книги из ГПНТБ / Кошко, И. И. Техника воздействия на нефтяной пласт горением

КРАТКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ ВНУТРИПЛАСТОВОГО ГОРЕНИЯ

НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ США И КАНАДЫ

Метод внутрипластового горения для добычи нефти в США в промышленных условиях впервые был опробо­ ван в Оклахоме фирмой «Мобил» в 1952 году.

С1955 года метод внутрипластового горения приме­ няется на ряде месторождений [114, 115, 133, 153]. Инте­ рес к указанному методу объясняется главным образом наличием огромных запасов вязких нефтей. Разработка залежей вязких нефтей обычными методами, как извест­ но, не позволяет достичь высокой нефтеотдачи.

На основании анализа опытных работ Боберг пришел

квыводу, что в период с 1958 по 1960 г. метод подземно­ го горения применялся приближенно на 75% объектов [122] от общего количества объектов, эксплуатируемых термическими методами.

После 1960 г. указанный метод получил широкое применение в США на месторождениях с вязкой нефтью. Это связано с получением положительных результатов лабораторных исследований, правильного выбора техно­ логии работ, а также необходимости использования огромных запасов вязкой нефти.

С1961 г. по 1963 г. метод внутрипластового горения испытывался на месторождении Фрай, штат Иллинойс. Продуктивный пласт здесь сложен песчаником Робинсон

средней пористостью 20% и нефтенасыщенностью 68% [128].

Глубина залегания продуктивного пласта на опытном участке изменялась в пределах 264—281 м. Удельный

была принята равной 1,3 га. Инициирование горения в пласте осуществлялось с помощью электрического наг­ ревателя мощностью 40 кет.

В процессе опытных работ были получены положи­ тельные результаты, а влияние внутри1пластово1го горения сказалось на вою залежь.

За счет воздействия на ила'ст движущимся фронтом горения на месторождении Фрай добыто около 16 тыс. м3 нефти.

20

На месторождении Дели в штате Луизиана метод в.нутр!ипл1астоваго горения внедряется с 1966 года [163].

Характерной особенностью данного эксперимента является применение инутрипластового горения в мало­

ществлен с помощью газовой горелки. Нагнетание газа в горелку выполнялось с помощью трехступенчатого га­ зового компрессора.

Для поддержания горения ежесуточно в пласт нагне­ талось около 37 тыс. мъ воздуха, при этом использова­ лись компрессоры ДРС-230.

Дебит 4-х эксплуатационных скважин, расположен­ ных на территории опытного участка, в процессе экс­ перимента возрос в 4 раза и составил около 32 м3/сутки.

В целом результаты опытных работ расцениваются специалистами фирмы удовлетворительными.

На месторождении Оливер (штат Индиана) метод внутрипластового горения использовался для обработки призабойной зоны нагнетательных скважин [162].

Для инициирования горения использовали электри­ ческий нагреватель мощностью 10 кет. Для нагнетания воздуха применяли трехступенчатый компрессор произ­ водительностью 4250 мг!сутки. При этом горение в каж­ дой скважине поддерживалось в течение 10 дней, а при­ забойная зона выжигалась в радиусе 3 м. В результате обработок приемистость скважин увеличивалась в 8—10 раз.

За последнее десятилетие в США проводились опыт­ ные и промышленные эксперименты по созданию внутри­ пластового горения более чем на 400 участках.

Операции с внутрипластовым горением осуществля­ ются в Калифорнии, Техасе, Луизиане, Оклахоме, Кан­ засе и др. штатах.

Наиболее широкое применение этот метод нашел на месторождениях с вязкой и тяжелой нефтью в Калифор­ нии. Совершенствование внутрипластового горения и улучшение его экономических показателей позволяет проводить переоценку потенциально извлекаемых запа­ сов.

На промысле Моко из 20 скважин ежесуточно добы­ вается 400 т нефти. На месторождении Вест Ньюпорт в

21

Калифорнии за счет процесса внутриплатного горе­ ния получено около 100.000 тнефти [46].

В 1967 г. !в Северной Америке ежесуточно добыва­ лось с помощью указанного метода около 1500 т нефти

[83].

По данным П. Торри [165] количество внедренных проектов с воздействием на пласт теплом в 1965 г. со­ ставило 357, в том числе в Калифорнии — 296, Техасе — 22, Войоминг — 11.

