками.

Основные технологические преимущества БС по сравнению с аналогами: быстрота ввода тепла в пласт; низкое обводнение пласта; повышение эффективности и рентабельности добычи нефти за счет быстрого извлечения нагретой нефти с помощью термохимического газлифта, функционирующего за счет энергии окисления малой доли пластовой нефти кислородом, выделившимся при разложении селитры.

Возрождение добычи нефти на выработанных месторождениях следует считать новым перспективным направлением промысловой термохимии.

Изобретение относится к области добычи нефти и, в частности, к стимулированию ее добычи. Технический результат - повышение эффективности добычи нефти на выработанных месторождениях с повышением безопасности добычи. Способ предусматривает использование водных растворов бинарных смесей - неорганической или органической селитры и нитрита или гидрида щелочного металла, закачиваемых по отдельным каналам. Способ включает монтаж оборудования в скважинах на выбранном участке месторождения. Каждую скважину оснащают устройствами для контроля температуры, давления и состава продуктов реакций в режиме реального времени. Предварительно осуществляют нагрев участков пласта около скважины объемом не менее 20 м³ до температуры не менее 100°C путем закачки не менее 2 т реагентов бинарной смеси. Осуществляют циклический нагрев части пласта около скважины объемом не менее 100 м - массой не менее 250 т до температуры не менее 140°C за счет реакции не менее 12 т реагентов бинарной смеси. При этом обеспечивают первый уровень взрывобезопасности в стволе скважины путем чередования в канале закачки порций раствора селитры, массой не более 1 т каждая, с порцией технической воды не менее 0,05 т каждая. Второй уровень взрывобезопасности в стволе скважины обеспечивают путем непрерывных контроля и регулирования процесса реакции с ограничением температуры в стволе скважины ниже предвзрывной. Эту температуру определяют по появлению признаков самоускорения реакции на регистрируемых кривых зависимости температуры и давления от времени. При этих признаках прекращают закачку инициатора разложения селитры в скважину. В последующем осуществляют закачку раствора селитры массой не менее 10 т в предварительно нагретый пласт. При этом реализуют третий уровень взрывобезопасности в процессе реакции в пласте, катализируемой теплом, накопленным в предыдущих циклах. Третий уровень взрывобезопасности обеспечивают отношением массы селитры, закачиваемой в поры и трещины пласта, к массе породы. Соотношение составляет, преимущественно, 1 к 20. Низкую, близкую к нулю вероятность взрыва смеси обеспечивают 95 мас.% породы и 5 мас.% селитры. Закачку реагентов на всех циклах проводят при непрерывном контроле температуры в зоне реакции, давления и температуры в районе пакера и в процессе закачки реагентов с целью своевременного прекращения реакции при выходе параметров реакции за пределы допустимых режимов. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ стимулирования процесса добычи нефти путем оптимизации режима термохимических реакций, протекающих в скважинах и в продуктивных пластах с использованием водных растворов бинарных смесей - БС - неорганической или органической селитры, нитрита или гидрида щелочного металла, закачиваемых по отдельным каналам, отличающийся тем, что он включает последовательные операции: монтаж оборудования в скважинах на выбранном участке месторождения; оснащение каждой скважины устройствами для контроля температуры, давления и состава продуктов реакций, протекающих в скважине и в пласте в режиме реального времени; предварительный нагрев участков пласта около скважины объемом не менее 20 м³ до температуры не менее 100°C путем закачки не менее 2 т реагентов БС; циклический нагрев части пласта около скважины объемом не менее 100 м, массой не менее 250 т, до температуры не менее 140°C за счет реакции не менее 12 т реагентов БС, при этом обеспечивают первый уровень взрывобезопасности в стволе скважины путем чередования в канале закачки порций раствора селитры массой не более 1 т каждая, с порцией технической воды не менее 0,05 т каждая и второй уровень взрывобезопасности в стволе скважины путем непрерывных контроля и регулирования процесса реакции с ограничением температуры в стволе скважины ниже предвзрывной (Т_пр), которую определяют по появлению признаков самоускорения реакции на регистрируемых кривых зависимости температуры и давления от времени, прекращают закачку инициатора разложения селитры в скважину и в последующем закачивают раствор селитры массой не менее 10 т в предварительно нагретый пласт, при этом реализуют третий уровень взрывобезопасности в процессе реакции в пласте, катализируемой теплом, накопленным в предыдущих циклах, который связывают с отношением массы селитры, закачиваемой в поры и трещины пласта, к массе породы, преимущественно, 1 к 20 и с низкой, близкой к нулю, вероятностью взрыва смеси 95 мас.% породы и 5 мас.% селитры, причем закачку реагентов на всех циклах проводят при непрерывном контроле температуры в зоне реакции, давления и температуры в районе пакера и в процессе закачки реагентов с целью своевременного прекращения реакции при выходе параметров реакции за пределы допустимых режимов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения эффективности процесса добычи нефти проводят дополнительную контролируемую закачку атмосферного воздуха в предварительно нагретый пласт.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для поддержания температуры пласта в диапазоне 150°C<Т<300°C после прогрева пласта проводят закачку ингибитора, например фенолов или фенолсульфидов, или катализатора реакции, например борогидрида щелочного металла, в процессе чего при окислении не более 5% пластовой нефти производят газификацию пластового флюида и облегчают его выход на поверхность.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на всех стадиях закачки используют водные растворы аммиачной селитры, преимущественно, концентрации 67 мас.%, нитрита натрия или гидрида натрия, преимущественно, концентрации 50 мас.%, в качестве органической селитры используют, преимущественно, моноэтаноламиннитрат.