СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТЯЖЁЛЫХ НЕФТЕЙ И БИТУМОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ДОБЫЧУ ОБЛАГОРОЖЕННОЙ НЕФТИ И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА
METHOD FOR INCREASING THE PETROLEUM RECOVERY OF HEAVY OIL AND BITUMEN FIELDS, ENSURING THE PRODUCTION OF REFINED PETROLEUM AND HYDROGEN-CONTAINING GAS

Область техники
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, для реализации в качестве третичного метода увеличения нефтеотдачи в разрабатываемых, истощенных и, уже оставленных по причине высокой обводненности, месторождениях. Изобретение наиболее применимо для месторождений тяжелых, сверхтяжелых нефтей и битумов с умеренной и высокой исходной водонасыщенностью, а также возможно применение для месторождений средней и легкой нефти.
Уровень техники
Примерно половина всех разрабатываемых нефтяных месторождений в России находится на поздней стадии разработки. Добыча нефти из таких месторождений вскоре может стать экономически невыгодной. При этом остаточная нефтенасыщенность пород сохраняется достаточно высокой и составляет 40-60% от начальной. Реализация на таких месторождениях технологий, направленных на увеличение степени извлечения нефти, позволит повысить эффективность разработки и приводит к добыче дополнительных количеств нефти.
Кроме того, согласно данным Минэнерго примерно 65% всех доказанных запасов нефти в России приходится на долю трудноизвлекаемых запасов. Кроме месторождений с низкими фильтрационно-емкостными свойствами коллекторов, к трудноизвлекаемым углеводородным запасам можно отнести месторождения сверхтяжелых нефтей и битумов, добыча которых сопряжена с дополнительными техническими сложностями, влекущими за собой дополнительные капиталовложения и эксплуатационные затраты. Предлагаемое изобретение позволит разрабатывать месторождения тяжелых, сверхтяжелых нефтей и битумов, так как будет приводить к необратимому увеличению подвижности пластовых флюидов. Наоборот, более тяжелое сырье - предпочтительно при реализации технологии, так как позволяет достигать в пласте более высоких температур в процессе внутрипластового горения (ВПГ) пластовых флюидов. Так, например, из уровня техники известен способ разработки залежи высоковязкой нефти с использованием внутрипластового горения (см. [1] патент РФ на изобретение №2494242, МПК Е21В 43/243, опубл. 27.09.2013), включающий строительство горизонтальной и вертикальной скважин, закачку окислителя через вертикальную скважину и отбор продукции из горизонтальной скважины, до закачки окислителя в горизонтальной и вертикальной скважинах устанавливают электронагреватели мощностью, достаточной для разогрева околоскважинного пространства до температуры 100-200°С, после чего начинают закачку окислителя в обе скважины для инициирования внутрипластового горения в залежи в призабойной зоне расположения обеих скважин, далее при превышении пластового давления из горизонтальной скважины извлекается электронагреватель и в нее спускается насосное оборудование, с помощью которого осуществляют откачку продукции залежи, при снижении уровня жидкости в скважине до уровня от 100% до 90% уровня начального пластового давления описанные выше операции повторяются. Недостатками таких решений являются большие трудозатраты и низкий уровень нефтеотдачи, т.к. приходиться периодически устанавливать и извлекать электронагреватели и насосное оборудование.
В свою очередь, углеводородные ресурсы ограничены, не возобновляемы, а их потребление связано с выбросом в атмосферу колоссальных количеств оксидов углерода, азота и серы - основных парниковых газов. В то же время нельзя допустить повышения средней температуры на планете более чем на 2°С в течение текущего столетия во избежание необратимых последствий глобального потепления ([2] International Renewable Energy Agency, Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050. Abu Dhabi, 2019). Ha данный момент, в результате ежегодного роста потребления энергии, наблюдается увеличение количества выбросов парниковых газов в атмосферу. Потому многие страны уже заявили о переходе к низкоуглеродной экономике в ближайшее время для снижения выбросов в атмосферу парниковых газов ([3] United Nations, "Framework Convention on Climate Change" 2015). Угроза глобального потепления наряду с растущей потребностью человечества в энергетических ресурсах диктуют необходимость развития нетрадиционной и альтернативной энергетики, в том числе водородной энергетики. Использование водорода в качестве энергоносителя является новым мировым трендом, однако необходима разработка новых низкоуглеродных способов синтеза водорода.
