Способ определения величины сгорающего топлива при внутрипластовом горении Советский патент 1990 года по МПК E21B43/243 

Изобретение относится к .определению параметров разработки нефтяных месторождений с применением внут- рипластового горения и может быть использовано в нефтедобывающей про- мьшшенности.

Целью изобретения является увеличение безопасности и упрощение экспериментальных работ при повышении точности определения величины сгорающего топлива при различных модификациях внутрипластового горения.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения концентрации топлива трубную модель лласта заполняют неоднородной пористой средой с учетом того типа микронеоднородности, который характерен для конкретного месторождения. До набивки керно- держателя размолотая порода смешивается с водьй, количество которой должно обеспечивать соответствие остаточной водонасыщенности в модели реальному пласту. После этого лабораторная модель вакуумируется и заполняется нефтью. Заполненная нефтью модель пласта вьщерживается в течеел

сх

СХ)

00

ел

ние некоторого времени (1-30 сут) Под давлением, благодаря чему дости- ается равномерная нефтенасыщенность Гористой среды. Затем модель нагревают до пластовой температуры.

С целью определения концентрации топлива при сухом внутрипластовом: Горении в заполненную флюидами тепло Изолированную модель пласта закачивают смесь азота и двуокиси углеро- ра с температурой, характерной для фронта горения 673-973 К. Темп на- нетания смеси газов и ее состав цолжны соответствовать по критериям Подобия реальным промысловым условиям. 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 буду конденсироваться в холодных частях ,кернодержателя, постепенно переме- щаясь к выходному концу модели. Появление оторочки, легких фракций способствует эффективному вытеснению нефти :из пористой среды, а результаты опыт Не зависят от соблюдения критерия подобия по скорости реакции нефти с

:КИСЛОрОДОМ.

Перемещающаяся оторочка легких фракций в ходе опыта увеличивается в размерах, поскольку холодная модел постепенно прогревается закачив аемым горячим агентом, способствуя крекингу и пиролизу, а также испарению легких углеводородов в новых частях пористой среды. Эффективность вытеснения нефти будет возрастать по мере 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 превьшшющего 30% длины модели.

После прогрева всего кернодержателя до температуры, равной температуре испарения легких фракций, остаточная нефть будет подвергаться процессу коксования, при котором концентрация, остаточного топлива бу дет несколько уменьшаться только за счет крекинга и пиролиза нефти. Так

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

как процесс коксования слабо влияет на концентрацию топлива, то нет необходимости прогревать всю модель до температуры фронта горения, а можно заканчивать опыт, про грев выходной конец кернодержателя до температуры, составляющей 90-95% от температуры фронта горения.

Данная технология опытов соверпшн- .но безопасна в отличие от экспериментов, при которых в модель, содержащую нефть, закачивается газ с со-- держанием кислорода от 21 до 100%.

При осуществлении процесса внутри- пластового горения в реальном неоднородном пласте, содержащем газонасыщенную нефть, механизм вытеснения нефти может существенно отличаться от того, который имеет место в экспериментах с дегазированной нефтью, Повьшение температуры пласта приводит к-росту давления насыщения нефти газом. Если давление насыщения становится больше, чем пластовое, то газ выделяется из нефти, обеспечивая равног 1ерную газонасыщенность коллектора, и, следовательно, его газопроницаемость 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 про- ведерши экспериментов по определению концентрации топлива в пластах, которые содержат .нефть со значительным количеством растворенного газа, необходимо использовать модели нефти, в которых растворен газ.

Наличие в нефти растворенного углеводородного газа снижает безопасность проведения экспериментов. Выделение из нефти этого газа и его по- след тощее смешивание с воздухом в выходных линиях или сборниках жидкой продукции может привести к образованию взрывоопасных смесей, Поэтому для проведения лабораторных экспериментов можно использовать вместо yi- леводородных газов смеси негорючих газов, имеющих такую же растворимость, как и .углеводородов, В качестве таких моделей попутного газа можно использовать, например, смесь азота и двуокиси .

