СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОВМЕСТИМОСТИ ЖИДКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ С ПЛАСТОВОЙ ВОДОЙ
DETERMINATION OF COMPATIBILITY OF LIQUID INDUSTRIAL WASTES WITH RESERVOIR WATER

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано, в частности, при изучении возможного взаимодействия в недрах земли пластовых вод и жидких производственных отходов при закачивании последних в глубокозалегающие водоносные пласты, используемые в качестве приемников.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ исследования совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой, в котором создают модель пласта, помещают ее в блок термостатирования, имеющий средство для изменения температуры, на первом этапе исследований включают блок термостатирования и с помощью средства для изменения температуры доводят температуру модели пласта до температуры термостатирования, соответствующей температуре в исследуемом пласте, после чего закачивают пластовую воду в модель пласта, измеряя при этом ее расход на входе в модель пласта и на выходе из модели пласта, определяют приемистость модели пласта по пластовой воде, которая соответствует величине установившегося постоянного расхода пластовой воды на выходе из модели пласта, на втором этапе исследований закачивают в модель пласта жидкие производственные отходы, при этом измеряют их расход на входе в модель пласта и расход смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта, определяют приемистость модели пласта по жидким производственным отходам, которая соответствует величине установившегося постоянного расхода смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта, после чего оценивают совместимость жидких производственных отходов с пластовой водой путем сравнения приемистости модели пласта по пластовой воде и приемистости модели пласта по жидким производственным отходам (см. Отраслевой стандарт ОСТ 39-228-89, Вода для заводнения нефтяных пластов. Оценка совместимости закачиваемой воды с пластовой водой и породой продуктивного пласта, утв. приказом Министерства нефтяной промышленности от 6 февраля 1989 г. N 100).
Недостатком известного технического решения является его низкая эффективность, обусловленная проведением исследований без учета следующих факторов:
- термодинамических условий существования исследуемого реального пласта;
- газосодержания пластовой воды;
- геохимических взаимодействий насыщенной газом (метаном) пластовой воды с жидкими производственными отходами и породой пласта.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа определения совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой без упомянутых выше недостатков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности способа определения совместимости жидких производственных отходов с пластовыми водами за счет следующего:
- проведения исследований с фактическим учетом термодинамических условий пласта как при температуре исследуемого пласта выше комнатной (нагрев модели пласта), так и при температуре исследуемого пласта ниже комнатной, например при аномально низких температурах (охлаждение модели пласта);
- повышения точности определения приемистости пласта и, следовательно, повышения точности оценки совместимости жидких производственных отходов с пластовыми водами и водовмещаемыми породами.
Технический результат достигается за счет того, что в способе исследования совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой создают модель пласта, помещают ее в блок термостатирования, имеющий средство для изменения температуры, на первом этапе исследований включают блок термостатирования и с помощью средства для изменения температуры доводят температуру модели пласта до температуры термостатирования, соответствующей температуре в исследуемом пласте, после чего закачивают пластовую воду в модель пласта, измеряя при этом расход пластовой воды на входе в модель пласта и на выходе из модели пласта, определяют приемистость модели пласта по пластовой воде, которая соответствует величине установившегося постоянного расхода пластовой воды на выходе из модели пласта, на втором этапе исследований закачивают в модель пласта жидкие производственные отходы, при этом измеряют их расход на входе в модель пласта и расход смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта, определяют приемистость модели пласта по жидким производственным отходам, которая соответствует величине установившегося постоянного расхода смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта, после чего оценивают совместимость жидких производственных отходов с пластовой водой путем сравнения приемистости модели пласта по пластовой воде и приемистости модели пласта по жидким производственным отходам, при этом непосредственно перед закачкой жидких производственных отходов отключают блок термостатирования, а на выходе из модели пласта перед измерением расхода пластовой воды и перед измерением расхода смеси жидких производственных отходов с пластовой водой производят дегазацию и, кроме того, совместимость жидких производственных отходов с пластовой водой констатируют, в случае если величина приемистости модели пласта по пластовой воде отличается от приемистости модели пласта по жидким производственным отходам не больше чем на 20%.