Водород может быть использован в качестве топлива для газовых котлов (отопление жилых зданий, промышленность), турбин (электростанции, промышленность) и высокоэффективных топливных ячеек (транспорт). Кроме того, водород, как непосредственный участник химических реакций - необходим в цикле производства аммиака, метанола, синтетического топлива, ракетного топлива. Водород используют в нефтепереработке, при производстве стекла, косметики, витаминов, мыл, моющих средств, чистых металлов и другого. Таким образом, можно заключить, что водород является не только ценным энергетическим, но и производственным ресурсом, а его роль в будущем будет только расти.
Из уровня техники известен способ разработки битуминозных карбонатных коллекторов с использованием циклической закачки пара и катализатора акватермолиза (см. [4] патент РФ на изобретение №2717849, МПК Е21В 43/24, опубл. 26.03.2020), в котором в наклонно-направленную скважину с эксплуатационной колонной опускают колонну труб с возможностью закачки рабочего агента в интервал щелевой перфорации продуктивного пласта. Через отверстия трубы производят закачку катализатора акватермолиза нефти, содержащего: органическую нефтерастворимую соль никеля; смесь алифатических и ароматических углеводородов, посредством цементировочного агрегата с использованием насосов. Объем закачки рассчитывают по формулам в зависимости от наличия или отсутствия данных по размерам паровой камеры. Через отверстия трубы производят закачку органического растворителя, состоящего из смеси алифатических и ароматических углеводородов, с возможностью вымывания остатков закачанного ранее катализатора из ствола скважины и доставки его в нефтенасыщенную зону пласта. Далее закрывают скважину на срок не менее двух суток. Закачивают пар при температуре от 200°С до 350°С, при давлении в пласте от 3,0 МПа до 15,0 МПа, прогревают продуктивный пласт, доводят до температуры от 200°С до 300°С и продолжают закачку пара в течение не менее пяти суток с возможностью протекания реакций акватермолиза в продуктивном пласте. Скважину останавливают на срок от 5 суток до 14 суток, производят отбор жидкой продукции из скважины. Однако по мере остывания нефти, ее вязкость вновь значительно увеличивается, затрудняя транспортировку по трубопроводу, что является недостатком.
Из уровня техники известен способ разработки залежи высоковязкой нефти и природного битума (см. [5] патент РФ на изобретение №2728002, МПК Е21В 43/24, опубл. 28.07.2020), заключающийся в строительстве горизонтальных добывающих и горизонтальных нагнетательных скважин, а также вертикальных наблюдательных скважин, либо в использовании уже имеющихся этих скважин, закачивании теплоносителя через нагнетательные скважины с прогревом продуктивного пласта и создании паровой камеры, последующем отборе продукции за счет парогравитационного дренажа через добывающие скважины и контролировании состояния паровой камеры, причем в качестве теплоносителя используют перегретый пар. Через вертикальные наблюдательные скважины закачивают катализатор для внутрипластового облагораживания высоковязких нефтей и природных битумов в пластовых условиях в количестве, обеспечивающем возможность снижения тяжелых смолисто-асфальтеновых веществ, вязкости и плотности добываемой нефти внутри пласта. Использование указанного аналога также осуществляют уже на разрабатываемых месторождениях высоковязких нефтей и природных битумов с применением уже имеющихся горизонтальных добывающих и нагнетательных, а также вертикальных наблюдательных скважин путем парогравитационного дренажа. Недостатком аналога является увеличение вязкости нефти после ее остывания.