С целью заполнения модели пласта нефтью, содержащей растворенльй

вертикально, набивают его смесью молотой породы и воды, которая .моделирует начальную водонасыщенностьJ Кернодержатель заполняют газом, состав которого такой же, как у газа, растворенного в нефти под давлением, равным давлению насыщения. Затем снизу в Кернодержатель подается нефть, содержащая растворенный газ, под давлением, равным давлению насыщения, а из верхней части заполняющий модель газ постепенно стравливают. После вытеснения нефтью всего газа и насыщения модели нефтью закрывают вентиль на выходном конце модели, а давление в кернодержателе поднимают до пеличины, равной начальной пластовой, В таком состоянии керно- держатель выдерживается в течение определенного промежутка времени (от нескольких дней до одного месяца) для полного насыщения пористой среды нефтью. При проектировании влажного внутрипластового горения на механизм вытеснения нефти и образования топлива в пласте существенное влияние оказывает, наличие пароводяной зоны перед фронтом горения. Поэтому при проведении лабораторных эксп ериментов с целью .определения концентрации топлива в пласте при влажном внутри- пластовом горении необходимо в модель пласта закачивать парогазовую смесь с содержанием воды, соответствующим запроектированному водовоздушному отношению.

В случае реализации сверхвлажного внутрипластового горения фронт горения в пласте отсутствует, а температура в паровоздушной зоне ниже, чем температура сухого насыщенного пара при данном пластовом давлении. В этом случае концентрация топлива в лабораторных условиях определяется путем нагнетания в модель пласта смеси горячей воды и газов горения. Темп нагнетания горячей воды должен соответствовать реальным промысловым условиям, ai водогазовое отношение должно быть равно запроектированному водовоздушному отношению. Температура закачиваемой воды задается р.авной температуре тепловой оторочки при сверхвлажном горении. Эту температуру определяют по формуле

Ц,. (О

Тр 273+190

0

5

0

5

0

5

где Т,

р - равновесная температура тепловой оторочки. К; Р - пластовое давление, МПа. Эксперименты продолжаются до тех пор, пока из модели не прекращается выход нефти. По остаточной нефтена- сьщ1енности пористой среды у выходного конца модели судят об исходной концентрации топлива при сверхвлажном внутрипластовом горении. Поскольку при сверхвлажном внутри- пластовом горении образовавшееся остаточное топливо может сгорать частично, масса сгорающего топлива зависит от параметров процесса ок.ис- ления, 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 реакции вычисляют по формуле

ВЛ ВИЧ

а

,Ск - С

eiix

1,43

М„-(1-)

,а)

0

5

0

5

где W - скорость реакции нефти с кислородом, кг/кг, с; темп выхода газов горения из модели, HMVc;

кых

в Ск и

,-ви LI

ъх

Cq И

Свих

Of

концентрация кислорода в газе соответственно на входе и выходе из модели, доля единицы; ,

концентрация азота в газе соответственно на входе ивы-j ходе модели, доля единицы; Мц - масса нефти в модели, кг; f - степень окисленности нефти

в модели, доля единицы; Проводя эксперименты при различных температурах,определяют постоянную Аррениуса (А.) и энергию активации (Е)

f()(f-)llf (inw,)

L If i J ..Л J- J„ /л . J

ScHii tf)

I bi 1 J L ;-4 AI J

1588865

де E - R N. W. 1

T.

(3)

моль;

энергия активации, Дж/ газовая постоянная, Дж/моль К;

число замеров скорости реакции при различных температурах;

скорость реакции нефти с кислородом в i-M опыте, кг/кг,с; температура кернодержателя в i-M опыте, К;

10

t5

-5

, x(

If

гд

р 1 1

|hE (f-):

t l -I

- n In (P.)

(4)

тде AQ - коэффициент Аррениуса,

кг/кг(МПа) с;

Р - парциальное давление кислорода, МПа; n - показатель, учитывающий

влияние парциального давл€;- : ния кислорода на скорость

реакции.

