Энергогазообразующий состав и технология обработки призабойной зоны продуктивного пласта

Энергогазообразующий состав и технология обработки призабойной зоны продуктивного пласта

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к составам и способам термогазохимической обработки призабойной зоны скважин в карбонатных и терригенных пластах.

Изобретение может быть использовано для увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта с целью повышения производительности скважины при добыче нефти, газа и газового конденсата, для увеличения приемистости нагнетательных скважин, а также для повышения нефтегазоотдачи пласта.

Известен способ термогазохимического воздействия (ТГХВ) на призабойную зону пласта, при котором под давлением газов, образовавшихся при сгорании на забое скважины порохового заряда, происходит разрыв пласта под давлением пороховых газов (Н.Г. Середа, В.А. Сахаров, А.Н. Тимашев. Спутник нефтяника и газовика. Москва, «Недра», 1986 г. УДК 622.276+622.279, стр. 315). В данном способе пороховой заряд доставляется на забой скважины на каротажном кабеле.

При сгорании порохового заряда происходит образование пороховых газов, которые воздействуют на призабойную зону пласта.

Основными недостатками способа являются:

1. Использование в качестве инициатора взрывчатого вещества;

2. Сложность исполнения способа;

3. Воздействие высоких давлений на устье и обсаженный ствол скважины, что может привести к нарушению как самой колонны и заколонного цементного камня, так и спущенного в скважину оборудования.

Известен способ термохимической обработки призабойной зоны пласта путем закачки в эту зону суспензии гранулированного магния и аммиачной селитры в жидкости на углеводородной основе, с последующей закачкой в пласт раствора соляной кислоты (А.с. 640023). При этом соляная кислота, взаимодействуя с магнием, повышает температуру кислоты и инициирует разложение аммиачной селитры. Основными источниками тепла являются: реакция магния с соляной кислотой и процесс разложения аммиачной селитры. На последней стадии способа возможен взрыв смеси газов, водорода и кислорода и окиси азота, что может отрицательно сказаться на состоянии цементного кольца и эксплуатационной колонны в интервале обработки.

Известны способы термохимической обработки призабойной зоны пласта путем закачки в эту зону горючеокислительных составов ГОС с последующим введением инициаторов горения: таблетированных порошков алюминия и оксида хрома (Патент RU 2126084); таблеток из смеси боргидрида натрия и перекиси натрия (Патент RU 2154733), способ обработки призабойной зоны пласта путем последовательной закачки смеси магния и пропанта с жидкостями на углеродной или водной основе, ГОС и кислотного состава (Патент RU 2440490). Основными недостатками вышеперечисленных способов являются:

1. Использование нерастворимых в воде твердых веществ, что ограничивает их проникновение в призабойную зону пласта;

2. Реакция происходит при контакте с инициатором реакции в колонне, что негативно сказывается на техническом состоянии подземного оборудования.

Наиболее близкий способ термохимической обработки пласта включает раздельную закачку компонентов горючеокислительного состава ГОС и инициатора горения ИГ, по двум коаксиально расположенным относительно друг друга насосно-компрессорным трубам НКТ. При этом конец внешней НКТ опущен ниже конца внутренней НКТ на расстояние, достаточное для обеспечения времени контакта ГОС и ИГ в реакционном объеме. ГОС подают в обрабатываемую зону нефтяного пласта только через кольцевое пространство между внешним и внутренним НКТ, а ИГ подают по внутренним НКТ. ГОС - водный раствор с водородным показателем рН 4-7, включающий, мас. %: селитру 5-25, карбамидно-аммиачную смесь КАС-32 - остальное; ИГ - водный раствор с рН 12-14, включающий, мас. %: нитрит щелочного металла 15-45, воду - остальное, или борогидрид щелочного металла 15-45, щелочь 3-45, воду - остальное, причем масса ИГ, содержащего нитрит щелочного металла, составляет 1-80% от массы ГОС, масса ИГ, содержащего борогидрид щелочного металла, составляет 1-30% от массы (RU 2401941). Этот способ принят нами за прототип.

