РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.65
© Коллектив авторов, 2015
Кинетика окислительных процессов керогенсодержащих пород при термическом воздействии
П.А. Гришин, к.т.н., Е.В. Жидкова, Е.А. Никитина, к.т.н., С.И. Толоконский
(ОАО «ВНИИнефть»)
Адреса для связи: PGrishin@vniineft.ru,
STolokonskiy@vniineft.ru,
EZHidkova@vniineft.ru,
ENikitina@vniineft.ru
Ключевые слова: низкотемпературное окисление, высокотемпературное окисление, термогазовое воздействие (ТГВ), дренируемые и недренируемые породы, кероген, энергия активации, баженовская свита.
Исследование кинетических закономерностей окисления керогенсодержащих пород при термическом воздействии обусловлено необходимостью вовлечения в разработку нетрадиционных практически неизвлекаемых запасов. При проведении лабораторных исследований по оценке влияния термического воздействия на окислительные процессы в керогенсодер-жащих породах использовались образцы пород месторождений баженовской свиты, характеризующихся низкой проницаемостью при высокой нефтенасыщенности.
Формации баженовской свиты расположены в центральной части Западно-Сибирской низменности на площади более 1 млн. км2 на глубине примерно 2500-3000 м, толщина продуктивного пласта изменяется от 10 до 44 м. Продуктивные пласты баженовской свиты характеризуются смешанным составом минералогических и органических пород, что обусловливает их низкую проницаемость и пористость, вследствие чего затрудняется отток образованной нефти. В породах ба-женовской свиты содержится значительное количество органического вещества, состоящего из керогена и легкой нефти. Естественное (природное) образование нефти происходит при деструкции керогена за миллионы лет в процессах катагенеза, протекающих при температурах 80-135°С и давлениях до 30 МПа. Весь процесс деструкции керогена протекает главным образом в закрытых объемах пород, что приводит к возникновению аномально высоких поровых температур и давлений, и сопровождается образованием жидких и газообразных углеводородов с выделением энергии. Согласно большому объему промысловых и лабораторных исследований одним из основных факторов, определяющих фильтра-ционно-емкостные характеристики пород баженовской свиты, является температура. Термическое воздействие на породы, содержащие органическое вещество, увеличивает их общую пустотность, а соответственно про-
Kinetics of the oxidation processes of the kerogen-containing rocks under the thermal treatment
P.A. Grishin, E.V Zhidkova, E.A. Nikitina, S.I. Tolokonskiy (VNIIneft OAO, RF, Moscow)
E-mail: PGrishin@vniineft.ru, STolokonskiy@vniineft.ru, EZHidkova@vniineft.ru, ENikitina@vniineft.ru
Key words: low temperature oxidation, high temperature oxidation, thermal gas treatment, drained and non-drained rock, kerogen, activation energy, Bazhenov shale.
The involvement of the nontraditional hydrocarbons reserves in the development becomes recently ever more actual. The strata of Bazhenovskaya suite are characterized by low permeability and porosity, a large quantity of organic matter consisting of the kerogen and the light oil is contained in the stratum rocks. As a result of the strata rocks thermal treatment their general voidage increases, and the undrainable zones are converted into drainable ones, forming in this case the additional inflow of oil. The kinetics of the oxidation of the kerogen-containing rocks is studied experimentally in VNIIneft OAO on the differential scanning calorimeter of high pressure HP DSC1 for the realization of the method of thermal gas treatment of Bazhenovskaya suite rocks. The obtained results show that in the low-temperature range of the oxidation Bazhenov suite rocks have the close values of the activation energies of oil and drainage rocks. This causes subsequently their joint involvement in the oxidation processes.
ницаемость и разммер зон дренажа. При этом недренируемые области при нагреве до температур 250-350°С преобразуются в дренируемые, формируя дополнительный приток углеводородов.
Таким образом, исходя из изложенного можно сделать заключение о том, что для разработки месторождений баженовской свиты, характеризующихся большим содержанием легкой нефти, низкой проницаемостью продуктивных коллекторов и высокой пластовой температурой, целесообразно использовать термогазовый метод воздействия. Метод основан на закачке в пласт кислородсодержащих смесей - воздуха, обогащенного кислородом, и водовоздушной смеси. Реализация термогазового воздействия (ТГВ) связана с энергетической особенностью значительной части месторождений, имеющих высокие пластовые температуры (более 65 °С) и давления [1]. Генерация тепловой энергии предусматривает использование внутрипластовых самопроизвольных окислительных процессов, в результате которых формируется очаг внутрипластового горения. Основным природным фактором, определяющим время самовоспламенения, является пластовая температура. Кроме того, важное значение имеют пластовое давление, наличие природных катализаторов в нефтесодержащей породе и кинетическая характеристика пластовой нефти.
Процесс окисления условно разделяется на периоды низко- и высокотемпературного экзотермического окисления углеводородов. Между ними наблюдается область отрицательного температурного градиента, или средне-температурное окисление, при котором протекают эндотермические реакции с поглощением тепла (рис. 1).