Так как эксперименты проводятся ;При высоких температурах, то можно принимать в расчетах ,,8, Проводя эксперименты при различной степени :окисленности нефти, определяют параметр , учитывающий влияние степени .:окисленностн на скорость реакции:

г NI

25

30

35

N.

Г i1

-dnW-f.) - (fO -(InW, iM J L t«t J L I, , ,

: .,1 г N2 ... 11 40

tfi VT fNj 1 1 T(f.)(fi) J L ;;i J

(5)

где f. 45

N степень окисленности нефти в i-M опыте, доля единицы; число замеров скорости ре- при различных степенях окисленности нефти. Количество сгорающего топлива при сверхвлажном внутрипластовом горении рассчитывают по формуле

,06-0,0002697-(,5) + ..

50

окисления топлива, Дж/кг; S - концентрация остаточного топлива в пласте, кг/м . Пример 1. При проектировании осуществления процесса внутри- пластового горения на залежи нефти, содержащей незначительное количество растворенного газа и насыщающей однородный коллектор, для определения ,концентрации топлива использовалась трубная модель пласта,.заполненная кварцевым песком. Модель вакуумиро- валась и заполнялась пластовой водой. Затем в кернодержатель закачивали нефть до прекращения выхода воды из модели. После заполнения модели нефтью она выдерживалась под давлением, равным начальному пластовому (3 МПа) в течение месяца. Затем в теплоизолированную холодную модель закачивали смесь азота (83%) и двуокиси углерода (17%) при температуре 773 К. Во время эксперимента давление в модели поддерлсивалось равным 3 МПа. Темп нагнетания в модель газа задавался исходя из ,00001 33 ( -Х- -280)+ ,0083-(З-- -9)- териев подобия при вытеснении нефти

газами. Процесс . вытеснения и коксования нефти вели до-прогрева выходного конца модели до температуры 700 К. Взяв пробу породы у выходного конца

n -7,317-Ш- .(q.A,.exp(--i)-5,86.

RT,

10)-6,726 -10 . (,5)+0,000404 X

Cfl

ft СГ -9)+8,073.10- (qAexp(- J-)Cn5,86-10 +4,724.10

, Се (f5

--n

f exp (RT.

-280).

-t

-9)-4,286-10 C -280Xq V

RT,

-)-5,)),

(6)

10

t5

0

5

0

5

0

5

0

где количество сгорающего топлива в единице объема пласта,

- коэффициент теплопроводности окружающих ; пласт пород, Дж/м-с-К-; о - плотность окружающих пласт

пород,

С - удельная теплоемкость окружающих пласт пород, Дж/кг-К; h - толщина пласта, м; 1Ь - водовоздушное отношение,

кг воды/кг воздуха; С - объемная удельная теплоемкость воды, ДЖ/м К; С - объемная удельная теплоемкость пласта, q - тепловой эффект реакции

окисления топлива, Дж/кг; S - концентрация остаточного топлива в пласте, кг/м . Пример 1. При проектировании осуществления процесса внутри- пластового горения на залежи нефти, содержащей незначительное количество растворенного газа и насыщающей однородный коллектор, для определения ,концентрации топлива использовалась трубная модель пласта,.заполненная кварцевым песком. Модель вакуумиро- валась и заполнялась пластовой водой. Затем в кернодержатель закачивали нефть до прекращения выхода воды из модели. После заполнения модели нефтью она выдерживалась под давлением, равным начальному пластовому (3 МПа) в течение месяца. Затем в теплоизолированную холодную модель закачивали смесь азота (83%) и двуокиси углерода (17%) при температуре 773 К. Во время эксперимента давление в модели поддерлсивалось равным 3 МПа. Темп нагнетания в модель газа задавался исходя из кри- териев подобия при вытеснении нефти

