СПОСОБ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОРИСТУЮ СРЕДУ
METHOD OF THERMOCHEMICAL ACTION ON POROUS MEDIUM

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, в частности к способам разогрева продуктивных пластов, и может быть использовано для повышения нефтегазоотдачи за свет снижения вязкости тяжелых углеводородов и повышения проницаемости пористых сред вследствие их растрескивания. В том числе изобретение может быть использовано для извлечения газа из угольных пластов.
Для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов используют различные тепловые (закачка пара или горячей воды) и термические способы (внутипластовое горение). Разогрев продуктивных пластов снижает вязкость тяжелых углеводородов, что способствует увеличению их подвижности. При этом происходит растрескивание пород, как тех, непосредственно в которых происходят эти процессы, так и окружающих. Растрескивание пород приводит к повышению проницаемости пористых сред, что повышает выход углеводородных компонентов.
Эти способы имеют свои ограничения на условия применения.
Так, тепловые методы имеют ограничения по глубине залегания пласта, в который необходимо подать тепло, из-за остывания теплоносителя в скважине.
Термические методы имеют ограничения по свойствам заколонного цемента и пластов, вышележащих над тем, в котором планируется реализовать термический способ, - они должны не растрескаться. Кроме того, применение внутрипластового горения (включающего закачку воздуха в пласт) сопряжено с возможностью, в некоторых случаях, возвращения фронта горения в нагнетательную скважину и даже аварий.
В месторождениях природных газов, в том числе в угольных пластах, тепловые и термические методы не применяются.
Известны способы термохимической обработки призабойной зоны скважин (Патент РФ №2148152). Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению и технической сущности является способ термохимической обработки призабойной зоны скважин (Патент РФ №2147675), где поставленная задача решается тем, что в известном способе, включающем использование в качестве реагента раствора щелочи, прокачку раствора щелочи через гранулированный алюминий при соотношении раствора щелочи и алюминия больше стехиометрического, интенсивность разогрева раствора щелочи регулируют водой, прокачиваемой совместно с раствором щелочи через гранулированный алюминий.
К существенному недостатку известного способа относится ограниченная призабойной зоной зона прогрева пласта.
В предлагаемом изобретении решается задача по термохимическому воздействию не только на призабойную зону скважин, но и на удаленные части пористой среды, в отличие от ранее известных технических решений.
Существенными признаками изобретения являются следующие.
1. Прокачка реагента через гранулированный металл с использованием скважины.
2. Использование в качестве реагента раствора щелочи или кислоты, а в качестве металла - алюминия, кальция, магния и других.
3. Соотношение концентрации реагента и количества металла больше стехиометрического.
4. Регулирование интенсивности разогрева пористой среды раствора водой, прокачиваемой совместно с раствором реагента через гранулированный металл.
5. Определение проницаемости, пористости и структуры порового пространства пористой среды, в которую будет производиться закачка водного раствора гранул (частиц) металла.
6. Определение максимального размера гранул (частиц) металла на основе определения максимального размера подвижных частиц в пористой среде, в которую будет производиться закачка водного раствора гранул (частиц) металла.
7. Бурение или использование уже имеющейся добывающей скважины.
8. Закачка сразу в обрабатываемую пористую среду или через специальную дрену (горизонтальную скважину, боковой ствол) водного раствора гранулированного металла выбранного размера гранул (частиц).
9. Прокачка раствора реагента через гранулированный металл в теле пористой среды.
10. Закачка воды для регулирования нагрева пористой среды.
11. Закачка потокорегулирующих реагентов (пены, полимерных систем).
12. Повторение п.8-11.
13. Если необходимо, то производят закачку воды для вытеснения углеводородной компоненты.
Признаки 1-4 являются общими с прототипом, признаки 5-13 являются существенными отличительными признаками изобретения.
Сущность изобретения
Поставленная цель достигается за счет закачки в обрабатываемую пористую среду или через специальную дрену (горизонтальную скважину) водного раствора гранулированного металла выбранного размера частиц, имеющих наноразмер - до 100 нм. Большие размеры частиц не смогут попасть в поровое пространство реальных промысловых объектов.
