научная статья по теме ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 5, с. 570-578

УДК 532.522

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ

© 2008 г. А. И. Филиппов, П. Н. Михайлов, Н. В. Пестова, А. Г. Крупинов

Стерлитамакский филиал АН Республики Башкортостан

deodjen@mail.ru Поступила в редакцию 20.07.2005 г., после доработки 29.10.2007 г.

Задача о температурных процессах при кислотном воздействии представлена в виде последовательности краевых задач для коэффициентов разложения искомого решения в асимптотический ряд. Произведено "расцепление" соответствующей цепочки уравнений, и на этой основе осуществлена постановка задач для нулевого и первого коэффициентов разложения. Найдено и физически обосновано дополнительное интегральное условие для первого коэффициента разложения, заключающееся в том, что его среднее значение на оси z в интервале пласта равно нулю.

В природных условиях часто скелет пористых нефтегазовых пластов состоит из известняковых пород. Процесс кислотной обработки представляет собой разъедание скелета химическим реагентом, в качестве которого используется соляная кислота, вступающая в реакцию с известняком. В результате частичного разъедания пласта увеличивается его пористость и, как следствие, нефтеотдача. Регистрация температурных изменений, обусловленных тепловыделениями в результате этой реакции, позволяет судить об эффективности кислотной обработки.

С исследованием температурных полей в нефтегазовых пластах связано большое число работ научных школ Башкирского, Казанского, Латвийского государственных университетов, научно-исследовательских и проектных институтов нефтегазовой промышленности [1, 2], а также зарубежных исследователей. В подавляющем большинстве этих работ в основу исследований положена "схема сосредоточенной емкости", которая предполагает, что поле температуры в интервале пласта не зависит от вертикальной координаты [3, 4].

В цилиндрической системе координат г, ф, г, где среда представлена двумя полубесконечными областями с плоскими границами раздела, перпендикулярными оси г (г = ± Н, где Н - полутолщина нефтеносного пласта), первая и вторая области непроницаемы, средняя область толщины 2Н, расположенная горизонтально, является пористой, и в нее закачивается кислота. Рассмотрен случай радиального движения кислоты в средней области -Н < г < Н от скважины к удаленным точкам пласта. В процессе закачки кислоты в пласт находящаяся в нем нефть оттесняется в удаленные участки и образуется зона, в которой кислота взаимодействует с карбонатосодержащим скелетом пористой среды. При описании температур-

ной задачи приняты следующие допущения: температуры нефти, кислоты и скелета пористой среды в каждой точке совпадают, отлична от нуля только радиальная координата скорости конвективного переноса тепла, т.е. ыгй Ф 0, ыфй = 0, ыгй = 0. Случай мгновенной закачки, когда ыгй = 0, рассмотрен в [5].

Математическая постановка задачи для первой и второй областей представляется уравнением теплопроводности, а для средней области - уравнениями баротермического эффекта [6] с учетом тепловыделений за счет химической реакции:

di

1 д f _ Т,

_ td

ar1 r d_rd{Td д

di

+ a

д2 T

d1

d d d

г, > 0, td > 0,

z1 2 д Zd

дТ

_t,

d2 _ 1 д f _Td2 " ar2 г- дг Ird Э7~ ' +a

д2 Г,

d2

d d d

rd > 0, td > 0,

z2 2 д Zd

3Td д td

+ Udef(rd, td)

д T d

д Pd

Zd > h,

Zd < - h,

д Рл

(1)

(2)

+ £def д f ^ - ^defn _о +

д td

+ qd - ar 3rd I'd _rd Г -2 '

д2 T d

1 д f дТ

rd I + « . rd_ rdV _rd/ д z,

d

|Zdl < h, rd > 0, td > 0, где П = ^ ms¡ pcC, qd = Lqi/cn.

(3)

На границах раздела заданы условия равенства температур и тепловых потоков:

'Zd - h

- T.

d1

Zd - h

_Г>

д Zd

Zd- h

л д Td1

- z ^

, (4)

Zd - h

d

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ КИСЛОТНОИ ОБРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ Э Т,

'га = -Л

= Т

а2

= X

га = -Л

дТ й2

,=-а

•г2'

дга

(5)

га =

Температурные возмущения в начальный момент времени отсутствуют:

ил = 0

= Тл

ил = 0

= Т,

а2

и = 0

= 0.