Из уровня техники известен процесс производства водорода (см. [6] US 8763697 B2, МПК Е21В 43/24, 01.07.2014) подразумевает закачку в пласт месторождения углеводородов металл-содержащего катализатора, разогрев указанной зоны пласта до температуры, при которой происходит конверсия углеводородов в водород и добычу водорода из добывающей скважины, расположенной над активной зоной реакций. Процесс преимущественно рассматривает протекание каталитических процессов паровой конверсии метана (включая реакцию сдвига водяного газа) и парциального окисления метана. Разогрев пласта может происходить в результате закачки пара или окислителя (обычно воздуха) с осуществлением внутрипластового горения углеводородов. Возможна добыча водорода из нефтяных и газовых месторождений (в том числе газа низкопроницаемых коллекторов и метана угольных пластов), в том числе истощенных и обводненных, с одновременным захоронением углекислого газа. Аналог рассматривает получение активного катализатора из растворимых металл-содержащих соединений in-situ в количестве 5-400 кг/м3, либо использование катализатора в нагнетательной скважине. Предполагаемый диапазон температур, достижимых в зоне реакций в пласте 250-1100 С. Аналог допускает улучшение добычи нефти из добывающей скважины.
Поскольку месторождения тяжелой нефти содержат более половины доказанных нефтяных запасов России, их разработка является важной стратегической задачей. Однако добыча тяжелых и сверхтяжелых нефтей затруднена ввиду высокой вязкости и плотности таких нефтей. Еще более сложной задачей является добыча природных битумов, которые неподвижны при пластовых температурах.
Наиболее распространенными способами увеличения нефтеотдачи месторождений тяжелой нефти и природных битумов являются тепловые методы. Увеличение температуры пласта, насыщенного углеводородами, приводит к снижению вязкости нефти, увеличивая ее подвижность. Однако по мере остывания нефти, ее вязкость вновь значительно увеличивается, затрудняя транспортировку по трубопроводу (необходима вязкость в диапазоне 200-300 сП). Кроме этого, в дальнейшем такую нефть сложнее перерабатывать. Потребуются увеличенные количества водородсодержащего газа на гидроочистку, гидрокрекинг и изомеризацию фракций такой нефти.
Так, около половины всего производимого в мире водорода идет на переработку нефтяного сырья. В свою очередь водород является также важным энергетическим носителем и ценным нефтехимическим сырьем. Водород является источником «зеленой» энергии, так как высвобождение энергии при его окислении не приводит к образованию парниковых газов.
Описываемое изобретение обеспечивает добычу облагороженной (улучшенного состава) нефти из месторождений вязких, высоковязких нефтей и битумов одновременно с добычей водородсодержащего газа. При этом добываемая нефть будет иметь сниженные значения вязкости и плотности и будет обладать улучшенной текучестью, даже после извлечения из пласта. Таким образом, может быть увеличен коэффициент извлечения нефти даже из месторождений тяжелой нефти на поздней стадии разработки.
Сущность изобретения
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является увеличение нефтеотдачи, т.е. добыча дополнительных количеств нефти для месторождений тяжелых, сверхтяжелых нефтей и битумов с умеренной и высокой исходной водонасыщенностью. Дополнительной технической задачей, стоящей перед изобретением, является каталитическое внутрипластовое облагораживание добываемого углеводородного сырья. Еще одной технической задачей, стоящей перед изобретением, является получение водорода в месторождении углеводородов, что обеспечивает возможность одновременной добычи водородсодержащего газа.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение степени извлечения нефти и как следствие повышение эффективности разработки месторождений тяжелых, сверхтяжелых нефтей и битумов. Дополнительный технический результат выражается в необратимом снижении вязкости и плотности добываемого углеводородного сырья и увеличении его подвижности. Еще один технический результат заключается в обогащении смеси синтетических газов (газов горения) водородом.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счет способа увеличения нефтеотдачи месторождений тяжелых нефтей и битумов, обеспечивающий добычу облагороженной нефти и водородсодержащей газовой смеси и включающий использование уже имеющихся или организацию по меньшей мере двух скважин: нагнетательной и добывающей скважин, в котором через нагнетательную скважину последовательно закачивают в пласт:
- водный раствор прекурсора металлсодержащего катализатора из группы переходных металлов, разложение которого происходит при температурах ниже 600°С, или комбинацию водных растворов прекурсоров металлсодержащего катализатора из группы переходных металлов, разложение которых происходит при температурах ниже 600°С;
- перегретый водяной пар для продавливания указанного прекурсора катализатора в пласт в направлении добывающей скважины и формирования твердых частиц активного катализатора, а также предварительного разогрева активной зоны пласта; и
- окислитель, выбранный из группы: кислород, обогащенный кислородом воздух или синтетическая газовая смесь, содержащая кислород;
далее реализуют поджиг полученной смеси нефти и окислителя в пласте с осуществлением процесса внутрипластового горения нефти;
дополнительно осуществляют циклическую поочередную закачку перегретого пара и указанного окислителя с целью интенсификации процессов облагораживания нефти и генерации водорода, и вытеснения облагороженной нефти и водородсодержащей газовой смеси в направлении добывающей скважины;
добывают облагороженную нефть и водородсодержащую газовую смесь;
- выделяют из добытой водородсодержащей газовой смеси парниковые газы и закачивают их назад в пласт через нагнетательную скважину.
