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

Промышленные эксперименты внутрипластового горения в СССР применительно к добыче нефти начали осуществляться в 30-х годах текущего столетия А. Б. Шейнманом и К. К. Дубровай [123], назвавшими этот метод воздействия на нефтяной пласт «подземной газификацией нефти». В настоящее время в различных странах имеется определенный опыт применения внутрипластового горения в реальных пластах.

Прежде чем перейти к изложению механизма извлечения нефти из пластов с использованием внутрипластового горения, опишем кратко его технологию. Для осуществления подземного горения в нефтенасыщенном пласте через скважины в пласт начинают нагнетать окислитель (обычно воздух). Нефть при этом частично вытесняется из пласта воздухом, однако воздух из-за его большей подвижности перемещается по пласту быстрее нефти и вскоре достигает эксплуатационных скважин. Таким образом, происходит соединение («сбойка») нагнетательных и эксплуатационных скважин. Одновременно с закачкой воздуха подогревают пласт вблизи забоя нагнетательной скважины каким-либо способом (при помощи электронагревателей, горелок, химическими методами и др.). Температура в скважине и на входе в пласт повышается, из-за чего возрастает интенсивность реакции окисления нефти. Одновременно под действием температуры происходит выделение из нефти легких фракций и перенос их внутрь пласта в направлении движения воздуха. В результате этого вблизи скважины остается коксоподобный остаток нефти (кокс). Температура в скважине в результате подогрева и усиления реакции окисления нефти возрастает настолько, что начинается бурное окисление кокса, т. е. его горение.

Из-за теплопроводности и конвекции зона повышенной температуры перемещается внутрь пласта. После выгорания кокса вблизи скважины начинается его горение в более удаленной зоне. Таким образом, зона горения постепенно перемещается в глубь пласта.

Выше было описано так называемое прямоточное горение. Известно также противоточное горение, когда зона горения движется от эксплуатационных скважин к нагнетательным, навстречу потоку окислителя. Метод внутрипластового горения, осуществляемый путем закачки в пласт только газообразного окислителя, получил в последнее время название «сухого» горения в отличие от «влажного» горения, при котором в пласт вместе с окислителем закачивается вода.

Согласно многочисленным экспериментальным данным [124, 132, 142], распределение температурных зон и насыщенностей пористой среды флюидами в процессе сухого или обычного внутрипластового горения в однородном пласте в случае прямолинейного движения можно представить схематично следующим образом (рис. 104).

Впереди находится зона 1, в которой наблюдается возрастание температуры от пластовой Т до температуры Гф в зоне горения 2. В этой зоне движутся нефть и продукты горения (азот, углекислота, вода), а также легкие фракции нефти, выделившиеся из нее до под-

хода зоны горения. Зона 2 является зоной бурных окислительных реакций или собственно зоной горения. Экспериментальные данные показывают, что зона 2 при сухом горении является узкой. Позтому и вводят понятие о «фронте горения». Узость зоны 2 объясняется сильной зависимостью скорости окислительной реакции между коксом и кислородом воздуха от температуры. Обычно для описания скорости этой окислительной реакции, т. е. скорости расходования

if 3 2 1

У7777.777777777777777Р27Ш7ШШШ771

"7

Рис. 104. Распределение телшературы при внутрипласто-вом горении

на химическую реакцию кислорода и выделения тепла, используют [137, 52] формулу закона Аррениуса

( лг )

(5.1)

где Wg - скорость выделения тепла; А - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная.

Как видно из формулы (5.1), с ростом абсолютной температуры Т скорость окисления нефти и скорость выделения тепла резко возрастают и оказываются намного больше скорости перемеш;ения зоны 2.

Таким образом, кислород воздуха, поступающего в зону 2, относительно быстро реагирует с остатком нефти, и возникает «фронт горения».

За зоной 2, если идти в направлении, противоположном направлению потока окислителя, показанному на рис. 104 стрелками, имеется зона 3, где происходит сначала резкое, а затем постепенное уменьшение температуры - от температуры на фронте горения Гф до температуры на входе в пласт Го, т. е. практически до температуры закачиваемого в пласт окислителя (зона 4). На некотором

расстоянии Xj от входа в пласт (х = 0) происходит более резкое изменение температуры, чем в остальной части зон 3 и 4. Это обусловливается конвективным переносом тепла закачиваемым в пласт окислителем. Расстояние х назовем условно «фронтом конвекции».

Как будет видно из последующего изложения, основные технологические параметры процесса внутрипластового горения существенно зависят от скоростей движения фронтов горения и конвекции. Пути дальнейшего усовершенствования технологии метода внутрипластового горения также определяются в очень значительной степени возможностями управления скоростями движения этих фронтов. Для того чтобы узнать, от чего зависит скорость движения фронта горения, рассмотрим химическую сторону явления подземного горения. На основе экспериментальных исследований было определено, что при сгорании остатка нефти (кокса) образуются вода HjO, окись углерода СО и двуокись углерода COj.

Химическая формула кокса очень сложна, однако ее элементный состав можно схематично представить в виде СН„, где п - отношение числа атомов водорода Н к числу атомов углерода С в коксе. Обозначим еще через Шд отношение числа молей COj к числу молей СО в продуктах сгорания. Тогда химическую формулу горения кокса можно представить в виде [132]:

СН„ + х0„ = yCO+zCO + IHO. (5.2)

Числа п ит„ будем считать заданными. Необходимо определить коэффициенты х, у, z и. Поскольку все атомы водорода в коксе идут на образование воды, молекула которой содержит два атома водорода, то непосредственно получается, что = п/2. Выполняя условия равенства числа атомов углерода и кислорода в левой и правой частях уравнения (5.2) и помня, что то = i z, получаем следующую формулу:

+ (-ё-1--)о, = СОз + со-h I Н,0. (5.3)

Таким образом, из формулы (5.3) следует, что на один моль кокса будет приходиться l-f молей кислорода. Молекулярный вес кокса, в котором на один атом углерода приходится п атомов водорода, равен 12 -f п. Отсюда на один килограмм кокса

(2то+\ п\

приходится \2тао4-2" 4/ килограмм-молей Oj. Объем одного кило-

12+71

грамм-моля газа при нормальных условиях равен 22,4 м*. Следовательно, на один килограмм кокса будет приходиться 22,4 X

(2то+1 п\

X Ч2тао+2" 4/ м газа О2. Обозначим z - содержание кокса в пол-

12+«

ном объеме пласта, включая пустоты. Величина z выражается в кг/м*. Отсюда получаем выражение для объема окислителя,