(6)

где х = схрх/(ср), г = га/Л, г = Тх = Тхй/Той, ые{ =

= мехаЛ/агх, г = га/Л, Р = Ра/Р0а, £ег = £егаР0а/Т0а, Лег = = П^аРм/Тм- В качестве Т0а можно использовать максимальное повышение температуры-

Искомые решения задачи представляются в виде асимптотических формул

Т = Т(0) + £ Т(1) + е2Т(2) + ... + е", Т, = т(0) + £т( 1)1 + £2т(2) +... + е", г =1,2,

(16)

Граничные условия представлены в следующем где нижние индексы относятся к номеру области, а виде:

=0

= Та (га), Иш ТА ч = 0,

НшТ а,| = 0.

а,|га+га

(7)

дТ 1 аг 1 д (гЭТ^ д2Т = 0

дг аг1гдгV дг у дг2 г > 1, г > 0, г > 0,

(8)

верхние соответствуют порядковому номеру коэффициента разложения. Подставив (16) в (8)-(15) и сгруппировав слагаемые одинакового порядка по £, получим

Решение предполагается ограниченным во всех точках га > 0- Нижние индексы 1 и 2 относятся к параметрам первой и второй среды, соответственно. Величины 9а, иаег(г, г) определяются из гидродинамической задачи [5].

В безразмерных координатах, обозначив Л = = Хг1/Хг и заменив Л на £Л, в предположении осевой симметрии запишем более общую параметризованную задачу

(д Т (0) аг1 д( г дТ Г Л д2 Т}'

дг аг 1 гдг\ д г

•Л0)

2-, (0)Л

дг

2

+

(дТ (1) аг1 д( г д Т11 Л д2Т 1

+ £Л

22 + £ Л

V

2)

д г аг1гд г\ д г

„(1)

/

2-, (1)Л

V

д г аг1гд г\ д

д Т12> аг1 д ( д т(2)Л д2 Т1

г

дг

2 (2)

2

+ (17)

/

дг2

+ ... = 0,

(д т 20)

аг2 д ( дТ2 Л аг2д Т2

дг аг 1 гдг\ дг у аг 1 дг

д Т2 аг2_Э_ (г д Т 2^ - аг2 д_Т2 = 0

дг аг1 гдг^ дг ) аг1 дг г < -1, г > 0, г > 0, дТ ( .(дТ дРЛ ^дР

- (г дТЛ + _X_д_Т

аг1 дгV дг) £Лдг2' |г| < 1, г > 0, г > 0,

дТ 1

1г = 1 1 'г = ^ дг

г = 1

дТ

дг

г=1

г = -1

= Т

г = -1

, £Л

Т2

г

Хг1 дТ

Хг2 дг

Т п = Т|

'г = 0 Чг = 0

г = -1

= 0, г = 1, 2,

(9)

(10)

г= -1

(11)

(12)

(13)

+ £Л

(д Т(1)

2 аг2 д ( дТ 2 Л а^д Т 2

дг аг1гдг\ дг у аг1 дг

+ (18)

22 + £ Л

(зт(2) „ Л/ ^т(2\ Г, ^т^Л дТ2 аг2 д ( дТ2 Л аг2д Т2 г

V

- х-

г2

д г аг1гд К д г

д Т(0)

а

г1 дг

2

+ ... =0,

/

+ £Л

д г

+ М г, г)

дТ

(0)

_ дР

д г + £ег д г

д Р

- ПегП-т- + 9 -

аг д ( д Т(

еГ "дг ' ^ аг1гдгV' дг

г( 0)

V (1)-

д2 Т

д г2

22 + £ Л

■дТ( 1) . чдТ(аг д ( дТ( 1) + М г, г )-.----—I г

(19)

д г

аг1г д;

2 (2)

д2Т

д г2 -I

+ ... =0,

НшТ,|

= 0, 11шТ|г ^ = 0, (14) ( Т(0)|г =1-ТТ|г =1) + £Л( Т1' |г = 1- т;> |г = 1) +

<0)1

г( 1)1

г( 1)1

Т1г = 0 = Т( г),

(15)

+ £2 Л2( Т( 2) |г = 1- Т <2)| ) + ... = 0,

а

Л

а

г

+

(0)1

h = -1

7^(0)1

- 1 2 I

2 . 2,

+ £ Л( 1

<z

г(2)

= -1) + еЛ( Т

(1)1

iz = -1

^(1)1 - 1 2

' z = -1

т(2)| - 1 2

д T(

< 0)

dz

+ £Л

z=1

дТ

(1)

д z

= 1) +...=0

дТ 10)

=-1)+ (21)

z=1

д z

z = 1

22 + £ Л

( дТ(2) д Т 11) \

V z= 1 - д z z = J

+

= 0,

(22)

рая была ранее применена в [7]. Уравнение, содержащее коэффициенты разложения только нулевого порядка, имеет вид