Поджиг реализуют с помощью устройства поджига в нагнетательной скважине, в качестве которого используют электрический или электромагнитный излучатель.
Используют вертикальные, или наклонные, или горизонтальные скважины.
Горизонтальные скважины расположены одна над другой. Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 - приведена схема, иллюстрирующая предложенный способ.
На рисунке имеются следующие обозначения: 1 - нагнетательная скважина, 2 -добывающая скважина, 3 - температурный профиль процесса по зонам.
Римскими цифрами I-XI - различные зоны:
Зона I - представляет из себя прогоревшую область пласта, с практически нулевой нефтенасыщенностью и следовыми количествами нефтяного кокса. В этой области закачиваемый воздух (кислород) разогревается за счет теплообмена с разогретой породой пласта.
Зона II - представляет из себя область, в которой проходят реакции высокотемпературного окисления, сильно разогревая породу и формируя фронт горения.
2
2
2
4
Зона III - область, обогащенная газами - продуктами горения и синтетическими газами, образующимися в основном в ходе некаталитических процессов (такими как СО, СО, N, Н, СН).
Зона IV - область пласта, обогащенная нефтяным коксом, образующимся в результате протекания процессов низкотемпературного окисления.
Зона V - зона, в которой активно протекают процессы генерации водорода, а также интенсифицированы процессы крекинга, гидрокрекинга и акватермолиза нефти. Зона также обогащена частицами активного катализатора.
Зона VI - зона, обогащенная перегретым водяным паром.
Зона VII - область, пласта, насыщенная нефтью и легкокипящими нефтяными фракциями, образовавшимися в ходе внутрипластового облагораживания нефти и сконденсировавшимися в следствие снижения температуры.
Зона VIII - зона конденсации водяного пара, зона увеличенной водонасыщенности.
Зона IX - зона протекания предварительных процессов каталитического облагораживания нефти, в основном за счет процессов каталитического акватермолиза.
Зона X - зона повышенной нефтенасыщенности за счет собирающейся здесь вытесненной нефти, содержащая в том числе маловязкую нефть, образовавшуюся за счет обогащения легкокипящими нефтяными фракциями.
Зона XI - невозмущенная зона пласта с исходными насыщенностями флюидами и начальной пластовой температурой.
Осуществление изобретения
Заявленный способ увеличения нефтеотдачи месторождений тяжелых нефтей и битумов обеспечивающий добычу облагороженной нефти и водородсодержащего газа предлагает добычу дополнительных количеств нефти со сниженными значениями вязкости и плотности и газовой смеси, обогащенной водородом. При этом соотношение количеств добываемой нефти и водорода может меняться в зависимости от реализуемого режима и определяется последовательностью закачек в пласт водяного пара и воздуха и их количествами.
