Моделирование процессов тепло- и газовыделения при разложении бинарных систем в технологии добычи нефти и газа

УДК 622.235.6

А. С. Зимин, В. А. Соснин, В. Б. Заволжский, Ю. А. Ганькин, Р. А. Идиятуллин, К. В. Березина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ БИНАРНЫХ СИСТЕМ В ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА

Ключевые слова: методы увеличения нефтеотдачи, коэффициент извлечения нефти, бинарная система, стендовая установка.

Приведены основные методы увеличения нефтеотдачи, применяемые в настоящий момент на промыслах. Приведено обоснование выбора метода нефтеотдачи и выбора компонентов бинар-ной смеси, которая бы позволила получить наибольшее количество тепла и газообразных про-дуктов в результате химической реакции. Продукты реакции бы в свою очередь дали возможность прогреть призабойную и дальнюю зоны нефтеносного пласта до высоких температур, увеличив трещиноватость породы. Описана установка моделирования процессов тепло- и газовыде-ления из бинарных смесей, состоящих из композиции аммониевых солей и нитритов щелочных металлов, в технологии добычи нефти и газа. Показаны результаты проведенных экспериментов на данной установке. Приведены выводы по совокупности результатов лабораторных работ и работ на установке.

Key words: methods of oil extraction increasing, oil extraction coefficient, binary system, bench type unit.

There presented basic methods for increasing oil mining, which are used now. There given also reasons of choosing oil mining methods and components of binary mixture, which could allow to give the most quantity of heat and gaseous products in the result of chemical reaction. The reaction products could heat areas of oil beds up to high temperatures by increasing ability of cavity to appear. There described the unit of simulation the processes of emission heat and gas from binary systems consisting of compo-sition of ammonium salts and nitrites of alkali metals in the processes of oil and gas mining. There given the results of experiments carried out in this unit. There also given conclusions on the laboratory results and the results received in this unit.

Краткий обзор вариантов метода увеличения нефтеотдачи

В настоящее время основное внимание в нефтегазовом комплексе уделено той роли, которую призваны сыграть современные методы увеличения нефтеотдачи (МУН или в международной терминологии Enhanced Oil Recovery — EOR) в преодолении процесса падения коэффициента извлечения нефти (КИН). Под термином «современные МУН» понимаются технологии, связанные с тепловым, газовым, химическим, микробиологическим воздействием на пласты.

Проведенные исследования показали, что заложенный в современных МУН потенциал недостаточно используется в российском нефтегазовом комплексе (НГК). В то же время современные МУН способны обеспечить не только существенное увеличение КИН, но и прирост добычи нефти даже при ухудшении структуры запасов, увеличении доли месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, что делает все более актуальным освоение арсенала современных технологий увеличения нефтеотдачи пластов.

В этой связи цель настоящей работы заключается в разработке новых технологических составов, позволяющих воздействием на нефтеностные пласты увеличить их продуктивность.

Прежде чем говорить об увеличении нефтеотдачи, необходимо установить базу, по отношению к которой происходит это увеличение. В международной практике в качестве базового принимается такой метод разработки, при котором потенциал вытесняющего нефть агента реализуется за счет использования естественной энергии месторождений, т.е. режим растворенного газа, упруговодонапорный режим и режим газовой шапки. Если этой энергии недостаточно, то

применяются так называемые вторичные методы, которые направлены на поддержание пластовой энергии путем закачки воды и газа. Очевидно, что данные методы используют те же вытесняющие агенты, а значит, принципиально не влияют на потенциал вытеснения нефти, хотя при этом увеличивается степень использования этого потенциала. Поэтому вторичные методы, в частности заводнение, наряду с естественными режимами также относятся к категории базовых.

К настоящему времени освоены и применяются в промышленных масштабах следующие четыре группы МУН, которые называют третичными:

- газовые методы (закачка углеводородных газов, углекислого газа, азота, дымовых или других газов, закачиваемых в пласт как самостоятельно, так и в смеси с жидкостями);

- химические методы (заводнение с применением ПАВ, полимерное, мицеллярное заводнение, а также закачка жидких растворителей или других химических веществ);

- микробиологические методы (введение в пласт бактериальной продукции или ее образование непосредственно в нефтяном пласте);

- тепловые методы (вытеснение нефти теплоносителями, воздействие с помощью внутрипластовых экзотермических окислительных, либо других видов реакций).

