Исследование влияния термобарических условий на вытеснение нефти диоксидом углерода в сверхкритическом состоянии

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЫТЕСНЕНИЕ НЕФТИ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

Д.Г. Филенко, М.Н. Дадашев, В.А. Винокуров (РГУ нефти и газа имени ИМ. Губкина),

Е.Б. Григорьев

Введение

В настоящее время состояние сырьевой базы России характеризуется ухудшением структуры запасов - увеличивается доля труд-ноизвлекаемых запасов. В связи с тем, что в эксплуатацию вводятся менее продуктивные месторождения, залежи со сложным геологическим строением, с нетрадиционными запасами углеводородов, все большая роль отводится новым технологическим процессам добычи нефти, в частности, методам повышения нефтеотдачи [1, 2]. Во всем мире с каждым годом возрастает интерес к методам повышения нефтеотдачи пластов, развиваются исследования, направленные на поиск научно обоснованного подхода к выбору наиболее эффективных технологий разработки месторождений.

В результате проведенного анализа наиболее перспективных новых технологий повышения нефтеотдачи был отмечен метод сверхкритической флюидной экстракции (СКФ-экстракции), который объединяет в себе преимущества различных технологий повышения нефтеотдачи и может обеспечить значительное увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН).

Следует отметить, что в ряде западных стран активно ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению сверхкритической флюидной технологии в нефтедобыче. Однако в России отсутствует необходимый научнотехнический опыт по использованию данной технологии в нефтедобывающей отрасли промышленности.

Сверхкритическая флюидная экстракция представляет собой технологический процесс, основанный на уникальных свойствах рабочих агентов, которые те проявляют при сверхкрити-ческих условиях. В критической точке и выше нее в системе

вытесняющего агента проявляются резкие аномалии как термодинамических, так и транспортных свойств [3].

Для разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов в качестве вытесняющего агента в основном используются углеводородные газы, азот, углекислый газ и их смеси [4]. Наиболее эффективным вытесняющим агентом является диоксид углерода, поскольку его динамическая вязкость в 2-3 раза превосходит вязкости других газов, что позволяет за счет низкой подвижности СО2 предотвратить прорывы вытесняющего агента к добывающим скважинам [5].

Термодинамические параметры, существующие в пластовых условиях, позволяют использовать углекислый газ в сверх-критическом состоянии. Сверхкритическая флюидная технология обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными технологиями добычи нефти вследствие того, что может применяться в широком диапазоне геологических и физикохимических условий в пласте, а также на различных стадиях разработки месторождения. Следует отметить, что метод сверх-критической флюидной экстракции объединяет в себе преимущества различных технологий повышения нефтеотдачи и может обеспечить значительное увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН).

Сверхкритические флюиды - вещества, физико-химические и термодинамические свойства которых лежат между газом и жидкостью (исчезает различие между жидкой и газовой фазой). Посредством изменения давления и/или температуры можно непрерывно изменять растворяющую способность сверхкритическо-го флюида. Обладая высокой плотностью, свойственной жидкостям, и низкими значениями поверхностного натяжения и вязкости, характерными для газов, сверхкритические флюиды способны глубоко проникать в твердые пористые структуры и экстрагировать растворимые углеводороды [1, 6].

За рубежом опыт практического применения СО2 для увеличения нефтеотдачи пластов накоплен для коллекторов всех типов (песчаников, известняков, доломитов, мелкозернистых ангидритов, глинистых сланцев, аргиллитов), однако в России круг подобных исследований достаточно ограничен.

Экспериментальная часть

С целью исследования процессов вытеснения углеводородного сырья сверхкритическими вытесняющими агентами был создан экспериментальный стенд, схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда для извлечения углеводородов методом сверхкритической флюидной экстракции: 1 - емкость с газом; 2 - цилиндр высокого давления с поршнем; 3 - водяной насос высокого давления; 4 - емкость для воды;

5 - экстрактор; 6 - сепаратор; 7 - трубопроводная арматура; 8 - запорная арматура;

9 - датчик давления; 10 - датчик температуры; 11 - нагреватель;

12 - блок автоматики

На рис. 2 представлен общий вид данного экспериментального стенда.