В процессе закачки в пласт жидких производственных отходов происходит изменение температуры пласта по сравнению с фоновой, характерной для пласта, т.е. изменяются термодинамические условия в пласте. Отключение блока термостатирования непосредственно перед закачкой в модель пласта жидких производственных отходов позволяет смоделировать изменение температуры пласта при закачке в него жидких производственных отходов, что обеспечивает повышение эффективности заявленного способа.
Дегазация, производимая на выходе из модели пласта перед измерением расхода пластовой воды и перед измерением расхода смеси жидких производственных отходов с пластовой водой, обеспечивает повышение точности определения упомянутых выше расходов, что позволяет более точно определить приемистость модели пласта и, соответственно, повысить точность оценки совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой, находящейся в равновесии с породой пласта.
Понижение приемистости по жидким производственным отходам не больше чем на 20% по сравнению с величиной приемистости скважины по пластовой воде является предельным для всех видов стоков, подлежащих захоронению (установлено экспериментальным путем).
При понижении приемистости по жидким производственным отходам более чем на 20% по сравнению с величиной приемистости скважины по пластовой воде происходит необратимое снижение фильтрационных свойств призабойной зоны скважины (кольматация) продуктами взаимодействия жидких производственных отходов с пластовой водой и водовмещаемыми породами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
3
3
П
П
На фиг.1 изображен график зависимости текущего расхода закачиваемой в модель пласта пластовой воды, определенного как величина объема закачанной пластовой воды в определенный интервал времени (ΔV/Δt, см/мин), от количества прокачанных поровых объемов (отношение закачанного объема пластовой воды V к объему пор модели пласта V (V/V)) и график зависимости текущего расхода закачиваемых в модель пласта жидких производственных отходов, определенного как величина объема жидких производственных отходов в определенный интервал времени (ΔV/Δt, см/мин), от объема смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта.
3
На фиг.2 изображен график, показывающий изменение проницаемости модели пласта в процессе фильтрации пластовой воды минерализацией 105 г/дмпри температуре 74°C и пластовом давлении 16 МПа;
П
П
На фиг.3 изображен график зависимости содержания хлора в смеси жидких производственных отходов с пластовой водой от количества прокачанных поровых объемов (отношение закачанного объема пластовой воды V к объему пор модели V (V/V)).
3
На фиг.4 изображен график изменения проницаемости модели пласта в процессе закачки жидких производственных отходов минерализацией 10 г/дм при температуре 55°С и пластовом давлении 16 МПа;
На фиг.5 изображен график изменения температуры модели пласта в процессе вытеснения из нее пластовой воды жидкими производственными отходами.
Способ исследования совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой осуществляется следующим образом.
Предварительно проводят изучение особенностей объекта исследования, включающее определение минералогического состава пород пластов-приемников, а также определение составов пластовых вод и жидких производственных отходов.
Создают модель пласта путем помещения в кернодержатель сцементированного образца породы или слабосцементированной породы (насыпная модель пласта) из исследуемого интервала пласта.
Образец устанавливают в блок термостатирования, снабженный средством для изменения температуры модели пласта. В случае моделирования температуры исследуемого пласта выше комнатной блок термостатирования снабжают средством для изменения температуры, представляющим собой нагреватель. В случае моделирования температуры исследуемого пласта ниже комнатной блок термостатирования снабжают средством для изменения температуры, представляющим собой охладитель.