Такая классификация способов разработки опирается на понятия, сформулированные в течение многих лет, и принята мировым нефтяным сообществом Весь срок разработки обычно разбивается на три этапа, и способы разработки подразделяют на первичные, вторичные и третичные. Такое разделение было введено в США в целях повышения экономической эффективности разработки месторождений, снижения прямых капитальных вложений и максимально возможного

использования для этих целей реинвестиций. На первом этапе максимально используется естественная энергия месторождения (упругая энергия, энергия растворенного газа, энергия законтурных вод, газовой шапки, потенциальная энергия гравитационных сил). Такие способы разработки были названы первичными. На втором этапе реализуются вторичные методы поддержания пластового давления путем закачки воды и газа. На третьем этапе для повышения эффективности разработки месторождений применяются третичные МУН.

Однако по мере освоения современных МУН и расширения масштабов их применения стало очевидным, что технологическая и экономическая эффективность их применения существенно зависит от времени начала их реализации. Чем раньше для разработки месторождений, особенно с трудноизвлекае-мыми запасами, используются современные МУН, тем выше как технологические, так и экономические показатели разработки. Поэтому все чаще третичные методы применяются на первой или второй стадиях разработки месторождений.

Основными методами увеличения нефтеотдачи являются тепловой и газовый способы. При этом тепловой заключается в вытеснении нефти теплоносителями, которые воздействуют с помощью внутри-пластовых экзотермических окислительных или других видов реакций. Газовый метод предполагает закачку углеводородных газов, углекислого газа, азота, дымовых или других газов, закачиваемых (нагнетаемых) в пласт как самостоятельно, так и в смеси с жидкостями.

В новом предлагаемом к разработке методе увеличения нефтеотдачи предполагается совместить тепловой и газовый за счет экзотермической реакции между реагентами (тепловой) с выделением большого количества газов (газовый).

Обоснование выбора компонентов

Наиболее доступным среди энергоемких материалов, производимых химической промышленностью в крупных масштабах, является нитрат аммония. Высокая потребность сельского хозяйства в азотных удобрениях и горнорудной промышленности в простейших взрывчатых веществах стимулировала создание гигантских производственных мощностей, что, в свою очередь, обеспечивает минимальную себестоимость нитрата аммония по сравнению с другими энергоемкими веществами.

Неудивительно, что в последние годы появилось большое количество публикаций, в основе которых лежат данные по химизму образования газообразных продуктов, обладающих высокой температурой при разложении нитрата аммония.

Если разложение нитрата аммония проходит в нефтеносном пласте, то благодаря повышению температуры до 200-300 °С газообразные продукты разогревают нефтеносную породу и снижают вязкость нефтепродуктов. Одновременно под действием высокого давления горячих газов в пласте образуются новые трещины и поры, способствуя отделению жидких углеводородов от неорганической породы.

В зависимости от температурной области, в которой происходит реакция, тепловой эффект будет различаться очень существенно. Так в температурной области 200-270°С разложение соответствует уравнению:

МНфЫ03 ^ М20 + 2 Н20 +36,8 кДж/моль

В температурной области выше 300°С стехиометрия разложения становится более сложной благодаря значительному образованию молекулярного азота при катализе разложения оксидами азота:

МН4Ш3 + 2Ш2^2 + 2 НШ3 + 2Н20 + 232 кДж/моль

Температурная область 240-270°С, необходимая для разложения нитрата аммония, практически не достижима в нефтеносном пласте на большой глубине.