Рис. 2. Общий вид экспериментального стенда для извлечения углеводородов методом сверхкритической флюидной экстракции

Стенд обеспечивает проведение экспериментальных исследований на насыпных моделях пористых сред и образцах кернов при давлении до 60,0 МПа и температуре до 400 °С.

Установка содержит емкость с диоксидом углерода 1, цилиндр высокого давления 2 с поршнем, водяной насос высокого давления 3 и емкость для воды 4, экстрактор 5, сепаратор 6. Указанные части установки снабжены трубопроводной 7 и запорной 8 арматурой. Агрегаты установки снабжены измерителями и датчиками давления 9 и температуры 10. Кроме того, экстрактор 5 и сепаратор 6 снабжены нагревательными элементами 11.

Стенд также снабжен автоматической системой измерения и управления термодинамическими параметрами вытесняющего агента в основных агрегатах устройства для их поддержания в широком диапазоне давлений и температур 12. Одновременно задается необходимое заранее рассчитанное или запрограммированное в системе 12 время экстракции.

Параметры агрегатов и системы управления 12 установки предусматривают проведение процесса экстрагирования путем изменения параметров вытесняющего агента в экстракторе 5 в широком диапазоне давлений (до 60,0 МПа) и температур (от 20 до 400 °С), что в ряде случаев необходимо для исследования процессов экстракции углеводородного сырья из пластов, находящихся при различных термобарических условиях. Следует отметить, что для большинства пластов термобарические параметры значительно ниже максимально допустимых для данной установки. Параметры вытесняющего агента в сепараторе 6 при этом необходимо поддерживать в диапазоне температур до +20 °С, а давление - в диапазоне 0,1-0,5 МПа.

Работы по насыщению образцов пористых сред на установке выполняются с помощью системы насыщения. Подготовка пористой среды заключается в помоле, просеивании и промывке кварцевого песка бидистиллированной водой с последующей сушкой его в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре 100-110 °С. В качестве модели нефти применяется керосин освет-лительный марки КО-25 ТУ 38-402-58-10-01.

Коэффициент извлечения нефти определяется следующим соотношением:

п = У^У,

где Увыт - объем вытесненной нефти; V - объем нефти в пласте до начала вытеснения.

Экспериментальная установка при экстракции углеводородного сырья из твердых пористых сред работает следующим образом.

Образец керна нефтенасыщенного пласта целиком помещается в рабочий объем экстрактора 5. Затем из емкости 1 вытесняющий агент (диоксид углерода) подается в газовую полость цилиндра высокого давления 2 и в экстрактор 5.

При достижении определенного значения давления растворителя в экстракторе 5 и цилиндре высокого давления 2 по сигналу датчика давления 9 напрямую или с помощью автоматической системы управления 12 включается водяной насос высокого давления 3, который с помощью цилиндра высокого давления 2 создает и поддерживает в экстракторе заданное значение давления в диапазоне 0-60,0 МПа. Для достижения необходимых термодинамических параметров в экстракторе 5 и сепараторе 6 включаются нагревательные элементы 11. Необходимое переключение вентилей запорной арматуры 8 в трубопроводах 7 осуществляется во время работы установки вручную.

После создания в экстракторе 5 заданных значений термодинамических параметров для растворителя смесь через соответствующие запорные и регулирующие вентили поступает в сепаратор 6, где также поддерживаются заданные значения давления и температуры. При переходе из экстрактора 5 в сепаратор 6 происходит резкое снижение плотности вытесняющего агента, что влечет за собой разделение и осаждение растворенных в диоксиде углерода веществ, а вытесняющий агент легко регенерируется благодаря своей высокой летучести.

Извлечение фракций целевого продукта из сепаратора 6 можно осуществлять как в процессе экстракции, так и после полного завершения процесса.

Технологические параметры процесса экстрагирования для каждого конкретного нефтенасыщенного керна устанавливаются индивидуально. При этом следует иметь в виду, что снижение

температуры экстракции ниже 31,3 °С приводит к нарушению критического состояния диоксида углерода и, как следствие, к резкому снижению скорости процесса и степени извлечения целевого продукта.