Предлагаемое изобретение преследует цель увеличения нефтеотдачи и может быть применено на истощенных и обводненных месторождениях. Предполагается также, что на месторождениях на поздней стадии разработки уже присутствует инфраструктура (фонд скважин и трубопроводов), использование которой позволит заметно снизить капитальные затраты на реализацию технологии. Таким образом, описываемое изобретение может дать вторую жизнь выработанным месторождениям и повысить их эффективность.
Предлагаемое изобретение обеспечивает разработку месторождений трудноизвлекаемых углеводородов (в том числе нефтематеринских пород): тяжелых и сверхтяжелых нефтей и битумов, увеличивает нефтеотдачу уже разработанных месторождений (в том числе обводненных) и гарантирует добычу сразу двух полезных продуктов: нефти улучшенного состава и водорода. Изобретение включает использование уже имеющихся или организацию по меньшей мере двух скважин: нагнетательной и добывающей скважин, для получения воздушно-нефтяной смеси в пласте через нагнетательную скважину последовательно закачивают в пласт: водорастворимый прекурсор металлсодержащего катализатора, водяной пар для продавливания прекурсора катализатора в пласт, в направлении добывающей скважины, и формирования твердых частиц активного катализатора, предварительный разогрев пласта паром, обеспечивающий также формирование и продвижение твердых частиц активного катализатора, последовательный разогрев пласта до высоких температур, за счет ВПГ части нефти, с одновременным вытеснением нефти и водородсодержащего газа к добывающей скважине, и стадию совместной добычи нефти и водородсодержащего газа.
Описываемое изобретение обеспечивает добычу облагороженной (улучшенного состава) нефти из месторождений высоковязких нефтей и битумов одновременно с добычей водородсодержащего газа. При этом добываемая нефть будет иметь сниженные значения вязкости и плотности и будет обладать улучшенной текучестью, даже после извлечения из пласта. Таким образом, может быть увеличен коэффициент извлечения нефти даже из месторождений тяжелой нефти на поздней стадии разработки.
Данный эффект может быть достигнут в результате паро-воздушного воздействия на пласт, за счет реализации процесса влажного ВПГ в присутствии заранее внесенного в пласт прекурсора катализатора. Так, изобретение предполагает бурение минимум двух вертикальных или горизонтальных скважин, находящихся на расстоянии друг от друга от 200 м до 2 км: одной нагнетательной (для закачки в пласт водорастворимого прекурсора катализатора, пара и воздуха) и одной добывающей (для добычи нефти и водородсодержащего газа). При этом возможно использование существующих на месторождении скважин, в том числе горизонтальных скважин, в том числе расположенных одна над другой как в стандартном процессе SAGD. Кроме этого, для реализации ВПГ нефти, перед началом процесса необходимо осуществить поджиг воздушно-нефтяной смеси, например, с помощью электрического или микроволнового излучателя, помещенного в нагнетательную скважину или предварительного разогрева пласта с помощью закачки пара или другого теплоносителя. В дальнейшем возможно также распространение технологии на все месторождение с использованием стандартных 5-ти и 7-ми точечных моделей расположения добывающих и нагнетательных скважин. Изобретение включает в себя следующие основные стадии: А. Закачка прекурсора катализатора, предварительный разогрев пласта На этой стадии предполагается закачка водного раствора металлсодержащей соли или смеси таких солей. Для этой цели могут быть выбраны водорастворимые соединения переходных металлов, разложение которых происходит при температурах ниже 600°С. Наиболее подходящими являются соли Mo, Со, Ni, V и Fe - нитраты, оксолаты, ацетаты и олеаты, а также соли аммония и металлсодержащих кислот (например, парамолибдат аммония, метаванадат аммония и др.), поскольку являются легко разложимыми при температурах, достижимых в пласте за счет закачки пара и воздуха (кислорода) и осуществления процесса ВПГ, и наиболее дешевыми соединениями переходных металлов ([7] И.Р. Якупов, Г.П. Каюкова, Д.А. Ибрагимова, Г.А. Галимова, and И.А. Иванова, "Оценка возможности использования процессов внутрипластовой конверсии при освоении тяжелых высоковязких нефтей," vol. 18, по. 19, pp. 35-39, 2015; [8] И.И. Мухаматдинов, С.А. Ситнов, Д.А. Феоктистов, Я.В. Онищенко, and А.В. Вахин, "Катализатор деструктивного гидрирования тяжелого углеводородного сырья и способ его применения", 2017). При этом нет необходимости выбора нефтерастворимых прекурсоров катализатора или использование углеводородных растворителей для закачки в пласт совместно с катализатором.
