НЕФТЕХИМИЯ, 2013, том 53, № 4, с. 312-320
УДК 541.124.7
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ РЕАКЦИИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ И СТИМУЛИРОВАНИЕ ДОБЫЧИ НЕФТИ НА ОБВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
© 2013 г. Е. Н. Александров, П. Е. Александров, Н. М. Кузнецов2, В. В. Лунин1, Д. А. Леменовский1, Р. С. Рафиков, М. В. Чертенков3, П. А. Ширяев, А. Л. Петров, В. Ю. Лиджи-Горяев
Институт биохимической физики им. Н.М. Эммануэля РАН, Москва E-mail: 28en1937@mail.ru, chembio@sky.chph.ras.ru Московский Государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет
E-mail: lunin@direction.chem.msu.ru 2 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва E-mail: icp@chph.ras.ru 3НК"ЛУКОЙЛ", Москва E-mail: Mikhail.Chertenkov@lukoil.com Поступила в редакцию 05.02.2013 г.
Рассмотрена схема стимулирования добычи нефти с помощью тепла и газов, выделившихся в реакциях бинарных смесей (БС), протекающих в управляемом режиме в скважинах и пласте. Выполнен сравнительный анализ участия в указанном процессе реакций разложения неорганической (аммиачной) и органической (моноэтаноламиннитрат, МЭАН, [HO—CH2—CH2—NH3]+[NO3] _) селитр. Согласно расчету, при высокой температуре газовыделение для МЭАН выше, а тепловыделение ниже, чем для аммиачной селитры; при низких температурах — наоборот. Промысловый эксперимент и расчеты показали также, что: а) технология БС может стать альтернативой известной паротепло-вой технологии в процессах стимулирования добычи нефти; б) наметилась возможность применения более ресурсосберегающего рентабельного способа термохимического повышения пластового давления со скоростью обводнения пласта на порядок ниже, а скоростью добычи нефти в режиме газлифта в разы выше; в) необходимым и достаточным условием успешного применения БС является наличие и функционирование системы непрерывного контроля температуры и давления на забое в зоне реакции.
Ключевые слова: теплота образования, селитры, бинарные смеси, технология добычи нефти, контроль режима реакции в забое, термохимический газлифт.
DOI: 10.7868/S0028242113040023
Добычу нефти, как правило, стимулируют способом повышения пластового давления (ППД) путем закачки воды в нагнетательные скважины [1]. Вода и нефть плохо перемешиваются. Поэтому вода проходит к добывающим скважинам, захватывая мало нефти. В пластах России, в среднем, находится около 50% нефти и 50% воды, а из промысловых скважин извлекают 16% нефти и 84% воды. Когда доля добываемой нефти уменьшается до нескольких процентов, добычу, как правило, прекращают. При этом в недрах остаются трудно извлекаемые запасы (ТИЗ), масса нефти в которых близка к массе нефти, извлеченной за всю историю ее добычи.
Технология прогрева паром месторождений битума и высоковязкой нефти (ВВН) вывела Канаду в первую десятку нефтедобывающих стран мира. Для извлечения 1 т битума или ВВН в недра
закачивают от 2 до 5 т пара [2—4]. После извлечения 20% битума из пласта тепло начинает расходоваться, в основном, на прогрев накопившейся в нем воды. При этом рентабельность добычи уменьшается, как минимум, вдвое [3,4].
По сравнению с паротепловой технологией и ППД термохимическая технология БС практически не обводняет пласт. Нагрев пласта химической реакцией бинарных смесей (БС) производят, закачивая по отдельным каналам растворы реагентов — селитр (аммиачной и МЭАН) и катализатора реакций их разложения [3,4]. В реакции, протекающей на забое скважины, выделяются горячие газы, которые под давлением входят в пласт и нефть.
Основной недостаток современной промысловой термохимии — отсутствие контроля реакций в скважине в процессе закачки реагентов. Поскольку аммиачная селитра разлагается по реакции:
N^N03 ^ N2 + 2Н20 + 0.502 + 01 с выделением тепла, азота и кислорода, инструкциями Ростех-надзора было разрешено закачивать в одну скважину не более 1 т селитры, в большой массе взрывоопасной.
Контроль термохимических процессов в скважине и пласте является ключевым как для безопасности работ, так и для оптимизации технологических методов стимулирования нефтедобычи. В 2010 г. Институт биохимической физики РАН представил в Ростехнадзор мобильную лабораторию, контролирующую реакцию в скважине и обеспечивающую безопасную закачку в пласт больших масс аммиачной селитры. Получено разрешение органов Ростехнадзора № 25—ИД— 19542—2010 [5] на экспериментальную закачку в скважины селитры без ограничения ее массы при условии двух уровней контроля безопасности.
В октябре-ноябре 2011 г. в скв. № 1242 и № 3003 Пермокарбоновой толщи Усинского месторождения (ООО "Лукойл-Коми") закачали более 26 т реагентов БС.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Управление температурным режимом реакции БС в скважине и пласте. Водные растворы аммиачной селитры и инициатора ее разложения (нитрита натрия) закачивали по отдельным каналам. Так, в скв. № 1242 в составе водных растворов закачали 4 т селитры и 2 т инициатора реакции. В процессе реакции разложения селитры в скважине проверили работу датчиков температуры и давления в растворах с разными значениями рН. Определили диапазон стабильной работы датчиков (4 < рН < 8).