дТ(0) ( УдТ(0) "д-- + Мг, t)|

д Р

+ ^¡дТ ' -

_дР -г „ ,

+ f3- + q - — -Г--1 г

Яг д г дТ

д t

дТ 10)

az 1гдг\ дг

<0)

дz

+-

^z2 д Т 20)

z=1

Xz1 дz

z = -1

(27)

Xz1 дТ

<0)

Xz2 дz

+ £Л

22 + £ Л

z = -1 Л

X 1 д Т Т

(1)

X 2 дz

дТ

'(0)

Xz1 д Т

<2)

Xz2 д z

д Т!

z = -1

(1)

дz

z = -1

+

(23)

z= -1

дz

z = -1

+ ... =0,

(Т(0) + £Т(1) + £2Т(2) + ... ) |г = 0 = Т(t),

lim Т

(j) I

= 0, НтТ 1

(j) I

= 0,

НтТ

(j )|

= 0, j = 0, 1, 2, ....

(24)

(25)

Формально полагая £ = 0, из (19) для нулевого

приближения имеем д2Т(0) / д z2 = 0. Отсюда следует, что производная от нулевого приближения по координате z не зависит от координаты z, т.е.

дТ(0) / д z = const. Так как для нулевого приближения из (22) и (23) следует, что (д Т 0) / дz) |z = 1 = 0 и

(д Т(0)/д z) |z = -1 = 0, то получим д Т(0)/д z = 0. Последнее означает, что Т0) не зависит от z и является функцией только от г и t, т.е. Т0) = Т(0)(г, t). Приравнивая к нулю выражение перед сомножителем первого порядка по £ в (19), получим

д2Т(1) . 1

д z2

+ -х

■дТ(0) ( /дТ(0)

-д" + Uef( г, t)

д Р

+ ' -

гд P

Яг д ( д Т

- f^ + q д:I г

az1 гд г^ дг

< 0)

(26)

Уравнение (26) является "зацепленным" в том смысле, что оно содержит коэффициенты разложения нулевого Т0) и первого порядков 7(1). Это затрудняет решение соответствующих задач. Разработана процедура расцепления подобных уравнений, кото-

В том случае, когда (аг1/г)д (гдТ1/дг)/дг /аг1 х

х д2Т 1 /дг2 < 1, т.е. аг1^/аг1Я2 1, где Я и 2 - характерные размеры зоны возмущений температуры в радиальном направлении и в направлении оси г, соответственно, можно пренебречь радиальной теплопроводностью для первой и второй областей. Так как в направлении оси г преобладает конвективный перенос тепла, а в направлении оси г -

кондуктивный, то для оценки имеем 2 ~ ^/а^, Я ~ ийгй. Подставляя ый ~ 10-4 м/с, а ~ 107 м2/с, гй ~ 105 с и учитывая, что аг1 ~ аг1, получим аг17?1ал#1 ~ "10-4 ! 1. Эта оценка показывает, что радиальной теплопроводностью можно пренебречь. Запишем окончательную постановку задачи для нулевого приближения, используя для этого условия равенства нулю первых слагаемых в (17)-(24) и уравнение (27):

дТ 10) д2Т 1 -------t----

2 (0)

дЦ ----д---t-----

д Z az2 д Т2

= 0, z > 1, г > 0, t > 0, (28)

2

az1 дг

дГ(0) ----д---t-----

= 0, z < 1, г > 0, t > 0, (29)

+ Uef( г)

д Т т

(0)

дТ 1

<0)

д z

дг

( 0)

Xz 2 д Т 2

Xz 1 д z

z = -1

(30)

тгдР м д P ,, .

= nefn-Э7 - Uef ( г)£efgT - q = /( ^ t) ,

|z| < 1, г > 0, t > 0,

п(0)|

0

= Т 0 (t),

(31)

Т1

(0)1

= Т

(0)|

2

= Т

(0)

г > 0, t > 0, (32)

z = 1 z= -1

г ^

г

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ

573

(0)1 _ т(0)1 _ т(0) Т = 0 - Т 1 = о - Т 2

г -0

- 0,

(33)

ишг 1021

- 0, Нш Т

(0)1

- 0. (34)

Оценки и расчеты показывают, что произведение эффективной скорости конвективного переноса тепла на расстояние до оси скважины ые{г не зависит от радиуса г, так как изменение ые{г не превосходит 2%. Дополнительно будем считать, что скорость конвективного переноса тепла не зависит от времени и определяется выражением ме(- = ие^г) = = 5/2г, где 5 - величина, не зависящая от радиальной координаты и времени.

Решение задачи (28)-(34), полученное 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.

Показать целиком