1275

вводится фиктивная теплоемкость воды

при движении пара по стволу нагнетательной скважины и в пласте через 3 года после закачки.

= соп = 1 кДж/(кг-К); теплопроводность пласта и окружающих пласт и скважину пород %пл = ^оп = 2 Вт/(м-К); температуро­ проводность пласта и окружающих его пород хпл = хоп = = 1 • 10-в м2/с.

Объем прогретой части пласта следует рассчитывать с исполь­ зованием формулы Маркса—Лангенхейма (5.8). Степень сухости пара на забое нагнетательной скважины принимается постоянной и равной степени сухости через 1 год после начала закачки пара. Относительные теплопотери вычисляют по формуле (5.9).

О т в е т : ап = 0,5.

§ 2. ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВНУТРИПЛАСТОВОГО ГОРЕНИЯ.

РАСЧЕТ ИНИЦИИРОВАНИЯ ГОРЕНИЯ В ПЛАСТЕ

При расчете показателей внутрипластового горения необходимо знать значения таких специфических параметров, как концентра­ ция топлива, кинетические константы процесса окисления нефти кислородом воздуха, удельный расход воздуха на выжигание еди­ ницы объема пласта и др. В задаче 5.16 показано, как по результа­ там лабораторных экспериментов определяют концентрацию топ­ лива и удельный расход воздуха. Вариантами задачи 5.16 являются задачи 5.17—5.19. Определению скорости реакции нефти с кисло­ родом воздуха по результатам лабораторных исследований и рас­ чету времени самовоспламенения посвящена задача 5.20. Ее ва­ рианты — задачи 5.21 и 5.22. Методику вычисления кинетических параметров процесса окисления нефти используют в задаче 5.23. Задача 5.24 — вариант задачи 5.23. Способ расчета динамики про­ грева призабойной зоны нагнетательной скважины при закачке

171

внее горячего воздуха применен в задаче 5.25 с вариантами 5.26

и5.27.

За д а ч а 5.16. С целью определения исходных данных для проектирования процесса внутрипластового горения проводились эксперименты на специальных лабораторных установках, основным узлом в которых был узел кернодержателя. Кернодержатель на­ бивали пористой средой и насыщали нефтью. В начале модели был создан фронт горения, который затем перемещался к другому концу модели благодаря непрерывному нагнетанию воздуха. В ходе опыта замеряли расход и определяли состав газов горения. За время

До начала эксперимента состав закачиваемого воздуха опреде­ ляли с помощью хроматографа. Следует отметить, что при замерах концентраций газов, входящих в состав воздуха, азот и аргон не разделялись. Поэтому под концентрацией азота следует понимать концентрацию смеси этих двух инертных газов. Были получены следующие результаты: концентрация кислорода в воздухе Своз Q =

= 0,207, концентрация азота в воздухе CB03N ^0,793.

Результаты расчетов по определению количества газов, вышед­ ших из модели, приведены в табл. 41 и 42. Общий объем газов го­ рения 1/гг = 0,4268 м3; объем вышедшего азота VNa = 0,3394 м3; объем кислорода Vo„ = 0,0291 м3; объем двуокиси углерода Vco, = = 0,0488; объем окиси углерода Vco = 0,0044 м3; объем вышед­ ших из модели других газов Удр = 0,0049 м3.

Требуется определить концентрацию топлива и удельный рас­ ход воздуха по результатам лабораторных экспериментов.

Р е ш е н и е . Исходя из предположения, что аргон и азот в ре­ акциях не участвуют, можно определить количество воздуха, по-

172

Таблица 41

Таблица 42

^0, = V возОВОз02•

Объем кислорода, вступившего в реакцию с топливом, составит

о2;

У = 0,0886 — 0,0291 =0,0595 м3.

173

Удельный расход воздуха на выжигание единицы объема пласта

Реакцию горения углеводородного топлива можно представить в виде элементарных реакций горения углеродного скелета (угле­ рода) и водорода:

С+ Оа = С02;

2G + Оа= 2СО;

2На + 0 , = 2Нг0 .

Таким образом, при образовании 22,4 м3 С 02 сгорает 12 кг угле­ рода. На образование 22,4 м3 СО расходуется 6 кг углерода. Утили­ зация 22,4 м3 0 2 соответствует сгоранию 4 кг водорода.

Масса углерода, которая затрачивается на образование двуокиси углерода, составит

На образование Vco расходуется следующее количество угле­ рода:

AU

Усоб

22,4

Предполагая, что кислород расходуется только на образование СО*, СО и Н аО, можно определить объем этого компонента, который участвовал в окислении водорода:

1 4 = Уо,— Усо,— 0,5Усо»

где V'o — объем кислорода, который израсходован при образова­ нии воды, м3,

V4 = 0 ,0 5 9 5 -0 ,0 4 8 8 - 0,5-0,0044 = 0,0085 м3.

Масса сгоревшего водорода определяется по формуле

22,4

174

Общее количество топлива, сгоревшего при проведении опыта, составит

Мт= М г + М2 + М 3;

Мт= 0,0261 + 0,00118 + 0,00152 = 0,288 кг.

Концентрация топлива в пласте составит

выжигание единицы объема пласта при внутрипластовом горении по результатам лабораторных исследований.

Эксперимент проводился по методике, которая описана в за­ даче 5.16.

За время эксперимента был выжжен объем пласта Vr = 1,3510_3 м3. Остальные необходимые для расчета данные приведены

в табл. 43.