На первом этапе исследований проводят моделирование естественных условий существования пласта, а именно:
- изготавливают модель пласта;
- создают горное (обжимное) давление;
- насыщают модель пласта пластовой водой путем прокачки пластовой воды, насыщенной газом (чистый метан), через модель пласта при пластовом давлении;
- включают средство для изменения температуры модели пласта в блоке термостатирования и изменяют температуру модели пласта на температуру, соответствующую реальной температуре в исследуемом пласте, а именно: производят нагрев модели пласта с помощью средства для изменения температуры (нагревателя) при необходимости моделирования температуры исследуемого пласта выше комнатной или производят охлаждение модели пласта с помощью средства для изменения температуры (охладителя) при необходимости моделирования температуры исследуемого пласта ниже комнатной;
- после установления давлений на входе и выходе модели пласта одновременно засекают время, измеряют начальный объем дегазированной пластовой воды и замеряют величину расхода пластовой воды на выходе из модели пласта, т.е. величину объема пластовой воды, выходящего из модели пласта в равные интервалы времени;
- при установлении постоянного расхода пластовой воды на выходе из модели пласта (равное количество объемов пластовой воды на выходе из модели пласта в единицу времени) констатируют установление равновесия между пластовой водой и породой пласта (установления стационарного режима фильтрации);
- после установления равновесия между пластовой водой и породой пласта прекращают насыщение модели пласта пластовой водой;
- на протяжении всего первого этапа исследований посредством блока термостатирования осуществляют поддержание в модели пласта постоянной температуры, соответствующей реальной температуре в исследуемом пласте.
Моделирование естественных условий существования пласта осуществляют с помощью фильтрационной установки, содержащей средство для создания пластового давления (гидравлический пресс), средства для регулирования расхода пластовой воды и жидких производственных отходов, средства для точной регулировки давления на выходе из модели пласта, а также сепаратор-дегазатор для отделения растворенного в пластовой воде газа, соединенный с устройствами для учета количества отсепарированного газа (газовый счетчик) и для учета количества отсепарированной жидкой фазы пластовой воды (градуированный цилиндр).
3
П
По экспериментальным данным строится график зависимости текущего расхода закачиваемой в модель пласта пластовой воды (см/мин) от количества прокачанных поровых объемов V, определяемых как отношение закачанного объема пластовой воды к объему пор модели (фиг.1).
Приемистость пласта показывает возможность закачки рабочего агента (воды, газа и др.) в пласт и определяется объемом рабочего агента, закачиваемого в пласт в единицу времени и напрямую связана с проницаемостью породы (способностью горных пород фильтровать сквозь себя флюиды при наличии перепада давления).
Приемистость модели пласта по пластовой воде на графике (фиг.1) соответствует значению установившегося постоянного расхода пластовой воды на выходе из модели пласта (в единицу времени из модели пласта выходят равные объемы пластовой воды - см. определение приемистости).
На втором этапе исследований проводят вытеснение из модели пласта пластовой воды реальными жидкими производственными отходами.
В результате закачки жидких производственных отходов в пласте происходит изменение термодинамических условий. Для моделирования изменения температуры пласта при закачке в него жидких производственных отходов в начале второго этапа исследований непосредственно перед закачкой жидких производственных отходов отключают блок термостатирования, осуществляющий поддержание в модели пласта постоянной температуры, и далее осуществляют следующее:
- устанавливают давление на входе и выходе модели пласта, одновременно засекают время и измеряют начальный расход дегазированной смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта;
- замеряют расход смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта;
- при установлении постоянного расхода на выходе из модели пласта (в единицу времени из модели пласта выходят равные объемы смеси жидких производственных отходов с пластовой водой) заканчивают второй этап исследований и при этом одновременно определяют атмосферное давление (по показаниям барометра) и температуру смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта.
3
П
По экспериментальным данным строится график (фиг.1) зависимости текущего расхода закачанных в модель пласта жидких производственных отходов (см/мин) от количества прокачанных поровых объемов V (отношение объема закачанных жидких производственных отходов к объему пор модели).
Приемистость модели пласта по жидким производственным отходам соответствует значению установившегося постоянного расхода смеси жидких производственных отходов на выходе из модели пласта, т.е. постоянному значению объема смеси жидких производственных отходов с пластовой водой, выходящему из модели пласта в единицу времени.
