РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.654.001.57 © А.С. Ушакова, В.В. Зацепин, 2015
Инициирование внутрипластового горения в низкопроницаемых карбонатных коллекторах
A.С. Ушакова, к.ф.-м.н.,
B.В. Зацепин, к.т.н. (ОАО «Зарубежнефть»)
Адрес для связи: VZatsepin@nestro.ru
Ключевые слова: внутрипластовое горение (ВПГ), термогазовое воздействие (ТГВ), термический анализ, кинетика окисления.
In-situ combustion ignition for low permeability reservoir
A.S. Ushakova, V.V Zatsepin (Zarubezhneft JSC, RF, Moscow) E-mail: VZatsepin@nestro.ru
Key words: in-situ combustion, high pressure air injection, HPAI, thermal analysis, kinetics of oxidation.
This paper describes results of laboratory tests of oil kinetics of oxidation and self-ignition oxidation process. The function between reservoir temperature and time period of oil self-ignition oxidation is presented.
0ля успешного проведения закачки воздуха на месторождениях как легкой, так и тяжелой нефти необходимо, чтобы в пласте возник горения. Процесс создания фронта горения -это достижение таких температурных условий, при которых пластовая нефть в контакте с воздухом начинает окисляться или гореть при температуре, достаточной для эффективного вытеснения нефти. Наиболее благоприятным для процесса горения считается самопроизвольное возгорание, когда термобарические условия пласта обеспечивают самовоспламенение нефти [1]. Самовоспламенение нефти характерно для глубоких месторождений легкой нефти, так как окислительные процессы ускоряются при высоких температуре и давлении [2]. Для многих нефтяных месторождений препятствием для успешной реализации закачки воздуха становится недостаточно высокая пластовая температура. Отсутствие воспламенения в пласте может привести к появлению непрореагировавшего кислорода в составе добываемого газа, а также к неэффективному вытеснению нефти [3]. При возникновении риска отсутствия воспламенения применяются технологии инициирования горения: физические или химические (ввод тепла в призабойную зону пласта (ПЗП) с помощью внутрискважинных горелок и электронагревателей, закачка химически активных веществ, катализаторов горения, углеводородных жидкостей) [3].
Механизм воспламенения нефти, расчет времени инициирования горения
Первый контакт воздуха с пластовой нефтью в жидкой фазе в призабойной зоне нагнетательной скважины происходит при пластовой температуре и давлении нагнета-
ния воздуха. Углеводороды в жидкой фазе окисляются по цепному механизму с вырожденным разветвлением цепей [4]. В начальный период, при невысокой температуре, идут процессы образования и накопления свободных радикалов. На этой стадии в основном протекают реакции присоединения кислорода к углеводородным молекулам и окисления до спиртов, альдегидов, кетонов, гидропероксидов (см. таблицу). При накоплении критического количества гидропероксидов при данных температуре и давлении они начинают лавинообразно разлагаться. Разложение гидропероксидов приводит к образованию свободных радикалов, которые взаимодействуют с углеводородами, поверхностью (породой) и между собой. Окисление заканчивается, когда углеводородные цепи разрушаются полностью, углерод связывается с образованием СО2, а водород - с образованием Н20 - в этом случае говорят о полном сгорании углеводорода (см. таблицу). Время накопления гидроперокси-
Процесс окисления Схема реакции
Окисление до карбоновой кислоты R — СН2— H + 3/2 O2 — R — HC=OH + H2O
Окисление до альдегидов R — СН2 — H + O2 — R — НС=О + H2O
Окисление до кетонов R — CH2—R' + O2 — R — R'C=O + H2O
Окисление до спиртов (или фенолов) R — R'R"C — H + 1/2 O2 -> R — R'R"C— OH
Окисление до гидропероксидов R — R'R"C— H + O2 — R — R'R'C — O—O — H
Полное сгорание R — СН2 — R' + 3/2 O2 — RR' +СО2 + H2O
Неполное сгорание R — С Н — R' + O2 — RR' + СО + H2O
дов называют периодом индукции при окислении, а температуру, при которой начинается их разложение - температурой воспламенения.
Все реакции окисления являются экзотермическими; наибольшее интегральное тепловыделение достигается при полном сгорании нефти - 440 кДж/моль О2, реакции присоединения кислорода протекают с выделением 200-300 кДж/моль О2, образования гидропероксидов -120 кДж/моль О2 [5]. Когда экзотермический эффект реакции становится больше, чем поглощение тепла нефтью и окружающей породой, начинается нагрев системы и ускоряются реакции накопления окисленных соединений, в том числе гидропероксидов. Обычно в пластовых условиях начало интенсивного разложения гид-ропероксидов начинается при повышении температуры до 120-150 °С, тогда можно говорить о воспламенении нефти. Поэтому при инициировании горения с помощью внешнего источника стараются достичь таких температур в ПЗП.
Экспериментальные методы исследования
окисления нефти
Перед началом опытно-промышленных работ по закачке воздуха обычно проводят экспериментальные исследования процесса окисления нефти данного месторождения: изучение кинетики окисления нефти и горения в трубе (более сложный и дорогостоящий эксперимент).