После закачки водного раствора прекурсора катализатора, предлагается осуществить закачку в пласт перегретого водяного пара. Пар позволит продавить водяную «подушку» прекурсора катализатора в пласт, в направлении добывающей скважины, а также предварительно разогреет активную зону пласта до температур 300-350°С. Разогрев приведет к обратимому снижению вязкости пластового флюида в виду теплового расширения. При этом также ожидается выпадение твердых конгломератов частиц катализатора и их разложение с формированием активной фазы катализатора.
Предварительный прогрев пласта до 300-350°С приведет также к активизации процессов внутрипластового каталитического акватермолиза, крекинга и гидрокрекинга. В результате вязкость и плотность нефти будут снижены уже необратимо. Облагораживание нефтяного сырья будет возможно в результате снижения содержания смол и асфальтенов и увеличения фракции легких углеводородов.
Б. Осуществление ВПГ нефти, протекание процессов газификации кокса, акватермолиза, крекинга и гидрокрекинга углеводородов, паровой конверсии метана и реакции сдвига водяного газа
На этой стадии необходима закачка в пласт воздуха (кислорода; совместно с закачкой воды, в случае влажного или сверхвлажного ВПГ) и осуществление поджига воздушно-нефтяной смеси (например, с помощью электрического или электромагнитного излучателя или за счет разогрева пласта на стадии А). В результате ожидается формирование высокотемпературного фронта горения, продвигающегося в направлении от нагнетательной к добывающей скважине. Процесс горения условно можно подразделить на стадии низкотемпературного и высокотемпературного окисления. В ходе низкотемпературного окисления мальтены, содержащиеся в нефти, могут превращаться в асфальтены, в результате реакций циклизации, полимеризации и сшивки молекул. Асфальтены же, в свою очередь, преобразуются в кокс и смесь газовых продуктов: водород, метан, моно- и диоксид углерода. При этом метан и монооксид водорода могут быть также преобразованы в водород в ходе каталитических процессов паровой конверсии метана, протекания реакции сдвига водяного газа и крекинга метана, согласно уравнениям реакций:
4
2
2
СН+ HO ↔ СО + 3Н
2
2
2
СО + HO ↔ CO+Н
4
2
СН↔ С + Н
Необходимо отметить, что именно небольшие концентрации кислорода на границе продвигающегося воздушного потока и исходной нефти обеспечивают низкотемпературное окисление нефти, в ходе которого протекают реакции полимеризации и циклизации углеводородных молекул, которые в дальнейшем подвергаются крекингу и окислению, формируя кокс.
А образуемый в ходе низкотемпературного окисления кокс, который также является топливом для высокотемпературного окисления, может вступать в процесс газификации с образованием водорода и оксидов углерода. Изобретение предполагает режим воздействия, который подразумевает преимущественное протекание процесса паровой газификации образуемого кокса, согласно уравнениям реакций:
2
2
С+HO ↔ Н+ СО
2
2
2
С+2HO ↔ CO+2Н
2
С+CO↔ 2СО
При этом образуемый водород будет находиться непосредственно перед высокотемпературным фронтом горения, вытесняясь к добывающей скважине вместе с разогретой нефтью валом из газов горения и пара. При этом значительные концентрации водорода в продуктовых газах могут быть достигнуты в результате протекания каталитической реакции сдвига водяного газа. Изобретение также подразумевает активное протекание реакций крекинга, гидрокрекинга и акватермолиза нефти в результате одновременного присутствия в пласте водорода, нефти, водяного пара и катализатора. Данные процессы будут приводить к снижению средней молекулярной массы сырья за счет увеличения доли низкокипящей фракции.
