Механизм процесса термогазового воздействия
Схема термогазового метода разработки
В настоящее время в мировой практике применяются два способа теплового воздействия на продуктивные породы:
метод закачки в пласт теплоносителя;
метод внутрипластового горения.
При выборе метода теплового воздействия на породы Баженовской свиты надо учитывать следующие обстоятельства:
Месторождения БС залегают на большой глубине – 2500-3000 м;
С точки зрения экономической целесообразности расстояние между скважинами не может быть меньше 500-700 м;
Ввод в эффективную разработку микротрещиноватых пород и извлечение из них легкой нефти требует повышения пластовой температуры до 250ºС-300 ºС;
Извлечение углеводородов из керогена диктует необходимость повышения температуры в зонах их сосредоточения до 400ºС-450ºС.
Приведенные выше критерии делают проблематичным использование закачки теплоносителя для воздействия на породы БС – закачка теплоносителя на глубину 2500-3000 м с упомянутыми выше уровнями температуры с поверхности практически нереальна. Тем не менее, имеется принципиальная возможность закачки в пласт теплоносителя с помощью забойного парогенератора, работа над созданием которого ведется в настоящее время. Однако даже в случае успешного завершения работ, забойный парогенератор не сможет обеспечить прогрев залежи теплоносителем на большие расстояния, сопоставимые с расстоянием между скважинами. Тем более, если необходимо обеспечить высокий уровень температуры прогрева.
На основе мирового и отечественного опыта, в качестве базового теплового воздействия на пласт выбран метод выработки тепловой энергии непосредственно в пласте за счет внутрипластовых окислительных процессов. Наиболее широкодоступным окислителем является воздух, закачка которого в пласты с повышенными пластовыми температурами, характерными для всех месторождений Баженовской свиты, обеспечивает формирование самопроизвольных внутрипластовых окислительных процессов. Эти внутрипластовые окислительные процессы могут обеспечить не только выделение необходимой тепловой энергии, но и необходимый уровень температуры нагрева пород Баженовской свиты.
Важно подчеркнуть существенную отличительную особенность внутрипластовых окислительных процессов в породах Баженовской свиты. В качестве топлива при реализации этих процессов будет преимущественно использоваться кероген, который содержится во всех литотипах пород Баженовской свиты. Преимущественное использование керогена в качестве топлива во внутрипластовых окислительных процессах объясняется его меньшей подвижностью по сравнению с легкой нефтью. Поэтому содержание керогена в прогретой зоне будет, как правило, больше, чем содержание легкой нефти, так как она из этой зоны эффективно вытесняется смешивающимися агентами, формируемыми в результате внутрипластовых окислительных процессов. А эти процессы в основном и будут происходить в прогретых зонах. Очевидно, что использование в качестве топлива керогена существенно сократит затраты легких нефтей на процессы окисления и горения.
Традиционный метод закачки воздуха в пласт и создания в нем движущегося фронта внутрипластового горения известен с начала XX столетия. Долгое время этот метод рассматривался как один из разновидностей термических методов добычи высоковязких нефтей.
Принципиально отличающийся подход к технологии закачки воздуха путем использования энергетического потенциала пласта для внутрипластовой трансформации закачиваемого воздуха в эффективный вытесняющий агент впервые был предложен в 1971 г. в нашей стране.
Метод термогазового воздействия на месторождениях легкой нефти создан на стыке тепловых и газовых методов увеличения нефтеотдачи и интенсификации нефтедобычи. Этот метод, несмотря на то, что он базируется на физико-химических процессах, сходных с теми, что лежат в основе термических и газовых методов, в том числе и метода внутрипластового горения, создан на принципиально новых физических основах, отличающихся от реализуемых в известных методах.
Новый метод основан на закачке в пласт широко доступных, а, следовательно, и дешевых рабочих агентов – воздуха и воды, и впервые в мировой практике использует важную энергетическую особенность значительной части месторождений (особенно Западной Сибири), которые характеризуются не только высоким пластовым давлением, но и повышенными пластовыми температурами свыше 65ºС. Такие температуры при закачке воздуха в результате высокой скорости процесса расходования кислорода воздуха на окисление нефти гарантируют безопасное ведение процесса и обеспечивают внутрипластовую генерацию высокоэффективного вытесняющего газового агента, содержащего в основном азот, диоксид углерода, легкие фракции нефти. Такой состав вытесняющего агента обеспечивает смешивающееся вытеснение легкой нефти, а значит и потенциал кардинального прироста нефтеотдачи, особенно при разработке месторождений с трудноизвлекаемыми запасами.
Таким образом, термогазовый метод основан на использовании особенностей внутрипластового горения.
Методы внутрипластового горения характеризуются следующими модификациями:
Сухое горение;
Влажное горение;
Сверхвлажное горение.