В предлагаемом изобретении производится прокачка реагента через частицы металла (алюминия, кальция, магния и других) реагента (раствора щелочи или кислоты), причем соотношение концентрации реагента и количества металла обеспечивается больше стехиометрического.
Реакция алюминия и щелочи протекает по следующей схеме:
2
4
2
2AL+2NaOH+6HO=2Na[AL(OH)]+3H+4000 ккал/(кг алюминия).
Для реакции с кальцием используют воду, подкисленную соляной кислотой с pH не более 5. При реакции кальция выделяется тепла до 3000 ккал/(кг кальция).
Осуществляют регулирование интенсивности разогрева пористой среды раствора водой, прокачиваемой совместно с раствором реагента через частицы металла.
Для выбора размера частиц металла производится определение проницаемости, пористости и структуры порового пространства пористой среды, в которую будет производиться закачка водного раствора гранул (частиц) металла.
Э
Соотношение для среднего эффективного радиуса R имеет вид (Хавкин А.Я. Физико-химические аспекты процессов вытеснения нефти в пористых средах // Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений, 1994, №7-10, с.30-37; Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами // М., МО МАНПО, 2000, 525 с.):
Ч
min
Размер запирающих пористую среду дисперсных частиц R составляет примерно 1/7 R (Шехтман Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий // АН СССР, М., 1961, 212 с.), но для надежности надо выбирать
min
Э
min
min
min
Э
Для практически однородных пористых сред R=R. Однако влияние неоднородности порового пространства приводит к уменьшению R. Для уточнения R на основе определения распределения пор по размерам строится зависимость размеров минимальных радиусов пористой среды, в которых возможно движение дисперсных частиц (Хавкин А.Я., Хайдина М.П., Никифоров И.Л. Расчеты влияния размеров дисперсных агрегатов на относительные фазовые проницаемости и нефтеотдачу // Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений, 1995, №5, с.41-45). Расчеты показывают, что в зависимости от неоднородности порового пространства R может быть в 2-2,5 раза меньше R.
Ч
Определение максимального размера частиц металла R на основе определения максимального размера подвижных частиц в пористой среде, в которую будет производиться закачка водного раствора гранул (частиц) металла, может быть проведено из условия
Ч
Также можно определять максимальный размер частиц металла R экспериментально, закачкой образцов частиц металла в водном растворе в образец пористой среды.
2
Ч
Использование формул (1)-(3) показывает, что уже для пористых сред с пористостью 0,2 и проницаемостью 0,06 мкм значение R=100 нм.
Но при этом подвижность смеси хотя и отлична от нуля, но близка к нулю. Для продвижения смеси в глубь пористой среды необходимо, чтобы было
Ч
Ч
2
2
При этом R=100 нм допускается для пористых сред с пористостью 0,2 и проницаемостью 0,25 мкм. А для проницаемости 0,06 мкм значение R по формуле (4) равно 50 нм.
Для реализации способа производят либо бурение добывающей скважины, либо использование уже имеющейся добывающей скважины, в которую будет выходить добываемая углеводородная смесь. Также может быть проведена специальная дрена (например, горизонтальная скважина, боковой ствол) для закачки водного раствора гранулированного металла выбранного размера частиц и затем реагента.
Ч
После определения размера R производят закачку сразу в обрабатываемую пористую среду или через специальную дрену (горизонтальную скважину) водного раствора гранулированного металла выбранного размера частиц.
Затем проводят прокачку раствора реагента через частицы металла в теле пористой среды.
Затем проводят прокачку воды для регулирования нагрева пористой среды.
Затем проводят прокачку потокорегулирующих реагентов (пены, полимерных систем).
Затем, если нужно, проводят повторение прокачки раствора реагента через частицы металла в теле пористой среды, прокачки воды для регулирования нагрева пористой среды, прокачки потокорегулирующих реагентов (пены, полимерных систем).
Затем, если необходимо, то производят закачку воды для вытеснения углеводородной компоненты, которую отбирают через добывающую скважину.