На месторождении Алден (штат Оклахома) с по­ мощью внутрипластового горения разрабатывается уча­ сток площадью 10 км2. В работе [121] приводится ана­ лиз разработки некоторых залежей с помощью новей­ ших методов воздействия на пласты. Обзор дан по 148 объектам, в том числе приведены сведения по 45 объек­ там, где внедряется внутрипластовое горение. Некото­ рые данные по применению внутрипластового горения приведены в таблице 1.

Важное значение в США уделяется расширению внедрения вторичных методов добычи нефти.

Если в 1960 г. в США действовало 5734 проекта по вторичным методам добычи нефти, то в 1965 г. их коли­ чество увеличилось до 8421 проекта. При этом с по­ мощью вторичных методов в 1965 г. было добыто 155,8 млн. м3 нефти, а в 1960 г. соответственно было добыто

116,5 млн. мъ.

В основных нефтедобывающих штатах Техасе, Кали­ форнии, Оклахоме добыча нефти с применением вторич­ ных методов составила соответственно 43%, 67% и 43% от добычи штата. Предполагается, что к 1980 году в США с помощью вторичных методов будет добываться 40% нефти.

В США подготовка запасов отстает от добычи нефти. Так, в 1967 г. прирост запасов составил около 80% от добычи, а обеспеченность разведанными запасами теку­ щей добычи нефти составила около 12 лет.

Месторождения нефти образовывались в течение миллионов лет, а !в современную эпоху проводится их интенсивная эксплуатация. Ежегодно в мире извлека­ ется в среднем около 3% разведанных запасов нефти. В последнее время прирост запасов в США, в основном, идет за счет открытия месторождений вязкой нефти,

22

поэтому предусматривается широкое применение терми­ ческих методов добычи нефти [26].

В 26 штатах США открыто более 2000 продуктивных

Добыча углеводородов из битуминозных пород и го­ рючих сланцев является важнейшей проблемой. Значи­ тельные запасы сланцевой нефти открыты в США. В настоящее время, в связи с истощением нефтяных ме­ сторождений, ставится вопрос разработки залежей неф­ ти, имеющейся в сланцах. Имеются факты рентабельной добычи нефти из битуминозных сланцев. Так, стоимость 1 т нефти, полученной в штате Колорадо из сланцев, составляет около 9 долларов, т. е. почти в два раза ниже стоимости нефти на рынках Калифорнии.

По данным Горного Бюро США при современных критериях экономической рентабельности извлекаемые запасы нефти в штате Калифорния с помощью терми­ ческих методов составляют 509 млн. м3.

Президент компании «Мобил Ойл» Мур считает, что к 1985 г. из сланцев и битуминозных песчаников будет добываться 70 млн. м3 нефти в год.

Фирма «Мобил Ойл Канада» с 1965 г. проводит рабо­ ты по применению внутрипластового горения на место­ рождении Баттрам в Канаде [129].

Продуктивный пласт залегает на глубине 883 м. Вяз­ кость нефти при пластовой температуре равна 70 спз. Опытные работы проводятся на трех участках. Иници­ ирование горения в пласте осуществлялось с помощью электрического нагревателя. Наземное оборудование со­ стоит из компрессорной станции, насосов для нагнетания охлаждающей воды, измерительной аппаратуры, хромо­ термографа для анализа выходящих газов, трубопрово­ дов и арматуры.

В результате применения внутрипластового горения добыча нефти увеличилась с 48 т до 160 т в сутки. За три года на одном из участков дополнительно получено около ПО тыс. тнефти.

В связи со значительными запасами нефти на место­ рождении Баттрам предполагается дальнейшее расшире­

24

ние применения внутрипластового горения. Одной из причин, задерживающей расширение работ, являются высокие расходы на компримирование воздуха.

Так, стоимость нагнетания воздуха на месторождении Хамболд Ченот при давлении 67 кг!см2 составила 0,00212

долларов/нм3.

В последние годы внутрипластовое горение успешно применяется в Канаде для разработки битуминозных песчаников Атабаски. Фирма «Пан Америкен Петроле­ ум» проводит разработку битуминозных пород, залегаю­ щих на глубине около 300 м.

ОСВОЕНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ БИТУМОВ И ВЯЗКОЙ НЕФТИ ТАТАРИИ

В последние годы в Татарской АССР в связи с ин­ тенсивной добычей нефти, наметилась тенденция сниже­ ния разведанных запасав.