По результатам изменения приемистости модели пласта (фиг.1) при вытеснении пластовой воды жидкими производственными отходами дают заключение о совместимости пластовой воды с закачиваемыми жидкими производственными отходами и количественную оценку снижения приемистости нагнетательных скважин в результате взаимодействия пластовой воды, породы и жидких производственных отходов в призабойной зоне скважин.
Общее понижение приемистости модели пласта не должно превышать 20% от величины приемистости скважины на пластовой воде. Эта цифра является предельной для всех видов жидких производственных отходов, подлежащих захоронению.
Пример осуществления заявленного способа исследования совместимости жидких производственных отходов с пластовой водой.
С целью получения экспериментальных данных о возможных последствиях кольматации при закачке жидких производственных отходов в пласт были выполнены исследования на натурных образцах породы, пластовой воды и жидких производственных отходов одного из нефтегазоконденсатных месторождений.
3
3
С целью уточнения возможности проявления техногенного солеотложения на проницаемость коллекторов при моделировании охлаждении пласта осуществляли вытеснение пластовой воды минерализацией 105 г/дм из модели пласта жидкими отходами минерализацией 10 г/дм. Эксперименты проводили на модели пласта длиной L=0,19 м.
В данных термобарических условиях при смешении вод различного типа в поверхностных условиях (без учета породы пласта) происходит выпадение солей и, соответственно, в пластовых условиях возможно снижение приемистости модели пласта для жидких производственных отходов по сравнению с приемистостью по пластовой воде.
Вытеснение производили на фильтрационной установке с выходом из модели пласта в калибровочный цилиндр отсепарированной пластовой воды (на первом этапе исследований) и отсепарированной смеси жидких производственных отходов с пластовой водой (на втором этапе исследований). Объем вытесняющего флюида (жидких производственных отходов) контролировали высокоточными измерительными насосами.
Исследования проводили в следующей последовательности.
Включили блок термостатирования и произвели нагрев модели пласта до 74°С для моделирования температуры соответствующей реальной температуре в исследуемом пласте. Установили горное давление 24 МПа, пластовое давление 16 МПа.
После установления пластовой температуры 74°С прокачали пластовую воду через модель пласта до установления равновесия между пластовой водой и породой пласта. Определили приемистость модели пласта по пластовой воде.
Для обеспечения возможности моделирования охлаждения пласта жидкими производственными отходами произвели отключение блока термостатирования, осуществляющего поддержание в модели пласта постоянной температуры 74°С. После чего начали процесс вытеснения пластовой воды жидкими производственными отходами, имеющими температуру 28°С. В процессе вытеснения пластовой воды жидкими производственными отходами, имеющими температуру 28°С, температура модели пласта снизилась с 74°С до 55°С.
Приемистость модели пласта по жидким производственным отходам на графике (фиг.1) соответствует значению установившегося постоянного расхода жидких производственных отходов на выходе из модели пласта (равное количество объемов жидких производственных отходов на выходе из модели пласта в единицу времени - см. определение приемистости). После стабилизации расхода жидких производственных отходов на выходе из модели пласта произвели определение приемистости модели пласта для жидких производственных отходов.
Результаты экспериментальных исследований представлены на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5.
3
3
3
Из экспериментальных данных (фиг.1) следует, что установившийся расход жидких производственных отходов составил 0,365 см/мин (для пластовой воды -0,400 см/мин). Проницаемость модели пласта для жидких производственных отходов составила 0,140 мкм (фиг.4). Снижение приемистости для жидких производственных отходов данного состава по отношению к приемистости по пластовой воде составило 8,75%.