С целью ускорения реакций тепло- и газовыделения при умеренных температурах было рекомендовано использовать добавки нитритов щелочных металлов (№N0^ KN02 и др.) к водным растворам нитрата аммония. При этом предполагается, что в образовавшийся нитрат / нитритной бинарной смеси устанавливается обратимое равновесие:

мн4да3 + №да2 ~ :ын4ш2 + №N03

Нитрит аммония, образующийся по уравнению (3), легко разлагается при действии кислотных катализаторов на азот и воду:

н+

КН3Ш2 ^ N + 2Н20 +300 кДж/моль

Тепловой эффект реакции (4) 300 кДж/моль (71,8 ккал/моль=1121,8 ккал/кг). Разложение нитрита аммония на азот и воду сдвигает равновесие (3) вправо и таким образом реакция (4) может быть доведена до конца. Суммарный результат можно представить уравнением (5):

КН4Ш3+ №Ш2 ^ N + NaN0з + 2Н20 +300 кДж/моль

Водные растворы нитрита аммония легко разлагаются под действием кислотных катализаторов (минеральных и органических кислот). В слабощелочной и нейтральной средах растворы нитрита аммония могут храниться длительное время при температуре 20 -250С.

Сравнение тепловых эффектов реакций разложения нитрата и нитрита аммония по реакциям (1), (2) и (5) позволяет сделать вывод, что разложение 1 кг исходного нитрата аммония в присутствии эквимоляр-ного количества нитрита натрия позволяет получить 897,5 ккал тепла (при жидкой воде). Основная реакция разложения нитрата аммония (1), протека-ющая в температурном диапазоне 240 - 300°С, дает 110 ккал/кг, что в 8,1 раза меньше, чем тепловой эффект разложения нитрита аммония. Реакция разложения нитрата аммония в температурной области выше 3000С (уравнение (2)) в присутствии двуокиси азота позволяет получить 693,8 ккал/кг.

Таким образом, с позиций термохимии разложение бинарной смеси нитрата аммония и нитрита натрия обеспечивает максимальное использование энергетического потенциала исходных веществ.

В ходе исследований способов инициации бинарных систем на основе нитрата аммония и нитрита натрия была сформирована идея по использованию в качестве инициирующего агента раствора альдегида. Реализация такого замысла возможна с использованием принципиально новых химических реакций, в которых из первоначально нейтральных веществ образуются свободные кислоты, в количествах строго пропорциональных количеству прореагировавшей соли аммония, с одновременным образованием более слабого, чем аммиак основания. Принципиальное существование таких реакций известно давно и наиболее подробно изучено для образования уротропина взаимодействием альдегида с солями аммония.

Данное направление представляется выгодным из-за доступности этих реагентов, их небольшого количества, необходимого для инициации реакции разложения бинарной системы, технологичности и экономической целесообразности. Наряду с этим альдегид как инициатор дает плавное протекание реакции и практически исключает образование оксидов азота, снижающих качество нефти, в отличие от инициации этой же реакции кислотами. Также существенным преимуществом данной инициирующей системы является ее нейтральность, что обеспечивает низкую коррозионную способность и соответственно увеличивает срок службы оборудования скважин на нефтепромыслах.

Моделирование процессов на стендовой установке

Моделирование поведения термогазохимического бинарного состава в условиях, наиболее приближенных к реальным, существующим на большой глубине залегания нефтегазоносной породы (1500 - 3000 м), осуществляли с использованием уникальной стендовой установки, основным элементом которой является металлическая труба-реактор.

Стенд включает следующие элементы (рис. 1): - сменные патрубки из трубы НКТ 73х7 (длиной 500, 1000 и 1500мм);

- съемные резьбовые и шпилечные фланцы 8 и 9 (рис.2) по концам патрубка с элементами присоединения трубопроводов высокого давления;

- ДТ1 и ДТ2 - датчики температуры с защитными гильзами;

- ДТ - датчик нагрева кабеля;

- ДД1 и ДД2 - датчики давления;

- ОХ1 и ОХ2 - охладители датчиков давления;

- СР1 и СР2 - средоразделители;

- Ф1 и Ф2 - фильтры;

- КП - клапан предохранительный (35 МПа);

- кабель предварительного нагрева с датчиком контроля ДТ;

- предохранительный кожух нагревательного кабеля.

- Б1, Б2, Б3 - емкости для бинарных составов и воды;

- К6, К7, К8 - краны шаровые;

- НД1 - насос дозировочный производительностью 25 л/ч, Р= 25МПа;

- К1 - вентиль игольчатый ВИГ250Д;

- ОК1 - обратный клапан;

- К2.1, К2.2 - блок вентилей 2хВИГ250Д;

- К3 - кран шаровый КШ500;

- трубопроводы (соединительные линии) высокого давления.