Поскольку часть месторождений девонской нефти вступила в завершающую стадию разработки, для под­ держания достигнутого уровня добычи нефти, наряду с совершенствованием разработки эксплуатируемых ме­ сторождений, необходимо вводить в разработку новые залежи.

Одним из больших резервов является доразведка и ввод в эксплуатацию верхних горизонтов. Татарская АССР является одним из богатейших в мире геологиче­ ских районов по запасам битумов и вязкой нефти. Так, запасы углеводородов в битумосодержащих пластах в недрах республики в несколько раз превышают разве­ данные запасы девонских месторождений нефти. Основ­ ная масса битумов связана с Мелекесской депрессией, где битумопроявления установлены по всему разрезу пермской системы, начиная от ассельского яруса нижней перми и кончая татарским ярусом верхней перми [50, 94]. Территориальное распространение битумов частично совпадает в тектоническом отношении с южным куполом Татарского свода и его юго-восточным склоном. Особен­ но широко битумы распространены на юге Татарской АССР, где участки битуминозных пород образуют ог­ ромное поле, простирающееся на многие десятки кило­ метров. Площадь распространения битумов в пермских

25

отложениях в пределах Мелекесской депрессии увели­ чивается вверх по разрезу. Наибольшее распространение битумы получили в верхнеказанских и нижнеказанских отложениях. В шешминских, сакмарских и ассельских осадках битумопроявления известны на сравнительно ограниченных участках, в основном в пределах восточ­ ного борта депрессии. По предварительным подсчетам в этих отложениях сосредоточены значительные запасы битумов [24, 50, 51, 94]. Их запасы сосредоточены в цен­ тральной части депрессии и на западном борту в пластах, представленных карбонатными породами, а на востоке — терригенными породами. Основными коллекторами яв­ ляются известняки, доломиты и песчаники. Основные свойства битумосодержащих пластов и битумов приве­ дены в таблице 2.

Пермские битумы характеризуются следующим груп­ повым составом: масла и тетралейноэфирные смолы от 28,1 до 44,9%, бензольные и спиртобензольные смолы от 34 до 46% и асфальтены от 15,4 до 34,8%. Битумы, как правило, гудроновидные и, вероятно, представляют собой окисленную нефть, потерявшую легкие фракции. Изред­ ка встречается и жидкая нефть, пропитавшая прослои пористых пород.

Битуминозными являются песчаники шешминского горизонта уфимского яруса и верхнеказанского подъя­ руса, доломиты казанского, сакмарского и частично ассельского ярусов нижней перми и верхнего карбона.

На основании результатов структурного бурения уста­ новлено, что битуминозные песчаники встречаются на территории около 7,0 тыс. кв. км.

-26

Битумы залегают на глубинах до 400 м, а мощность пластов достигает 50 м.

Указанные ресурсы до сих пор не используются. Решение проблемы разработки залежей нефтебиту-

мов позволит провести переоценку извлекаемых запасов топлива по республике. В связи с быстрым ростом пот­ ребления энергии задача освоения залежей пермских битумов приобретает важное значение. Разработка по­ добных залежей связана с рядом трудностей из-за высо­ кой вязкости и малой подвижности битумов.

В последние годы в ряде стран вопросу разработки залежей битумов и вязких нефтей уделяется все больше внимания, что объясняется уменьшением доказанных запасов нефти и новейшими достижениями в добыче вы­ соковязких нефтей тепловыми методами.

Повышение температуры в пласте снижает вязкость нефти и облегчает условия движения ее к забою эксплуа­ тационных скважин. Разработка залежей битумов мо­ жет быть осуществлена различными методами, в част­ ности, по внутрипластовой технологии, а также шахтным или открытым методом. При относительно небольшой мощности покрышки предпочтительнее разработка от­ крытым — карьерным методом, а переработка битуми­ нозной породы в этом случае осуществляется в специ­ альных установках. В Татарии из уфимских битуминоз­ ных песчаников, добываемых шахтным способом, извлекали углеводородное сырье в количестве до 120 г в сутки с 1906 по 1948 год на Шугуровском битумном заводе.

В промышленном масштабе добыча углеводородов из битумов осуществляется на крупнейшем в мире место­ рождении Атабаска (Канада), с общими запасами око­ ло 100 млрд. тонн.