Адиабатический калориметр. Экспериментальные исследования саморазогрева нефти при контакте с воздухом должны выполняться при условиях, максимально приближенных к пластовым. Такие условия позволяет создать адиабатический реакционный калориметр ARC. В нем в режиме «нагрев - ожидание - поиск» можно измерить температуру начала реакции окисления, скорость тепловыделения и изменение температуры и давления в процессе окисления. В калориметре ARC нефть с воздухом термостатируется при заданных давлении и температуре, при регистрации термопарой саморазогрева системы температура окружающей среды повышается на величину, соответствующую этому разогреву [6]. Далее прибор в соответствии с реакцией увеличивает температуру, регистрирует выход тепла и рост давления. В случае отсутствия саморазогрева температура повышается на заданную величину dT, и система термостатируется с ожиданием последующего саморазогрева в течение заданного времени dt. Данный метод является наиболее точным для определения температуры самовоспламенения.
Рассмотрим результаты окисления нефти одного из месторождений, на опытном участке которого в настоящее время проводится закачка воздуха. На рис. 1 показана динамика температуры окисления нефти в режиме «нагрев -ожидание - поиск» в ARC. Периоды индукции быстрого развития процесса можно выделить как пологий набор температуры (120-160 °С) и резкое изменение температуры (160-280 °С). Анализ результатов эксперимента позволяет сделать вывод, что при температуре 120 °С про-
Рис. 1. Динамика температуры окисления нефти, полученная с использованием ARC в режиме «нагрев - ожидание - поиск»
исходит самовоспламенение нефти в адиабатических условиях: увеличение температуры на 20 °С за 6 ч при отсутствии теплопотерь в окружающие породы.
Дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК). Другое часто используемое термоаналитическое оборудование для исследования кинетики окисления нефти и определения кинетических параметров реакций - ДСК высокого давления. Преимуществами ДСК являются его точность (мощность, выделяемая за счет разницы температур между ячейкой с образцом и ячейкой сравнения, экспериментально измеряется с точностью до 0,01 мкВт) и малая масса навески (0,1 мг), недостатками для исследования инициирования горения нефти -контролируемый нагрев и проточный режим окисления, при котором невозможно исследовать начальные стадии медленного окисления. Однако с помощью ДСК достаточно просто исследовать стадии реакций, протекающих с существенным тепловыделением, и определить кинетические параметры уравнения Аррениуса.
Рассмотрим пример обработки кинетических кривых тепловыделения для изучаемой нефти. На рис. 2 приведены кинетические кривые окисления нефти, полученные с использованием ДСК. Первый пик тепловыделения (см. рис. 2, б) соответствует окислению легких ком-
Рис. 2. Кинетика тепловыделения при окислении нефти в ДСК при разных скоростях нагрева (а) и укрупненный первый пик (б)
понентов нефти. В соответствии с рекомендацией международной ассоциации термического анализа и калориметрии для оценки кинетических параметров должны использоваться хотя бы два метода. В данной работе кинетические параметры определялись методами Киссинджера и построения логарифма тепловыделения в зависимости от обратной температуры [7].
Уравнение Аррениуса имеет вид
k dC dq a ex I Ea ~~ It ~ d ~ 0 exp \~~RT
(1)
где k - константа скорости реакции; С - концентрация топлива; q - выделяемое тепло; I - время; А0 - постоянная Аррениуса (предэкспоненциальный множитель); Еа - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.
Пикам тепловыделения соответствуют линейные участки, наклон которых в соответствии с уравнением Ар-рениуса должен быть одинаковым
ln
dq
dt (1 -a(t)) j
I = lnA0
RT
(2)
Другой способ определения энергии активации - по сдвигу максимальной температуры пика Ттах при увеличении скорости нагрева (метод Киссинджера [8])
Ea =-R
d[ln(b / р].
d(1/ Tmax)
(3)
Энергии активации для первого пика тепловыделения, рассчитанные по двум методикам, составили соответственно 187±35 и 197±21кДж/моль, интервал значений для первого пика - 176-232 кДж/моль.
Определение времени самовоспламенения
Время самовоспламенения нефти определить значительно сложнее. Для данного месторождения пластовая температура составляет 56 °С. Время, в течение которого нефть нагревается до температуры 120 °С, зависит от скорости накопления окисленных соединений, выделения тепла в результате их накопления и расхода тепла в окружающие породы.
Существует формула для расчета времени самовоспламенения нефти в зависимости от пластовой температуры, основанная на балансе выделяемого тепла в соответствии с аррениусовской кинетикой реакции, и тепла, поглощаемого породой [7]
(pc)rMo2 Tr211+HT
AoW0S0 (Po2)n AHo2 R
exp|§
(4)
где tign - время возгорания; (рс)г - удельная объемная
теплоемкость пласта; MO2 - молекулярная масса кисло-
рода; Tr - начальная температура пласта; ф - пористость; р0 - плотность нефти; So - начальная н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.