модели,весовым способом определили, что концентрация топлива равна 30 кг/м

П р и м е р 2. При проектировании осуществления сухого внутрипласто - вого горения на начальной стадии разработки одного элемента гшаста для определения концентрации топлива использовалась трубр я модель пласта, заполненная смесьг. кварцевого песка, маршаллита и воды. Моделировалась неоднородность блочного типа. В уста- новпенный вертикально кернодержйтель заполненный углеводородным газом . (95% метана, 3% бутана и 1% пропана) под давлением 8,0 МПа, нефть, содержащая растворенный газ указанного состава, закачивалась под давлением ,8,0 МПа. После заполнения модели нефтью она выдерживалась под давлением 10 МПа в течение месяца. Затем в теплоизолированную холодную модель закачивали смесь азота (83%) и двуокиси углерода (17%) при температуре 773 К. Во время эксперимента давление в модели поддерживалось равным 10,0 МПа. Темп нагнетания в модель газа задавался исходя из критериев подобия при вытеснении нефти газами. Процесс вытеснения и коксования нефти вели до прогрева выходного конца модели до температуры 700 К. Взяв пробы породы у выходного конца модели, весовым спо.собом определили, что концентрация топлива равна 25 кг/м.

Примерз. С целью определения концентрации топлива при влажном

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 (10% азота, 50% метана и 40% двуокиси углерода). Из подготовленной таким образом модели нефть вытеснялась путем закачки в кернодержатель парогазовой смеси с температурой 773 К. Содержание воды в парогазовой смеси составляло 0,0015 газов горения. Расход парогаза устанавлит велся в соответствии с критериями подобия. Опыт прекратили, когда темпе- ратура на выходном конце модели достигла 700 К. Взяв пробы закоксованной породы у выходного конца модели, ве

, 10

15

20

25

30

35

Af

0

совым способом определили, что концентрация топлива равна 21 кг/м.. П р и м е р 4. Для опредапения количества сгорающего топлива при сверхвлажном внутрипластовом горении в подготовленную вышеописанньгм способом модель пласта закачивали смесь горячей воды, азота и двз окиси углерода. Водогазовое отношение соответствовало запроектированному отношению, т.е. кг/кг. Темп нагнетания агентов в модель задавапся исходя из критериев подобия процесса вытеснения нефти теплоносителями. Температура закачиваемой воды в соответствии с формулой (1) бьша равна 537 К. Эксперимент был закончен после прекращения выхода нефти 3 модели пласта. Взяв пробы нефтенасып;ен- ной породы у выходного конца модели, определили, что концентрация остаточ- .ного топлива составила 25 кг/м.

Эксперименты по определе1 ию кинетических констант нефти проводились на этой же установке при различных температурах, степенях окис- ленности нефти и парциальном давлении кислорода. Температура менялась в диапазоне от 373 И до 537 К, степень окисленности от О до 0,6. По результатам эксперимента бьшо определено, что Дж/моль; 10 АС, 8,05-10 кг/кг-(МПа) с.

Таким образом, для расчета перемещения зоны горения остаточного топлива имеем следующие исходные данные: S .25 кг/м ; Ад 8-05 t 10 кг/Kri (ША). с; Е 69109 Дж/моль; PO IO МПа; 10; кг воды/кг возд. , ., Дж/кг; Л 2,32 Дж/м-с-К; Дж/кг-К; С,, 4,18700 «Дж/м.К; С 3,1 -10 h 10 м.

Подставив значения соответствующих переменных в формулу (6), получим ,2 кг/м.

Таким- образом, данный способ определения величины сгорающего топлива проще и безопасней при реализации .

Формула изобретения

1. Способ определения величины сгорающего топлива при внутрипластовом горении, включающий заполнение теплоизолированной модели пласта пористой средой, насыщение ее нефтью.