Давление растворителя в экстракторе при этом должно быть не ниже 7,35 МПа, поскольку в этом случае процесс выходит за рамки сверхкритического состояния, резко снижается растворяющая способность диоксида углерода и, как следствие, снижается скорость процесса и степень извлечения углеводородов.

Таким образом, созданный экспериментальный стенд позволяет исследовать процессы сверхкритической флюидной экстракции в широком диапазоне параметров состояния, с использованием различных вытесняющих агентов.

На экспериментальной установке были проведены эксперименты по исследованию зависимости КИН от объема нагнетаемого в пласт СО2 в широком диапазоне термобарических условий при фиксированном значении геологических свойств пласта. В качестве модели нефти использовался керосин вязкостью 1,2 мПас, плотностью 784 кг/м3 при нормальных условиях. Проницаемость и пористость модели пласта составляли 0,2 мкм2 и 45,0 % соответственно. Эксперименты проведены при изотермах 40, 60 и 80 °С и изобарах 7,0, 9,0, 11,0 и 12,0 МПа.

На основании проведенных исследований было установлено, что повышение температуры диоксида углерода приводит к снижению КИН (рис. 3-5) во всем исследованном интервале давлений.

В работе [5] авторы отмечают, что падение КИН неполярных углеводородов керосина объясняется отсутствием в нем молекул активных компонентов, адсорбирующихся на поверхности породы, ухудшающих ее смачиваемость и создающих дополнительное сопротивление движению вытесняющего агента. Влияние же температуры на изменение физико-химических свойств маловязких нефтей не столь значительно, как высоковязких, поэтому повышение подвижности нефти при вытеснении ее сверхкритиче-ским СО2 не оказывает существенного влияния на КИН. Кроме того, повышение КИН при снижении вязкости и плотности маловязкой нефти при контакте с диоксидом углерода уравновешивается эффектом понижения его растворимости при повышении

Рис. 3. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при давлении 9,0 МПа

Рис. 4. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при давлении 11,0 МПа

температуры с 40 до 60 °С, весьма значительном для СО2. По мнению авторов [5], это приводит к образованию вязкостных языков и, как следствие, преждевременному прорыву газа.

Результаты экспериментов по исследованию влияния давления на величину КИН показывают, что повышение давления нагнетания диоксида углерода приводит к 1,5-2-кратному повышению КИН во всем исследованном интервале температур (рис. 6-8).

0,8

0,6

0,4

0,2 -

АДА А А

А

А ♦ А "И ♦ 1

♦ 80 “С  60 °С А 40 °С

0 2 4 6

Объем нагнетания вытесняющего агента, п.о.

Рис. 5. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при давлении 12,0 МПа

Рис. 6. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при 40 °С

Переход диоксида углерода в сверхкритическое состояние сопровождается значительным снижением кинематической вязкости СО2, что наряду с повышением растворимости газа в углеводороде приводит к выравниванию фронта вытеснения нефти, уменьшению образования вязкостных языков и является причиной увеличения КИН. Подтверждением этого предположения являются результаты экспериментов при давлении 7,0 МПа (ниже критического давления для СО2), представленные на рис. 9, которые хорошо совпадают с литературными данными [5].

Рис. 7. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при 60 °С

Рис. 8. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при 80 °С

Из рис. 9 видно, во-первых, что вытеснение нефти при давлении ниже критического абсолютно неэффективно во всем исследованном интервале температур, поскольку позволяет получить КИН не более 40 %. Во-вторых, конечный КИН не зависит от температуры процесса в пределах погрешности эксперимента. Это связано с незначительным повышением плотности диоксида углерода в интервале температур 40-80 °С. Следствием этого является не-

значительное снижение кинематической вязкости СО2, что наряду со снижением растворимости СО2 в нефти приводит к преждевременным прорывам вытесняющего агента в течение примерно одинакового времени на всех исследованных изотермах и резкому падению КИН.

Рис. 9. Зависимость КИН от объема нагнетания СО2 при давлении 7,0 МПа

С целью определения на качественном уровне возможности применения сверхкритической флюидной технологии для извлечения остаточного углеводородного сырья авторами были проведены эксперименты для различных геологических пород керна.