В прототипе в качестве ГОС, т.е. основного источника тепловой энергии являются водные растворы аммиачной селитры или водорастворимых горючих составов органического происхождения.

Этот способ имеет ряд существенных недостатков:

1. ГОС на основе аммиачной селитры переходит в стадию непрерывной реакции, с выделением тепловой энергии и газов, только при достижении температуры не менее 200°С, т.е. для того, чтобы реакция протекала, необходим подогрев растворов и окружающей породы другим источником энергии до 200°С.

2. Эта реакция, как известно, не протекает в ограниченных размерах, которые меньше критического, т.е. не может протекать в порах и трещинах пласта.

3. Реакция протекает в эксплуатационной колонне, что зачастую приводит к повреждению колонны, цементного камня или подземного оборудования НКТ, пакера и др.

Все эти недостатки отсутствуют в предлагаемом способе обработки призабойной зоны и предлагаемых составах. Предусмотрены меры безопасности, обеспечивающие безопасную и безаварийную работу на скважинах.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки призабойной зоны продуктивного пласта, включающем раздельную закачку компонентов бинарной смеси - энергогазообразующего состава и инициатора горения - по разным каналам двухрядного лифта колонны насосно-компрессорных труб НКТ, инициируют процесс тепло- и газовыделения, согласно изобретению, энергогазообразующий состав представляет собой водный раствор, содержащий аммониевые соли сильных минеральных кислот, нитрит щелочного металла, стабилизатор для поддержания нейтральной или щелочной среды - аммиачную воду, или щелочь, или кальцинированную соду, или пиридин, энергогазообразующий состав закачивают по внутреннему ряду труб, на котором выше зоны смешения энергогазообразующего состава и инициатора горения устанавливают огневой предохранитель, причем закачку энергогазообразующего состава осуществляют порциями по 0,5-1,5 м³, которые чередуют с порциями по 0,2-0,5 м³ водного 15-20%-ного раствора карбамида, для предотвращения чрезмерного повышения температуры в зоне протекания реакции, в качестве инициатора горения используют формалин или кислоту.

В основе способа лежит применение бинарных смесей, реакция между входящими в их состав веществами, которые происходят в следующей последовательности:

1. Реакция обмена между нитритом натрия и солями аммония с образованием нитрита аммония, который стабилен только в нейтральной и щелочной среде, т.е. при рН 7 и более.

2. В кислой среде при рН менее 7 нитрит аммония разлагается с образованием воды и нитрозина.

3. Нитразин в кислой среде распадается на азот и воду с выделением большого количества тепловой энергии.

Бинарные смеси, используемые в предлагаемом способе, включают в себя основной энергогазообразующий состав - раствор, состоящий из двух основных веществ: нитрита натрия и соли аммония. Для стабилизации в раствор вводят стабилизатор - реагент удерживающий рН раствора, т.е. рН раствора не менее 7.

Основной энергогазообразующий состав:

1. Водорастворимые соли аммония (соляной, азотной
или органических солей). Предпочтительно применение
нитрата аммония	100 частей
2. Нитрит натрия	69 частей
3. Стабилизатор (аммиачная вода)
(летом 10 частей, зимой 6 частей)	10÷6 частей
4. Вода	112 частей
Инициатор:
1. Формалин (кислоты минеральные или органические)	10÷25 частей

В качестве стабилизатора используется аммиачная вода. Аммиачную воду вводят при приготовлении состава после растворения соли аммония перед растворением нитрита натрия. Вместо аммиачной воды, в качестве стабилизатора, возможно использование любой щелочи, кальцинированной соды или пиридина. Все вышеперечисленные вещества поддерживают рН раствора на уровне 7, что обеспечивает стабильность состава.