Система контроля и регистрации технологических параметров включает:

- контроллер-регистратор параметров (рис.1) технологических процессов с программным обеспечением для отображения значений измерительных величин в режиме текущего времени на экран регистратора в цветном графическом виде с возможностью визуализации контролируемых параметров как каждого отдельно, так и в любом их совместном сочетании;

Рис. 1 - Схема стендовой установки

- автоматизированное управление процессом подогрева стенда и отключения дозирующего насоса НД1 при достижении заданного давления;

- хранение измеренных данных и других технологических событий в архиве с возможностью записи архива на флэш-накопитель;

- шкаф управления с коммутационной аппаратурой (автоматические выключатели, кнопки, элементы световой и звуковой сигнализации, магнитные пускатели, соединительные кабели и провода).

Стенд в собранном виде (патрубок НКТ) устанавливается (в горизонтальном положении) на опорную плиту и крепится скобами 11 и пальцами 6 (рис.2).

Рис. 2 - Схема стендовой установки

Перед испытанием термогазохимических бинарных смесей необходимо провести тестирование со-

стояния стенда в собранном виде, сделать оценку герметичности запорной и предохранительной арматуры, работоспособности дозировочного насоса, контрольно-измерительных приборов и коммутационной аппаратуры: автоматических выключателей, элементов световой и звуковой сигнализации.

На этапе тестирования стенда необходимо в патрубок НКТ закачать воду, в количестве, соответствующем объему трубы, и произвести нагнетание давления насосом до 180-200 атм. Тестирование принимается как положительное при отсутствии снижения давления в системе и полном соответствии требованиям эксплуатации стендового оборудования. Для тестирования необходимо (рис.1) на линии продувки азотом закрыть клапан запорный К4 и кран К2.2 на нагнетательной линии, открыть кран К1, К8 и К2.1, включить дозировочный насос НД1 и закачать из емкости Б3 в патрубок воду.

На втором этапе производится заполнение патрубка пропантом и пропитка его бинарной смесью либо раствором инициатора (в зависимости от полученного технологического задания). Пропант представляет собой гранулированный порошок, моделирующий состав нефтегазоносной породы в призабойной зоне (А^Ю3 - 65 %, Fe2Oз - 7%, SiO2 - 22 - 26%, СаО -1,5%, ТЮ - 1,5%, №20 до 100 %).

Для приготовления бинарного раствора берется навеска аммиачной селитры, нитрита натрия и воды в заданном соотношении и в стеклянном стакане готовится раствор.

Загрузка пропантом осуществляется в наклонном положении патрубка стенда (труба НКТ 73) при снятом фланце 8 стенда (рис.2).

Загрузка пропантом и бинарной смесью (инициатором) проводится поочередно с пропиткой сыпучего материала раствором.

После загрузки патрубка устанавливается фланец 8 в исходное положение.

На третьем этапе перед закачкой растворов бинарной системы и инициаторов в патрубок проводится подготовка содержимого в патрубке (пропанта) к предполагаемым пластовым условиям по температуре и давлению.

Перед началом работ все запорные краны стенда должны быть в закрытом состоянии, регистратор должен быть включен.

Для имитирования пластовой температуры в патрубке подключается электрообогрев.

Температура нагрева кабеля и заполняющей среды патрубка контролируется датчиками контроля температуры ДТ, ДТ1 и ДТ2 с выводом значений на экран контроллера-регистратора.

На четвертом этапе проводится подготовка двух-компонентной бинарной системы на основе водного раствора неорганических солей, состоявшей из нитрата аммония и нитрита натрия (со стабилизирующими добавками) в заданном соотношении, либо проводится подготовка раствора инициатора так же в заданном объеме, если патрубок заполнялся пропантом, пропитанным бинарной смесью.

На пятом этапе работ закачиваются в патрубок стенда жидкие составы.

В зависимости от полученного технологического задания порядок закачки может различаться.

Обработка результатов тестирования термогазохимических бинарных систем на стендовой установке

Контроль над параметрами реакции, проводимой в пористой среде пропанта в патрубке стендовой установки, заключается в занесение записей в журнал регистрации, а также автоматической записи в архив контроллера-регистратора. Затем записанные данные скидываются на флэш-накопитель. и открываются специализированной программой, идущей в комплекте с контроллером.