Образец керна Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (органогено-обломочный известняк, пористость - 9 %, проницаемость - 1,5 мД) был помещен в экстрактор. Пластовые условия для данного месторождения составляют: температура -60-70 °С, давление - 6-12 МПа. В экстракторе были заданы следующие условия: температура - 70 °С, давление - 25,0 МПа. В качестве вытесняющего агента использовался диоксид углерода. Время экстракции составляло 2 ч. По окончании экстракции реакционная смесь поступала в сепаратор, где поддерживались температура 20,0 °С и давление 0,4 МПа. Выход полученного экстракта, представляющего собой водо-нефтяную эмульсию коричневого цвета с характерным запахом углеводородов, составил 5,7 %.

Далее были проведены эксперименты с образцом керна Чаяндинского нефтегазоконденсатного месторождения, из которого уже была произведена экстракция углеводородного сырья спирто-бензольной смесью 1:2, с целью проверить возможность доизвлечения запасов углеводородов методом сверхкритической флюидной экстракции.

Образец керна Чаяндинского нефтегазоконденсатного месторождения (мелкозернистый песчаник, пористость - 19 %, проницаемость - 550 мД) был помещен в экстрактор. Пластовые условия для данного месторождения составляют: температура - 9-11 °С, давление - 11 МПа. В экстракторе были заданы следующие условия: температура - 39,4 °С, давление - 27,0 МПа. В качестве вытесняющего агента так же, как и в предыдущем эксперименте, использовался диоксид углерода. Время экстракции составляло 2 ч. По окончании экстракции реакционная смесь поступала в сепаратор, где поддерживались температура 20,0 °С и давление 0,5 МПа. Выход полученного экстракта в данном случае составил 11,8 %.

Результаты эксперимента показывают эффективность применения метода сверхкритической флюидной технологии с использованием в качестве вытесняющего агента сверхкритического диоксида углерода для доизвлечения остаточных запасов углеводородов из различных твердых пористых сред.

Заключение

Таким образом, результаты, полученные в настоящей работе. наглядно демонстрируют возможность и эффективность применения сверхкритической флюидной технологии (в частности, сверх-критического диоксида углерода) в процессах извлечения и доиз-влечения остаточных запасов углеводородного сырья из твердой пористой среды. При этом, согласно проведенным исследованиям, использование диоксида углерода в сверхкритическом состоянии позволяет увеличить КИН в два раза по отношению к обычному нагнетанию углекислого газа в пласт.

Список литературы

1. Филенко Д.Г. Экспериментальная установка для извлечения углеводородов из пористой среды методом сверхкритической флюидной экстракции / Д.Г. Филенко, К.А. Щеколдин, М.Н. Дадашев,

B.А. Винокуров // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2012. - № 1. - С. 40-44.

2. Щеколдин К.А. Исследование возможностей регулирования технологии термогазового воздействия на залежи баженовской свиты / К.А. Щеколдин // Территория Нефтегаз. - 2012. - № 9. -

C. 66-70.

3. Дадашев М.Н. Сверхкритическая экстракция в нефтепереработке и нефтехимии / М.Н. Дадашев, Г.В. Степанов // Химия и технология топлив и масел. - 2000. - № 1. - С. 13-16.

4. Абдулагатов И.М. Экспериментальные исследования теплофизических свойств чистых веществ и бинарных смесей, используемых в процессах сверхкритической экстракции / И.М. Абдулагатов, Х.С. Абдулкадырова, М.Н. Дадашев // Теплофизика высоких температур. - 1993. - Т. 31. - № 5. - С. 830-849.

5. Радаев А.В. Влияние термобарических условий в однородном пласте на вытеснение маловязкой нефти сверхкритическим диоксидом углерода / А.В. Радаев, Н.Р. Батраков, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Сверхкритические флюиды: теория и практика. - 2009. - Т. 4. - № 3. - С. 7-15.

6. Филенко Д.Г. Применение сверхкритических флюидов в нефтепереработке и нефтехимии / Д.Г. Филенко, К.А. Щеколдин, М.Н. Дадашев, В.А. Винокуров, З.М. Раджабов // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2012. - № 1. -С. 34-40.