В результате взаимодействия кислорода с нефтью выделяется тепло, количество которого пропорционально количеству поглощенного кислорода, что приводит к повышению пластовой температуры вплоть до инициирования фронта горения. Генерируемое тепло конвективно переносится в область впереди фронта горения газами и водой, образовавшейся в результате окислительных реакций и первоначально содержащейся в пласте. В результате снижается вязкость вытесняемой нефти и интенсифицируется ее продвижение к добывающим скважинам. Конденсирующаяся влага образует зону повышенной водонасыщенности (вал горячей воды). Образующийся диоксид углерода растворяется в воде и нефти, изменяя их подвижность. Тяжелые фракции нефти подвергаются пиролизу и крекингу, что увеличивает выход углеводородов из пласта.
Механизм вытеснения нефти при внутрипластовом горении можно описать следующим образом. По мере перемещения фронта горения в пласте формируется несколько характерных отчетливо выделяющихся температурных зон (рис. 3.1.).
Зона 1. В этой области пласта уже произошло горение, и она совершенно освобождена от нефти. Нагнетаемый воздух нагревается при контакте с коллектором, что позволяет утилизировать часть тепловой энергии, выделяемой при горении. Следовательно, зона представляет собой некий теплообменник, причем температура в ней снижается в направлении от фронта горения к нагнетательной скважине.
Зона 2. Зона горения. Кислород потребляется при сжигании углеводородов и кокса, осажденного на поверхности коллектора. Температура в этой зоне определяется в основном свойствами и количеством твердых и газообразных веществ, присутствующих в единице объема зоны, и находится в пределах от 400оС до 600оС.
Зона 3. Зона коксования. Тяжелые фракции, которые не были смещены и переведены в газообразное состояние, подвергаются пиролизу. Если на фронте горения кислород использовался не полностью, протекает окислительный пиролиз.
Зона нагнетания воздуха
Зона отбора нефти
Рис. 3.1. Профили температуры (а) и насыщенности (б) при перемещении фронта горения в пористой среде
Зона 4. Зона конденсации. При достаточном падении температуры заканчиваются химические превращения. Через эту зону фильтруются газообразная и жидкая фазы. Здесь наблюдаются следующие процессы:
В области, примыкающей к зоне реакций, протекают последовательно испарение и повторная конденсация легких фракций нефти и воды, изначально присутствовавшей в пласте; происходит также конденсация воды, являющейся продуктом химических реакций. В пределах этой области наблюдается понижение температуры до 93оС-204оС. Явления испарения-конденсации способствуют ускорению процесса переноса теплоты к дальней границе зоны 4.
В области, где температурный уровень ниже температуры конденсации воды, возникает зона, характеризуемая значением водонасыщенности, превышающим начальное значение водонасыщенности пласта (водяной вал); оторочка горячей воды проталкивает перед собой вал нефти (зону, характеризуемую повышенной, относительно начального уровня, нефтенасыщенностью). Далее впереди зоны горячей воды и легких углеводородов температура в пласте характеризуется ее начальным уровнем. Эта часть пласта не охвачена тепловым воздействием. В каждой из рассмотренных зон именно уровень температуры определяет механизм вытеснения нефти.
В зоне пара преобладает механизм вытеснения паром.
В зоне горячей воды и легких углеводородов происходит вытеснение нефти в основном горячей водой и в некоторой степени легкими углеводородными компонентами.
В зоне, не охваченной тепловым воздействием, происходит вытеснение нефти водой и газами (в основном азотом и двуокисью углерода) при пластовой температуре.
Таким образом, при перемещении в пласте фронта горения одновременно участвуют и сосуществуют почти все известные в настоящее время механизмы извлечения нефти, а именно механизм вытеснения нефти паром, водой при различных температурах, смешивающееся (частичное или полное) вытеснение нефти газом.
В качестве основного способа реализации термогазового воздействия на БС предлагается последовательная закачка в пласт воздуха и воды. При правильной организации этой модификации термогазового воздействия можно, во-первых, полностью исключить появление кислорода в добывающих скважинах, во-вторых, гарантировать наиболее эффективное использование тепловой энергии окисления кислорода воздуха в пласте.
Нагнетание водовоздушной смеси позволяет реализовать не только внутрипластовые окислительные процессы и обеспечить на этой основе смешивающееся вытеснение легкой нефти и тепловое воздействие, но одновременно и гидровоздействие. Как было отмечено выше, такое воздействие позволяет увеличить зону дренирования за счет создания дополнительных новых трещин и частичного раскрытия существующих микротрещин. Очевидно, что одновременное тепловое и гидровоздействие должно привести к синергетическому результату по расширению зоны дренирования и существенному увеличению ее фильтрационных характеристик.