Вытеснение пластовой воды жидкими производственными отходами является результатом смешивающего вытеснения. В процессе вытеснения пластовой воды жидкими производственными отходами в модели пласта происходит замещение пластовой воды на жидкие производственные отходы с образованием зоны смеси жидких производственных отходов с пластовой водой. Разница концентраций хлора в пластовой воде и жидких производственных отходах позволяет контролировать полноту вытеснения пластовой воды жидкими производственными отходами аргентометрическим методом по содержанию хлора в вытесняемой смеси жидких производственных отходов с пластовой водой (фиг.3). График дает возможность оценить эффективность вытеснения (замещения) пластовой воды жидкими производственными отходами. Равенство содержания хлор-иона в смеси жидких производственных отходов с пластовой водой на выходе из модели пласта и в исходных жидких производственных отходах соответствует полному замещению пластовой воды жидкими производственными отходами.
В процессе вытеснения производили отбор проб на химический анализ смеси жидких производственных отходов с пластовой водой из модели пласта через 0,37, 1,17, 1,63, 2,03 поровых объема закачки жидких производственных отходов.
Анализ результатов вытеснения пластовой воды жидкими производственными отходами показал, что в системе «пластовая вода-порода-жидкие производственные отходы» при охлаждении пласта наблюдаются обменные процессы между породой пласта, пластовой водой и закачиваемыми жидкими производственными отходами.
В вытесненной смеси жидких производственных отходов с пластовой водой при закачке жидких отходов в количестве 2,03 поровых объема присутствие карбонатов как в пластовой воде, так и в жидких производственных отходах не наблюдалось, что явилось результатом их распада при нагреве модели пласта до 74°С.
Закачка жидких производственных отходов в количестве 2,03 поровых объемов способствовала растворению сульфатов и кальция из породы пласта и переходу в породу магния, при этом содержание натрия и калия установилось равным их содержанию в исходной пробе жидких отходов.
Данные геохимические изменения не привели к значительному ухудшению фильтрационно-емкостных свойств модели пласта.
При закачке жидких производственных отходов в пласт на полигонах захоронения жидких отходов на объектах газовой отрасли формируется сложная гидрохимическая система «пластовая вода-порода-жидкие производственные отходы». Формирование этой системы характеризуется выпадением (растворением) солей при смешивании жидких фаз, оживлением физико-химических процессов, происходящих между твердой и жидкой фазами (растворение и переосаждение простых солей, катионный обмен), что неизбежно ведет к изменению фильтрационно-емкостных свойств породы, формирующей пласт. Часто наблюдается изменение величины перового пространства в пласте, вызванного кольматацией или растворением породы. Наиболее сильно этот процесс развит в призабойной зоне нагнетательных скважин.
Для того чтобы не допустить снижения фильтрационных свойств призабойной зоны скважины (кольматации) продуктами взаимодействия жидких производственных отходов с пластовой водой и водовмещаемыми породами на действующих полигонах, необходимо предварительно осуществлять следующие мероприятия:
- проводить описанные выше экспериментальные исследования по совместимости различных по составу и минерализации закачиваемых жидких в пласт жидких производственных отходов с породой пласта с учетом термодинамических условий существования пласта;
- проводить экспериментальные исследования на моделях пласта с выдачей рекомендаций по химическому составу закачиваемых производственных отходов и способам их подготовки перед закачкой в пласт;
- постоянно контролировать химический состав закачиваемых жидких производственных отходов на соответствие их качества нормативным документам.
Невыполнение упомянутых выше мероприятий может привести к необходимости дорогостоящего капитального ремонта нагнетательных скважин для восстановления фильтрационно-емкостных свойств призабойной зоны.
Приведенные выше экспериментальные исследования позволяют до проведения опытно-промышленных закачек жидких производственных отходов на полигоне осуществить для обеспечения бесперебойной работы нагнетательных скважин следующее:
- установить ход и развитие процессов солеотложения и минимизировать их в условиях пласта;
- дать количественную оценку возможного снижения приемистости нагнетательных скважин;
- рекомендовать способы подготовки жидких производственных отходов перед закачкой их в пласт.