Данные представляют собой графики зависимости давления и температуры от времени, а также сводные таблицы тех же параметров с заданной дискретностью (рис. 3, 4). На графиках показана динамика роста температуры по зонам трубы, а также давления.

<Г \ X " НН1- I НЕ««!«- « 114 : < 1 п м г 1 15 »Ср. ЮН.. »

1 2« ИМ. : р4 м то 1

— £ щ I |ч*с — ¿5 Г Щш; ;

И" 1_=_)

/ Рим ¿Ржм*. ИГ».-/Гки«

Рис. 3 - Динамика роста температуры и давления в патрубке установки в процессе реакции разложения термогазохимической бинарной смеси с концентрацией солей 70%

а* > - к. 1 4 • > у. к г п_ -

Рис. 4 - Динамика роста температуры и давления в патрубке установки в процессе реакции разложения термогазохимической бинарной смеси с концентрацией солей 60%

Из данной работы можно сделать следующие выводы:

1. Освоение новых современных методов увеличения нефтеотдачи является важной проблемой всей нефтедобывающей отрасли.

2. В качестве основы для термогазохимичес-кого воздействия на пласт взята реакция взаимодействия

нитрата аммония и нитрита натрия, в процессе которой образуется нитрит аммония, при определенных условиях разлагающийся на азот и воду с выделением достаточного количества тепла для прогрева приза-бойной и дальней зоны нефтеносного пласта. Теплота разложения нитрита аммония выше, чем теплота разложения чистого нитрата аммония, причем разложение нитрата аммония начинается при высоких температурах (250-270 °С), что недостижимо в пластовых условиях.

3. Для моделирования процессов тепло- и газовыделения в пластовых условиях разработана установка стенда, в которой имитируется закачка термогазохи-мической бинарной смеси в пласт и процессы диффузии в пористой среде пропанта. По максимальным значениям температуры и давления, а также по динамике их роста по зонам трубчатого реактора стенда

можно судить об энергетике термогазохимических бинарных смесей, полноте протекания реакции, поведении термогазохимической бинарной смеси в пористом пространстве пропанта или другого материала, имитирующего породу и распределение смеси по зонам трубы.

4. Моделируя поведение термогазохимической бинарной смеси в реальных пластовых условиях, можно более подробно изучить различия процессов инициирования взаимодействия нитрата аммония с нитритом натрия при проведении реакции в лабораторных условиях при атмосферном давлении и эксперимента в патрубке стенда при давлении, превышающем 100150 атм, т.е. спрогнозировать поведение такой смеси на промысле в реальном пласте, предугадать рост давления и температуры в скважине.

© А. С. Зимин - инженер отдела промышленных взрывчатых веществ (ПВВ) АО «ГосНИИ «Кристалл», kristall@niikristalLra; В. А. Соснин - доктор техн. наук, главный конструктор по направлению ПВВ, начальник отделаАО «ГосНИИ «Кристалл»; В. Б. Заволжский - генеральный директор ООО «Центр нефтяных технологий», moscow@cnt-komitat.com; Ю. А. Ганькин -доктор хим. наук, ведущий научный сотрудник ООО «ЦНТ»; Р. А. Идиятуллин - начальник ПТО ООО «ЦНТ»; К. В. Березина - инженер отделаПВВАО «ГосНИИ «Кристалл», kristall@niikristall.ru.

© A. S. Zimin - Engineer of commercial explosives department of JSC " GosNII "Kristall", kristall@niikristall.ru; V.A. Sosnin - doctor of technical sciences, Chief of commercial explosivesdepartment of JSC " GosNII "Kristall"; V. B. Zavolzhsky - General director ofli-mited liability company "Center of Oil Technologies", moscow@cnt-komitat.com; Yu. A. Gan'kin - doctor of chemical sciences, Leading scientist of limited liability company "Center of Oil Technologies"; R. A. Idiyatullin - Chief of PTD of limited liability company "Center of Oil Technologies"; K.V. Berezina - engineer of commercial explosives department of JSC "GosNII "Kristall", kristall@niikristall.ru.