Поскольку в литературе не удалось найти сведений об управлении реакцией разложения взрывоопасной селитры на промыслах, опишем в деталях схему подачи реагентов ("труба в трубе") и регулирование реакции БС в процессе их закачки в при-забойную зону пласта (ПЗП). В скв. №3003 Усин-ского месторождения закачали более 20 т водных растворов БС (66 мас. % N^N0^ 50 мас. % NN0^). Для этого в обсадную трубу (^ = 168 мм), перфорированную в зоне продуктивного пласта, опустили насосно-компрессорную трубу (НКТ) с d = 73 мм до подошвы пласта на глубину 1401 м. В НКТ, d = 73 мм опустили НКТ, d = 45 мм до глубины 1391 м. Кольцевой зазор между обсадной трубой и НКТ, d = 73 мм перекрыли пакером, установленным на глубине1301 м. Раствор селитры подавали по кольцевому зазору между НКТ, d = = 73 мм и НКТ, d = 45 мм. Раствор нитрита натрия закачивали в ПЗП через НКТ, d = 45 мм. Внутри НКТ, d = 45 мм находился геофизический кабель с датчиками температуры на глубинах 1301 м (напротив пакера) и 1401 м, и с датчиком давления — на глубине 1301 м.
Взрывобезопасность при закачке реагентов обеспечивали следующим образом: 1) раствор се-
литры (67 мас. %) закачивали порциями не более 1 м3 с "прокладками безопасности" (вода, от 50 до 120 л); 2) параметры реакции на глубине 1401 м регулировали, варьируя подачу инициатора, ускоряющего реакцию, и добавочной воды, гасящей реакцию. При выходе параметров реакции за пределы допустимых значений было предусмотрено прекращение закачки реагентов. Реакцию проводили в ПЗП в месте выхода инициатора реакции из НКТ, d = 45 мм.
На рис. 1 представлены температура и давление около пакера на глубине 1301м и температура в зоне реакции на глубине 1401 м. Закачку в скв. № 1242 и в скв. № 3003 производили циклами (порциями), которые включали последовательную закачку в зону реакции инициатора, селитры и воды.
Закачку БС на основе аммиачной селитры в скв. № 3003 выполнили в 4 цикла (от 98 мин до 154 мин). В течение 56 мин закачали 7.5 м3 растворов, содержащих 5 т N^N03 и 2.3 т NаN02 —инициатора реакции.
После закачки на 98-ой мин первой порции реагентов (селитра 1 м3 + инициатор 1 м3 + вода 0.05 м3) на 104-й мин температура возросла от 14°С до 76°С, т.е., при начальной температуре 14°С характерное время самоускорения реакции (т) составило 6 мин. Последующая закачка растворов БС (2 м3) и воды (0.05 м3) произведена на 125-й мин. Подъем температуры до 170°С произошел на 126-й минуте, т.е. при начальной температуре 76°С т « 2 мин. На 127-й мин температура, пройдя через локальный максимум, понизилась на 40оС в связи с прохождением через зону реакции водяной прокладки (0.05 м3).
На 127-й мин была начата закачка следующей
порции: БС (4 м3) + водяная "прокладка" (0.05 м3). Наблюдался подъем температуры до 245°С. Затем на 130-й мин была начата закачка 1.5 м3 БС, завершившаяся на133-й мин вводом водяной прокладки большой массы (120 кг). Падение температуры на 80оС на 134-й мин связано с охлаждением зоны реакции этой массой воды.
Для проверки эффективности инициатора при высокой температуре на 135-136-й мин одновременно с подачей селитры в зону реакции закачали 100 л раствора инициатора. Температура в зоне реакции при этом на 136-й мин синхронно с закачкой реагентов увеличилась с 250 до 325°С. Температура 325 °С была определена как граничная, при которой подача инициатора при т < < 1 мин может увеличить скорость реакции до опасного предела.
Из рис. 1 видно, что в то время, как в зоне реакции на глубине 1401 м температура составила 250—325°С, температура около пакера на глубине 1301 м оставалась на уровне 18—20°С. При этом давление в скважине в течение 98—154 мин воз-
Время, мин
Рис. 1. Обработка продуктами реакции БС призабойной зоны пласта в скв. № 3003 Усинского месторождения. Зависимость от времени: температуры в зоне реакции — сплошная кривая; температуры в НКТ около пакера — пунктирная кривая; давления в НКТ около пакера — пунктир с точкой. Цифры (1, 2, 3, 4) — номера циклов закачки реагентов.
росло не более чем на 4 атм. Это объясняется быстрым поглощением жидкости, закачиваемой в пласт с большим количеством трещин.
Таким образом, впервые показана возможность управления реакцией разложения селитры в скважине, обеспечивающая высокую степень превращения в сочетании с безопасностью.
Статический уровень жидкости в скв. № 3003 в это время находился на глубине 410 м. С целью измерения скорости повышения уровня жидкости в скважине, прибор, измерявший температуру и давление напротив пакера, переместили на глубину 400 м.
На 155-й мин была обнаружена разгерметизация скважины вблизи ее устья, не предусмотренная технологическим планом. В соответствии с регламентом завершения закачки реагентов при разгерметизации устья, в пласт из рабочей емкости закачали ок. 9 м3 раствора, содержащий ок. 6 т N^N0^ Для удаления остатков раствора селитры из ствола скважины в пласт закачали 1 м3 пресной воды.
Согласно регламенту после закачки реагентов скважина должна находиться в закрытом состоянии в течение нескол
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.