Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 [ 94 ] 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139

ГЛАВА 6. ВНУТРИПЛАСТОВОЕ ГОРЕНИЕ

6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИПЛАСТОВОГО ГОРЕНИЯ

6.1.1. Стабилыюсть

Как отмечалось (см. гл. 3), отношение подвижностей не может быть единственным критерием устойчивости процесса вытеснения нефти нагретой воД№ или водяным паром. Действительно, для учета изменший плотности (вызванной изменениями температуры и объема при конденсации) необходимо принимать во внимание отношение скоростей всех компонентов перемещающейся в пласте смеси воды, пара и нефти (уравнение (3.12)). Совокупность отношений подвижностей и скоростей компонентов является также характеристикой устойчивости BirpHnnac-тового горения [6.1].

В работе [6.1] изучают процессы только на фронте горения, в то время как вытеснение во всех других областях рассматривают как ус-тошивое. В действительности же неустойчивость на юнте горения может быть вызвана нестационарностью процессов вне его. Поэтому авторы рассматривают устойчивое линейное адиабатическое вытеснение и допускают, чю оно квазистационарно, причем фронт горения 1фодви-гается очень медленно. Температурный профиль перемещается поступательно.

Иссждование устойчивости сверхвлажного горения начинается с предельного случая, когда вся нагнетаемая вода нспфяется, хотя максимальная температура не превышает температуру воды при заданных зкспериментальных условиях и весь кислород потребляется в реакциях. При зтом полагают, что скорость перемещения газов существенно выше скорости перемещения фронта гороош.

Результаты такого подхода свидетельствуют о том, что передача тепла, обусловленная теплопроводностью к области, заполнешкж водой и воздухом, является стабилизирующим фактором. В то же время в общем случае малая подвижность водовоздупшой смеси за фронтом испарения и расширение вследствие парообразования воды оказывают противоположные воздействия. Для повышенных значений отношения обьемов воды и воздуха (что, собственно, и характеризует режим сверхвлажного горения) подвижность в области, занятой водовоздушной смесью, -стабилизирувиций фактор, а испарение - дестабилизирукшщй, причем тем более существенный, чем ниже давление (снижение плотности водяного пара). Последний зффект доминирует в области низких давлений; при росте же давления картина меняется на противоположную.

Воздействие фактора испарения воды схоже с эффектом при нагнетании водяного пара (см. гп. 3). Конденсация же, 1фоцесс обратный гофо-

образованию, всегда является стабигэтзирующим 1фоцессом, тем более существенным, чем ниже давление.

При сухом или влажном гор-иш проявляется стабилизирующий зффект теплопроводности. И поскольку объем газа при переходе через фронт горения не претерпевает значительных изменений, зти режимы нельзя отнести ни к устойчивым, ни к неустойчивым.

При рассмотрении указанных критериев устойчивости принимали во внимание изменения, происходящие с жидкостями и газами по разным сторонам фронта испарения или горения. В действительности внутрнпластовое горшие гораздо сложнее вследствие наличия нескольких фронтов. Более того, при последовательном нагнетании воздуха и воды допущение о квазистационарном режиме может не соответствовать реальности.

6.1.2. Основные принципы моделирования внутрипластового горения

Моделирование процесса вытешения нефти при внутрипластовом гороши значительно сложнее моделирования вытеснения при нагнетании теплоносителей. Большое число химических реакций и интенсивный межфазный обмен существенно увеличивают число уравнений, которые следует принять во внимание для правильного описания процессов, про-текакнцих на фронте горения. Позтому был сделан ряд упрощаняцих до-пущоган для получения аналитического или численного решения системы уравнений, описывающих процессы в пласте. Среди всех зтих упрощающих допущений особое внимание следует уделить тем, которые относятся к количеству выделяемого в ходе химических реакций тепла и к условиям затухания процесса.

Прежде всего рассмотрим зкспериментальную модель, обеспечивающую одномерность и адиабатичность процесса; в модель помещена однородная среда, в которой установилось квазинепрерывное прямоточное горение в спутном потоке. На основании результатов (см. раздел 5.3) в первом приближении можно допустить, что в конкретном пласте в широком диапазоне изменения расхода воздуха количество сгоревшего топлива в единице объема пористой среды, через которую прошел фронт горения, не зависит от расхода и слабо зависит от давления. То же относится и к минимальному количеству воздуха, необходимого для поддержания процесса. Параметр а„, соответствунхций полному потреблогаю кислорода, связан посредством стехиометрического коэффициента с количеством топлива [5.19]. С другой стороны, можно полагать, что количество высвобоящаемого тепла на единицу массы горючего Qj или же на единицу массы воздуха Qg - постоянно. Т. е. для единичного объема пористш среды верно соотношение

P-a-Q. I (6.1)

где mjv - масса топлива на единицу объема пористой среды; Рд - плот-

ность воздуха при тех же условиях, которые были взяты для задания необходимого количества воздуха.

Есш1 фронт горения перемепдается со скоростью щ = dx/dt, то количество тоша, выделяемого в единицу времени на единицу площади поверхности фршта горения,

ще - удельный расход воздуха на фронте горения в расчете на единицу его шкшцщи. Однако зто выражение верно лишь для устойчивого распространения реакции горения в пористой среде. Но лабораторные исследования сгорания показали, что процесс имеет тенденцию к затуханию, если максимальная температура становится слишком низкой, так как при зтом скорость реакции недостаточна. Минимальная температура, обеспечивающая стабильность распространения фронта горения, равна приблизительно 330 °С [6.2].

Рассмотрим теперь влияние теплообмена на профили температуры и на возможность обеспечения необходимого температурного уровня. Допустим, что теплоперенос, обусловленный теплопроводностью, прене-6pe3iaiM0 мал по сравнению с конвективным теплообменом, который, в свою очередь, настолько мал, что позволяет допустить в каждой точке пористой среды равенство температур заполняющих поры среды жидкостей и газов. Вне зоны реакции уравнение знергетического баланса записывается на основе уравнения (136), в котором опущен член, опи-сывакиций тешкмфоводность, т.е.

P-.V.gradT = о . (6.3)

Второй член, соответствуюощй конвективному переносу тепла газом, (воздухом или газообразными продуктами реакции), является домини-рухицим относительно членов, описывающих конвективный теплообмен и фазовые изменения.

Если в новом зксперимеяте расход воздуха отличается в х раз от расхода в предыдем опыте, член, относящийся к скорости рК, приобретает вид (pV) = хр И и уравнение (63) преобразуется в

Это уравнение идентично предыдущему при условии замены f на xf-Следовательно, количество высвобождаемого здесь в единицу времени и на единицу площади поверхности фронта горшия тепла равно хЧс-Это предполагает, что расход воэдуха Vf на фронте горения практически идентичен скорости нагнетаемого воздуха.

Таким образом, количество тепла, накопленного к моменту t = tx,