Изобретение предполагает также дополнительные закачки воды (пара) в нагнетательную скважину во время продвижения фронта горения от нагнетательной скважины к добывающей, так как необходимо обеспечить контакт закачиваемой воды (пара) и нефтяного кокса, образующегося в ходе низкотемпературного окисления нефти перед высокотемпературным фронтом горения. Таким образом, для интенсификации процессов генерации водорода, на данной стадии реализации технологии предпочтительно циклическое воздействие на пласт, заключающееся в чередовании закачек воды (пара) и воздуха.
В. Добыча нефти и водородсодержащего газа
В результате повышения температуры пласта (до 800°С на фронте горения) и протекания вышеописанных процессов, вязкость и плотность нефти будет значительно снижена, а ее подвижность увеличена. При этом улучшенные характеристики нефти сохранятся и после ее добычи и транспортировки. Облагороженная нефть и водородсодержащий газ могут быть добыты совместно из добывающей скважины и разделены на поверхности. При этом концентрация водорода в водородсодержащем газе может достигать 20% об. и выше.
Таким образом, изобретение приводит к добыче дополнительных количеств нефти и водорода за счет одновременного протекания процессов внутрипластового облагораживания нефти и внутрипластового синтеза водорода. При этом значительно может быть увеличен коэффициент извлечения нефти из целевого месторождения.
На Фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая предложенный способ. По мере прохождения внутрипластового горения насыщающей пласт нефти, формируются зоны с резко различающимися свойствами.
Способ разогрева активной зоны пласта до необходимых температур - ВПГ насыщающей пласт нефти, приводит к потреблению только до 10% нефти, при этом обеспечивая практически поршневое вытеснение остальной нефти. Для интенсификации процессов газификации образующегося в ходе ВПГ кокса, необходимо присутствие в пласте значительных количеств водяного пара. В случае низкой исходной водонасыщенности пласта, необходимо осуществление периодической закачки в пласт воды (пара), параллельно с закачкой воздуха (кислорода), для возможности осуществления влажного ВПГ. При этом количества необходимой воды могут быть рассчитаны исходя из исходной водонасыщенности пласта, характеристик нефти, расчетной скорости продвижения фронта горения и температуры на фронте горения. Влажное ВПГ, с одной стороны, позволяет более эффективно использовать образующееся в пласте тепло для интенсификации процессов вытеснения и облагораживания нефти, подразумевает расширение фронта горения и замедление скорости его продвижения. С другой стороны, снижение температуры на фронте горения снизит скорость протекания химических реакций преобразований нефти. Потому осуществление технологии на месторождениях сверхтяжелых нефтей и битумов является предпочтительным, так как подразумевает выделение большого количества тепла при окислении таких углеводородов, по сравнению с окислением легких нефтей.
Известно, что после реализации вторичных методов добычи углеводородов, дебит добывающих скважин значительно падает. Однако коэффициент извлечения нефти при этом низок, а в поровом пространстве пласта по-прежнему остается до 60% нефти. Описываемое изобретение особенно пригодно для применения на выработанных, истощенных и обводненных месторождениях тяжелых нефтей и битумов, так как может значительно увеличить коэффициент извлечения нефти из таких месторождений, а высокая водонасыщенность пласта является благоприятным фактором для технологии. Высокое содержание воды в пласте приводит к генерации значительных количеств пара в пласте в ходе процесса ВПГ нефти, который, в свою очередь участвует в процессах акватермолиза нефти, газификации кокса, парового риформинга метана и реакции сдвига водяного газа, в качестве реагента. В случае обратимости происходящих химических превращений, увеличенная концентрация водяного пара, как исходного реагента, приводит к сдвигу термодинамического равновесия системы в сторону продуктов, обеспечивая большую конверсию кокса, метана и монооксида углерода и приводя к дополнительным количествам синтезируемого водорода.