Сущность изобретения заключается в том, что использование наноразмерных частиц металла (менее 100 нм) позволяет закачать их в пористую среду, а выделяемое в пористой среде тепло приводит к нагреву нефти, у которой снижается вязкость, способствуя ее вытеснению. Кроме того, разогреваемая вода, находящаяся изначально в нефтегазовых и угольных пластах, превращается в пар, что, как и температура, способствует растрескиванию пористой среды и увеличению ее проницаемости. При этом выделяющийся водород также способствует увеличению подвижности углеводородных компонентов.
Фактически способ состоит в следующем.
1. Способ термохимического воздействия на пористые среды, включающий прокачку реагента через гранулированный металл с использованием скважины при соотношении раствора реагента и металла больше стехиометрического, регулирование интенсивности разогрева водой, отличающийся тем, что размер закачиваемых в воде в пористую среду частиц металла менее 100 нм.
Ч
Э
Ч
Э
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение максимального размера частиц металла R производят экспериментально или на основе определения максимального размера подвижных частиц в пористой среде с эффективным радиусом пор R, в которую будет производиться закачка водного раствора частиц металла, из условия R≤R /50.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реагента используют раствор щелочи или кислоты.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла используют алюминий или кальций.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для добычи углеводородов производят бурение или использование уже имеющейся добывающей скважины.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для увеличения охвата пористой среды воздействием тепла производят закачку потокорегулирующих реагентов (пены, полимерных систем).
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что повторяют циклы закачки в пласт в воде частиц металла, реагента и потокорегулирующих регентов.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят закачку воды для вытеснения углеводородной компоненты.
Пример 1
2
Э
Ч
В пласт с проницаемостью 0,15 мкм и пористостью 0,2 требуется закачать частицы металла. В соответствии с формулой (1) получаем, что R=3,9 мкм. В соответствии с формулой (4) получаем, что R=80 нм.
Пусть необходимо подать порядка 1 млн ккал. Тепловой эффект реакции алюминия со щелочью составляет 4000 ккал/кг, поэтому требуется примерно 250 кг алюминия и 25 куб.м 5%-ного раствора NaOH. Используют для обработки 250 кг алюминия в виде частиц с размерами частиц до 80 нм в 20 куб.м воды и 10 куб.м 15%-ного раствора щелочи, т.е. выше стехиометрического. Затем, для регулирования температуры, в пласт закачивают 50 куб.м воды для поддержания температуры на уровне 200±20°C.
После закачки воды для продвижения нефти дебит по нефти добывающей скважины вырос с 5 т/сут до 9 т/сут, что свидетельствует об эффективности способа.
Пример 2
Для той же задачи, что и в примере 1 (т.к. тепловой эффект реакции кальция с подкисленной водой составляет порядка 3000 ккал/кг), требуется примерно 35 кг кальция.
Для улучшения подачи регентов в пласт добуривается боковой ствол.
3
3
Закачиваем 1,8 м 20%-ной водной дисперсии частиц кальция, затем закачивают 50 м воды, подкисленной соляной кислотой до pH 2. При этом отношение между кальцием и хлористым водородом в реакции образования хлорида кальция составляет 1,7 по отношению к стехиометрическому. Изменение pH воды в пределах до pH 5 и соотношения между кальцием и хлористым водородом в реакции образования хлорида кальция в пределах от 1,5 до 2,0 по отношению к стехиометрическому приводит к аналогичному результату.
Затем, для регулирования температуры, в пласт закачивают 50 куб.м воды для распространения температуры по телу пласта и 10 куб.м (в пластовых условиях) пены.
Затем закачку кальция, кислоты, воды и пены повторяем три раза, подав в пористую среду в три раза больше тепла.
После закачки воды для продвижения нефти дебит по нефти добывающей скважины вырос с 5 т/сут до 11 т/сут, что свидетельствует об эффективности способа.
Источники информации
1. Патент РФ №2148152, Кл. E21B 37/06, 43/27, опубликован 2000 г.
2. Патент РФ №2147675, Кл. E21B 37/06, 43/22, 43/24, опубликован 2000 г.