Площадь месторождения около 78000 км2. Средняя мощность пласта около 30 м, а в отдельных частях мощ­ ность достигает до 120 м. Залежи битума обнаружены в формации Мактари мелового возраста. Месторождение расположено в 480 км к северо-востоку от г. Здмонтонга, вдоль берегов реки Атабаски. Пористость отдельных

3600 до 4000 пуаз. В 1967 г. на этом месторождении пу­

27

щена крупная установка по переработке битуминозного песчаника, который добывается экскаватором.

С помощью открытой разработки на месторождении Атабаска предполагают извлечь около 13,7 млрд. мг неф­ ти и дополнительно 48 млрд. мъ может быть извлечено с помощью теплового воздействия на пласт.

Для разработки битумов по внутрипластовой техно­ логии в разное время предпринимались попытки или проектировали следующие методы: закачка теплоноси­ телей, применение поверхностно-активных веществ или растворителей, пиролиз, ядерные взрывы и др.

Получил применение так называемый шел-процесс. По этой технологии вначале между нагнетательной и экс­ плуатационными скважинами гидроразрывом образуют трещины, после чего в нагнетательную скважину закачи­ вают пар и каустическую соду. За счет воздействия па­ ром снижается вязкость нефти. Нефть, находящаяся в непосредственной близости от зоны, по которой движет­ ся пар, эмульгируется. Постепенно осуществляется уве­ личение охвата пласта по вертикали. Добыча нефти из битума по данной технологии на месторождении Атабас­ ка доведена до 1200 мг сутки.

Одним из перспективных методов разработки зале­ жей нефтебитумов является внутрипластовое горение. При этом методе тепло генерируется непосредственно в пласте за счет подаваемого с поверхности воздуха и сго­ рания сравнительно небольшой части битума (кокса). Процесс горения в пласте обычно поддерживается за счет сжигания тяжелых фракций, а наиболее ценные продукты могут быть извлечены [19, 35].

Высокая эффективность метода обеспечивается уни­ версальным воздействием на пласт ряда факторов и, в частности, из-за снижения вязкости нефти при повыше­ нии температуры. При добыче нефти этим методом в пласте одновременно существуют ряд процессов: массоперенос, теплоперенос, химические реакции и фазовые превращения.

Особенностью тепловых явлений, происходящих в пласте, является наличие теплообмена между компонен­ тами среды, наличие конвективного тепломассопереноса, а также капиллярных и химических явлений. При этом улучшается отмыв нефти с поверхности зерен породы и повышается нефтеотдача пласта. За счет процессов окис­

28

ления, крекинга и пиролиза происходит образование кок­ сового остатка и легких фракций. В зависимости от рас­ хода воздуха и количества кокса, а также других факторов температура зоны горения может меняться в широких пределах от 250 до 1000°С.

Важное влияние на эффективность применения теп­ ловых методов оказывает глубина залегания продуктив­ ного горизонта. С увеличением глубины, как правило, требуется повышенное давление нагнетания и больший расход рабочего агента. Однако при значительных глу­ бинах имеется возможность эксплуатировать скважины при повышенных депрессиях. Проницаемость пласта оказывает влияние на выбор величины давления нагне­ тания воздуха и выбор мощности компрессорной стан­ ции.

При внедрении тепловых методов важным фактором является мощность пласта. В более мощных пластах меньше тепла теряется в кровлю и подошву. При этом удельный вес добываемой, путем внутрипластового го­ рения, нефти меньше пластовой, так как наиболее тяже­ лые фракции переходят в кокс и сгорают.

Известно несколько разновидностей технологических схем разработки залежей с помощью внутрипластового горения.

При прямоточной схеме фронт горения движется от нагнетательных скважин к эксплуатационным. По этой схеме воздух обычно нагнетается в центральную нагне­ тательную скважину, а нефть добывается из расположеженных вокруг нее эксплуатационных скважин. Нефть и вода вытесняются к эксплуатационным скважинам про­ дуктами сгорания и теплом.

Для освоения залежей битумов в благоприятных ус­ ловиях может быть применена прямоточная схема разра­ ботки и, в особенности, в комбинации с заводнением. Подобный метод применяется для разработки битуми­ нозных песчаников Атабаски.

К недостаткам прямоточной схемы следует отнести тот факт, что продукты горения и пары нефти при движении к эксплуатационным скважинам вынуждены пройти непрогретую зону пласта, оказывающую значи­ тельное сопротивление их движению.

При разработке залежей с нефтебитумами перспек­ тивным является противоточный метод внутрипластового

29