11.7. Внутрипластовое горение

Внутрипластовое горение (ВПГ) основано на способности углеводородов (в данном случае нефти) вступать в химическую реакцию с кислородом. В результате горения в пласте выделяется большое количество тепла, повышается температура, изменяются физические свойства пластовых флюидов и породы. В отличие от других тепловых методов повышения нефтеотдачи ВПГ позволяет устранить технические проблемы и потери тепла, которые возникают при генерировании его на поверхности и доставке к пласту путем нагнетания в него теплоносителей [7].

Вызов горения осуществляется на забое скважины - зажигательницы. В нагнетательную скважину закачивается окислитель (обычно воздух) при одновременном разогреве призабойной зоны пласта с помощью забойного электронагревателя, газовой горелки, зажигательных химических смесей и т.п. Вследствие этого ускоряются экзотермические реакции окисления нефти, которые в конечном итоге приводят к созданию процесса горения в призабойной зоне пласта.

После инициирования горения непрерывное нагнетание воздуха обеспечивает как поддержание процесса внутрипластового горения, так и перемещение зоны горения по пласту. Ввиду малости размеров зоны горения по сравнению с расстояниями между скважинами зону горения называют фронтом горения. Когда воздух для поддержания горения подается в скважину-зажигательницу, то под давлением фронт горения перемещается в направлении от нагнетательной скважины к добывающей, т.е. в направлении движения нагнетаемого воздуха. Такой процесс горения называется прямоточным в отличие от противоточного, когда фронт горения движется в направлении от добывающей (скважины-зажигательницы) к нагнетательной, т.е. против движения нагнетаемого воздуха. Противоточное горение пока не получило заметного применения, и далее рассматривается только прямоточное горение.

В процессе горения наболее тяжелые фракции нефти, называемые коксом, сгорают. Остальная часть нефти нагревается, уменьшаются вязкость, плотность, увеличивается подвижность нефти. Более легкие фракции переходят в парообразную фазу и участвуют в вытеснении жидкой разогретой нефти. Для различных геолого-промысловых условиях концентрация кокса может составлять 10-40 кг на 1 м³ пласта. Этот важный параметр процесса горения рекомендуется определять экспериментальным путем в лабораторных условиях. Установлено, что с увеличением плотности и вязкости нефти концентрация кокса увеличивается, а при высоких значениях проницаемости породы - уменьшается. Считается, что при сгорании кокса выделяется тепло в количестве 29-42 МДж/кг.

Существуют три основных типа внутрипластового горения: сухое, влажное и сверхвлажное.

11.7.1. Сухое внутрипластовое горение

При сухом внутрипластовом горении для поддержания горения закачивается только воздух. Основная доля генерируемого в пласте тепла (80 % и более) остается в области позади фронта горения и постепенно рассеивается в окружающие пласт породы. Это тепло оказывает определенное положительное влияние на процесс вытеснения из не охваченных горением смежных частей пласта [3,7].

Установлено, что в случае поддержания внутрипластового горения путем нагнетания в пласт только газообразного окислителя (воздуха), потеря тепла с нагретой в результате горения породы происходит медленнее вследствие низкой теплоемкости потока воздуха, чем при нагревании породы перемещающимся фронтом горения. При перемещении фронта горения в качестве топлива расходуется часть нефти, остающаяся в пласте после вытеснения ее газами горения, водяным паром, водой, испарившимися легкими фракциями нефти впереди фронта горения.

Расход воздуха на добычу нефти при сухом внутрипластовом горении, по результатам промысловых испытаний, изменяется в диапазоне 1000-3000 м³ (при нормальных условиях) на 1м³ нефти.

Переброска тепла в область впереди фронта горения приведет к приближению генерируемого в пласте тепла к зонам, где происходит вытеснение нефти из пласта. Такой перенос тепла связан с ускорением теплопереноса в пласте вследствие добавления воды к нагнетаемому воздуху.