Изобретение позволяет снизить расходы на транспортировку и переработку добываемой нефти за счет внутрипластового облагораживания нефти, которое ведет к значительному снижению вязкости и плотности нефти за счет снижения содержания смолисто-асфальтеновых веществ и увеличения содержания легкокипящих углеводородных фракций. Снижение вязкости и плотности нефти происходит в следствие снижения средней молекулярной массы углеводородных молекул и повышения температуры флюида, по сравнению с пластовой, и обеспечивает увеличение подвижность нефти, что приводит к добыче дополнительных ее количеств.
Преимущество изобретения также заключается в отсутствии необходимости закачки в пласт дорогостоящих (чаще углеводородных) доноров водорода для осуществления процессов облагораживания нефти - гидрирования, гидрокрекинга и акватермолиза. Необходимый для этих процессов водород генерируется непосредственно в пласте и может быть использован in-situ.
В результате реализации технологии ожидается добыча дополнительных количеств нефти с улучшенными плотностными и вязкостными характеристиками (облагороженной), а также добыча водородсодержащего газа. При этом процессы гидрогенизации, гидрокрекинга, оксигенолиза, гидродесульфуризации и другие, происходящие при акватермолизе нефти, будут значительно активизированы в присутствии водорода непосредственно в пласте, повышая эффективность процесса облагораживания.
Чистый водород может быть добыт посредством внедрения в добывающую скважину водород-селективной мембраны, либо в результате выделения нежелательных газовых компонентов - оксидов углерода, азота и серы из синтетической газовой смеси (водородсодержащего газа) на поверхности, с реализацией закачки парниковых газов назад в пласт. При этом полученный водород можно будет отнести к «голубому» по международной классификации. Такой водород может быть использован в качестве экологически чистого топлива для обеспечения работы энергоустановок на месторождении и снижения общего углеродного следа от использования углеводородов в качестве энергоносителей. Или водород может быть транспортирован и использован в качестве сырья для нефтепереработки или топлива для газовых турбин, высокоэффективных топливных ячеек и др.
Так, при реализации влажного ВПГ тяжелой нефти на нефтяном месторождении (терригенный коллектор) на поздней стадии разработки, в случае достижения на фронте горения высоких температур порядка 700-800°С, даже при неоптимизированных параметрах процесса, ожидается концентрация водорода в продуктовой газовой смеси на уровне 20-30%. При этом также произойдет мобилизация и вытеснение остаточной нефти с достижением около нулевой нефтенасыщенности. Оптимизация технологических параметров, направленных на интенсификацию процессов генерации водорода, позволяет рассчитывать на увеличение концентрации водорода в водородсодержащем газе до 40-70%.
Заявляемое изобретение рассматривает обязательное неполное превращение углеводородов, насыщающих пласт в газовые продукты и подразумевает в первую очередь дополнительную добычу нефти с улучшенными показателями плотности и вязкости, одновременно с возможной добычей водорода. Изобретение предусматривает образование передвигающегося, по направлению к добывающей скважине, самоподдерживающегося высокотемпературного фронта горения. Изобретение также подразумевает обязательное внутрипластовое облагораживание добываемой нефти с частичным потреблением синтезируемого водорода. Добыча оставшихся количеств водорода в виде водородсодержащего газа (в том числе синтез-газа) возможна совместно с добычей нефти.
Изобретение предлагает уникальный режим воздействия на нефтеносные пласты, подразумевающий комбинацию закачек раствора прекурсора катализатора, пара и воздуха (кислорода), ведущую к одновременному протеканию некаталитических процессов горения нефти и газификации кокса и каталитических процессов крекинга, гидрокрекинга, акватермолиза и парового риформинга метана (включая реакцию сдвига водяного газа).
Таким образом, реализация технологии позволит увеличить нефтеотдачу месторождений тяжелых нефтей и битумов и обеспечит добычу водородсодержащего газа. Внедрение изобретения позволит решить сразу две острых проблемы энергетического сектора: экономически выгодное производство водорода с низким уровнем выбросов и освоение невостребованных, трудноизвлекаемых углеводородных запасов, а также более глубокое извлечения углеводородов из месторождений на поздней стадии разработки.