водой и газом в соответствии с плас- тов ыми условиями, нагрев модели до пластовой температуры, закачку флюидов в модель через входной конец модели, отбор флюидов через выходной конец модели и создание в модели температуры фронта горения, о т л и - ч, а ю щ и и с я тем, что, с Целью увеличения безопасности и упрощения экспериментальных работ при повышении точности определения величины сгораю- |щего топлива, в качестве флюидов :закачивают с температурой фронта

ве флюидов закачивают смесь газов горения, в качестве флюидов закачивают смесь газов горения и водяного пара.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и- чафщийся тем, что, с целью определения величины сгорающего топлива при сверхвлажном горении, в качестве ()люидов закачивают смесь га- зов горения и горячей воды с температурой тепловой оторочки, определяемой по формуле:

Тр 273 + 190 Vll ,

;рения газы горения, а по достижении 15 где Тр - равновесная температура тепловой оторочки при сверхвлажном горении. К; р - среднее пластовое давление,

МПа;

20 а после отбора проб и определения конц-ентрации остаточного .топлива модель пласта нагревают до температуры не вьпие равновесной температуры тепловой оторочки, закачивают в нее кис- 25 лородсодержащий газ, определяют параметры процесса окисления, а величину сгорающего топлива определяют по формуле

на выходном конце модели температуры, составляющей не менее 90% от температуры фронта,горения, закачку газов горения прекращают и определяют величину сгорающего топлива по пробам породы из модели, причем последнюю пробу отбирают на расстоя- :НИИ не более 30% длины модели от выходного конца модели.

1

отличаю2. Способ по щ-и и с я тем, что,с целью моделирования влажного горения, в качест

ве флюидов закачивают смесь газов горения, в качестве флюидов закачивают смесь газов горения и водяного пара.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и- чафщийся тем, что, с целью определения величины сгорающего топлива при сверхвлажном горении, в качестве ()люидов закачивают смесь га- зов горения и горячей воды с температурой тепловой оторочки, определяемой по формуле:

Тр 273 + 190 Vll ,

Изобретение относится к разработке нефтяных месторождений. Цель - увеличение безопасности, упрощение экспериментальных работ и повышение точности определения количества сгорающего топлива при внутрипластовом горении. Заполняют теплоизолированную модель пласта неоднородной пористой средой с нефтеводонасыщенностью и температурой, соответствующими пластовым условиям. В модель закачивают газы горения с температурой, соответствующей температуре фронта горения, и прекращают закачку при прогреве противоположного конца модели до температуры, составляющей не менее 90% температуры закачиваемых газов горения. Концентрацию топлива определяют весовым способом по пробам, отбираемым у выходного конца модели. Для моделирования "влажного" 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 критериев подобия по скорости реакции нефти с кислородом. Использование газов горения повышает безопасность экспериментальных работ. 2 з.п. ф-лы.

(0,06-0,0002697-(,5) +

. +0,0000133. ( -280)+0,0083(/j

-9)-7

10

-7

(q-A..exp(- -)-5„86 1оЪ-6,726 (S -32,ЗЪ-Ю,000404 X

RT

X (Д -9)48,073 lo (q.A.exp(- -|-)-5,86 )+4,724-10 № -280) х ь„Kip

x(pl5-9)-4,(fe-280) q-А,-ехр(- |-)-5 ,86-10-) ,

де Z - величина сгорающего топлива в единице объема пласта,

S - концентрация остаточного

топлива в пласте, кг/м ;

коэффициент, учитывающий

влияние степени окисленнос- ти нефти на скорость реакции;

Л - коэффициент теплопроводности окружающих пласт пород, Дж/ м -с -К; С - плотность окружающих пласт

пород, кг/м С - удельная теплоемкость окру-9)-7,317/

5

0

Ъ Р

Се Сп - q А. Е 5

жающих пласт пород, Дж/кг К; толщина пласта, м; водовоздуйное отношение, кг воды/кг воздуха; объемная теплоемкость воды,

объемная теплоемкость пласта, тепловой эффект реакции окисления топлива, Дж/кг; константа Аррениуса, кг/кг .(МПа)- с; энергия активации, Дж/моль К.