Низкотемпературное окисление углеводородов происходит при поглощении кислорода на стадии инициирования горения и впереди фронта горения в области пониженных температур, куда кислород поступает быстрее, чем потребляется на фронте горения. При низко-
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
02'2015 59
Рис. 1. Схематическое изображение поглощения кислорода при окислении тяжелых нефтей и битумов (2)
температурном окислении также наблюдается испарение легкой углеводородной части, увеличиваются вязкость и плотность нефти, высокомолекулярные углеводородные части отлагаются на породе. Таким образом, формируется топливо для высокотемпературного горения, при дальнейшем воздействии высоких температур оно разлагается с выделением диоксида углерода и большого количества тепла.
Основными факторами при реализации ТГВ является генерация тепла в результате высокотемпературного горения и управление процессом. Роль низкотемпературных окислительных процессов важна в начальный период закачки и при увеличении охвата пород окислительными процессами. В связи с этим следует подчеркнуть, что критерием выбора объектов для ТГВ служит возможность самовоспламенения углеводородов в максимально короткие сроки, не превышающие 30-50 сут.
Для реализации ТГВ на породы баженовской свиты необходимо экспериментально изучить термическое воздействие на керогенсодержащие породы. В связи с этим в ОАО «ВНИИнефть» на дифференциальном сканирующем калориметре высокого давления НР DSC1 был проведен комплекс экспериментов по окислению легкой нефти и породы баженовской свиты, содержащей органическое вещество, при давлении 10 МПа в температурном диапазоне 40-600 °С. По результатам выполненных экспериментов определены кинетические параметры окислительных реакций (энергия активации, предэкспоненциальный фактор, количество выделяемого тепла и т.д.) для низкотемпературного, среднего и высокотемпературного интервалов окисления.
Для исследования были взяты образцы нефти (плотность 830 кг/м3, вязкость 5,52 мПа-с) и породы баже-новской свиты из дренируемого макротрещиноватого и
Г\
V
1 \ д ✓ 2
1 \ / \
\ \
41 Л 1
, 1 / А V \
I" ' ■Ца. ч 3
40 ) 1 го 160 Я» 240 гзо 320 ЗВО 400 440 460 5. » а ж
0 10 20 30 40 50 60 70 30 90 100 110 1 20 1 30 Время, мин
Рис. 2. Зависимость тепловыделения от температуры при окислении нефти и пород баженовской свиты
1 - товарная нефть (скорость сканирования V = 4 °С/мин, давление р = 10 МПа, масса т = 2,3 мг); 2 - недренируемая порода баженовской свиты (V=4 °С/мин, р = 10 МПа, т = 11,5 мг); 3 - дренируемая порода баженовской свиты (V = 4 °С/мин, р = 10 МПа, т = 16,3 мг)
недренируемого микротрещиноватого коллекторов. Зависимости тепловыделения от температуры при окислении нефти и пород баженовской свиты при скорости сканирования 4 °С/мин приведены на рис. 2. Значительные различия в тепловыделении при окислении породы баженовской свиты свидетельствуют о том, что в дренируемой породе содержится большое количество легкой нефти, а доля керогенсодержащего вещества намного меньше, чем в недренируемой, так как вследствие низкой проницаемости недренируемого коллектора затрудняются отток образованной нефти и генерация углеводородов из керогена. По данным работы [3] кероген из дренируемого коллектора более зрелый, чем из недрени-руемого. Это подтверждает многостадийность процесса генерации нефти.
Исходя из этого предположения кероген из дренируемого коллектора - результат первого этапа генерации, а из недренируемого - последующего, более позднего этапа нефтегенерации.
Кинетические параметры (энергия активации, пре-дэкспоненциальный фактор) окисления нефти и породы баженовской свиты из дренируемого и недренируемого коллекторов приведены в таблице. Для более точного определения кинетических параметров окисления эксперименты проводились при разных скоростях нагрева - 4, 6, 8 °С/мин при постоянном давлении 10 МПа. Стандартная обработка термограмм выполнялась согласно уравнению Аррениуса графическим методом по зависимости \n(dq/dt) от 1/Г.
Процесс Скорость сканирования, °С/мин Температура, °С Энергия активации, кДж/моль Пред экспон циальн факто 1/су ен- ый р, Температура, °С Энергия активации, кДж/моль Пред-экспоненциальный фактор, 1/сут Температура, °С Энергия активации, кДж/моль Пред-экспоненциальный фактор, 1/сут
Нефть Дренируемая порода Недренируемая порода
Низкотемпературное окисление 4 222-257 78,36 0,69299 227-244 125,98 37,84 194-228 66,19 0,69
6 223-259 101,08 12,59 200-247 46,22 0,05 183-223 97,77 22,95
8 236-254 141,04 1252,95 224-254 94,22 8,44 189-236
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.