Таблица 43

Методика проведения опытов описана в задаче 5.16. Объем выжженной породы в ходе эксперимента составил Vr = 1,2-10~3 м3. Остальные необходимые для расчета данные приведены в табл. 44.

периментов удельный расход воздуха R B03 на сжигание единицы массы топлива при внутрипластовом горении.

Эксперименты проводились по методике, которая описана в за­ даче 5.16. Исходные данные для расчета приведены в табл. 45.

О т в е т : R B03 = 10 м3/кг.

175

Таблица 44

З а д а ч а 5.20. До начала осуществления процесса внутрипластового горения проводят пробную закачку воздуха в пласт.

Давление в пласте р = 6-107 Па, начальная пластовая темпе­

R r — 8,314 Дж/(К-моль).

Для замера скорости реакции кислорода воздуха с нефтью были проведены эксперименты на лабораторной установке, основной частью которой является толстостенная емкость, заполняемая нефтенасыщенной породой и помещаемая в термостат. Температура

176

в термостате поддерживается равной начальной пластовой. Затем

вмодель закачивается воздух под давлением, равным пластовому.

Входе опыта для предотвращения сегрегации нефти и воздуха кернодержатель медленно вращается. Через некоторое время по­

о скорости реакции нефти с кислородом воздуха. При проведении эксперимента в кернодержатель было помещено 0,05 кг нефти (Мн)

впласте.

Ре ш е н и е . Скорость реакции нефти с кислородом воздуха

рассчитывается по формуле

М нС

где VB03 — объем воздуха, закачанного в модель, м3; CB03 о.. — концентрация кислорода в закачиваемом воздухе, доли единицы; Сгг о. — концентрация кислорода в газе после проведения экспе­ римента, доли единицы; р0 — плотность кислорода, кг/м3; Л4н —

масса помещенной в кернодержатель нефти, кг; /* — продолжи­ тельность эксперимента;

W = 0,025 [0.207 - 0,188] 1,43 = { gg.jp-s Кг/(кг-сС). 0,05-981000

Так как условия проведения эксперимента близки к начальным пластовым, можно считать, что по полученным результатам опреде­ лена скорость реакции при начальных пластовых условиях.

Время самовоспламенения определяют по формуле, полученной Тадемой и Вайдемой [10],

+ 2 - М

где wQ— скорость реакции при начальных пластовых услов!Я'с кг/(кг-с); В = E/Rr.

177

Продолжительность самовоспламенения нефти в пласте зависит в основном от начальной стадии этого процесса, когда температура близка к начальной пластовой. Поэтому при выводе формулы (5.10) не учитывались теплопотери в окружающие пласт породы. Так как при незначительных температурах скорость взаимодействия нефти с кислородом воздуха мала, то предполагалось, что существует избыток кислорода и что нефть окисляется во всем объеме. Фор­ мула (5.10) позволяет получать результаты с хорошей для инже­ нерных расчетов точностью, если время самовоспламенения не пре­ вышает примерно 2,6-106 с (30 сут).

В = 71176/8,3736 = 8500 К;

1,03-1-2600 (293)2 ( 1 + 2

= 2600 кг/м3.

Для определения скорости реакции кислорода с нефтью был проведен эксперимент по методике, которая описана в задаче 5.20. Масса загруженной в кернодержатель нефти М„ = 0,035 кг; дав­ ление воздуха в кернодержателе рв03 = 5,05-106 Па; температура в кернодержателе Тк = 20 °С; объем закачанного в кернодержа­ тель воздуха VrBO3 = 8-10~4 м3; плотность кислорода р0 =

=1,43 кг/м3. Остальные данные приведены в табл. 47.

При решении задачи необходимо учитывать, что температура

= 1,1 кДж/(кг-К); энергия активации реакции окисления нефти кислородом воздуха В = 70 000 кДж/(к-моль); объемный коэффи­ циент f}0 = 1,05; показатель степени при парциальном давлении

178

проведен эксперимент по методике, которая описана в задаче 5.20.

и давление при проведении лабораторного эксперимента отлича­ лись от соответствующих пластовых условий.

вого горения с использованием математических моделей необходимо знать кинетические константы процесса окисления нефти кисло­ родом воздуха. С этой целью лабораторные эксперименты прово­

Требуется определить энергию активации реакции окисления нефти кислородом воздуха.

Р е ш е н и е . Степень окисленности нефти при экспериментах менялась незначительно и была крайне низкой, поэтому ее измене­ нием можно пренебречь. Можно учесть колебания парциального

179

давления кислорода, если все данные привести к одному среднему значению парциального давления.

Среднее значение парциального давления (в Па).

где п9К— число проведенных экспериментов,

Скорость реакции, приведенная к определенному значению пар­ циального давления кислорода, можно вычислить по следующей формуле:

где купр — скорость реакции, приведенная к среднему значению парциального давления кислорода, кг/(кг-с); рзам0 — среднее

парциальное давление кислорода в £-м опыте; а>зам — замеренная скорость реакции в i-м опыте, кг/(кг-с).

Поскольку во всех экспериментах скорость реакции замеря­ лась при небольших значениях давления, то можно считать, что

п = 1. Результаты вычислений приведены в табл. 50.

Таблица 50

где к> — скорость реакции нефти с кислородом воздуха, кг/(кг-с); Л о — предэкспоненциальный множитель, кг/[кг (Па)п-с]; pQ —

180