Для протекания реакций в приготовленном водном солевом растворе необходим инициатор. Инициатор - вещество, снижающее рН раствора ниже 7, т.е. повышающим кислотность раствора, что является необходимым условием для протекания реакции преобразования нитрита аммония в нитрозамин. В качестве инициатора используют различные кислоты HCl, СН₃СООН и др. или формалин - водный раствор формальдегида CH2O. Формалин не агрессивен к сталям и более предпочтителен. Оптимальное соотношение раствора формалина и энергогазообразующего состава в зоне смешения должно быть 1:5.

При использовании формалина реакции протекают в следующей последовательности:

1. NH₄NO₃+CH₂O(формалин)→CH₂NH+HNO₃,

образовавшаяся азотная кислота создает кислую среду, необходимую для протекания следующих реакций;

2. NH₄NO₃+NaNO₂↔NH₄NO₂+NaNO₃

В кислой среде, которая образовалась в первой реакции, вторая реакция протекает активно со сдвигом вправо, т.е. с образованием NH₄NO₂ и NaNO₃; а нитрит аммония, в кислой среде, превращается в нитрозамин - нестабильное вещество, которое разлагается с выделением тепловой энергии и азота.

3. NH₄NO₂→NH₂NO+Н₂О

NH₂NO→N₂+H₂O+Q

где Q - это тепловая энергия, равная 300 кДж/моль (1118 ккал/кг).

Это основная реакция, выделяющая большое количество тепла и газообразного азота, удаляющие из призабойной зоны кольматанты - парафин, смолы, эмульсии и остатки бурового раствора.

Параллельно протекают и другие реакции. Так, при температуре 200°С избыток нитрат аммония разлагается:

NH₄NO₃=NO₂+2H₂O+Q (36,8кДж/моль)

Особенностью способа является то, что энергогазообразующий состав и инициатор закачиваются по различным каналам двухрядного лифта НКТ, а их смешивание происходит в призабойной зоне. После смешивания состава с инициатором - бинарная смесь поступает в пласт, где и протекает реакция до полного разложения нитрозамина. Основным энергогазообразующим веществом является нитрит натрия, преобразующийся в нитрит аммония, который, в свою очередь, преобразуется в кислой среде в нитрозин, при разложении которого выделяется тепловая энергия.

Второй особенностью реакций в предложенном способе является то, что реакции протекают без предварительного подогрева и имеют индукционный период при температуре 20÷25°С - 4 минуты, это время с момента перемешивания до достижения температуры 90°С, что исключает преждевременное развитие реакции в колонне и является одной из мер обеспечения безопасности работ.

Кроме этой меры безопасности способ предусматривает закачку энергогазообразующего состава по внутреннему ряду труб, на котором выше зоны смешения состава и инициатора устанавливают огневой предохранитель. Предохранитель препятствует, в экстренных случаях, распространению окислительно-восстановительной реакции селитры внутри насосно-компрессорных труб и предохраняет трубы, пакер и колонну от повреждений. Пакер на наружных трубах устанавливают на 40÷60 метров выше зоны смешения, и он имеет проходное отверстие, позволяющее пропустить через него внутренний ряд труб.

И третьей мерой безопасности в способе является то, что закачку энергогазообразующего состава производят порциями по 0,5÷1,5 м³, которые чередуют с порциями по 0,2÷0,5 м³ водного 15÷20%-ного раствора карбамида. Раствор карбамида угнетает развитие окислительной реакции и является источником углекислого газа при его дегидратации в пласте. Углекислый газ, при растворении его в нефти, повышает подвижность нефти, снижая ее вязкость (Л.К. Алтунина, В. А. Кувшинов «Увеличение нефтеотдачи пластов композициями ПАВ». Новосибирск «НАУКА». Сибирская издательская фирма РАН, 1995).

На конце внутреннего ряда труб устанавливают завихритель, который обеспечивает необходимое перемешивание энергогазообразующего состава и инициатора.

Количество применяемого энергогазообразующего состава рассчитывают исходя из задачи, стоящей перед исполнителями работ. Данные составы и способы применяют:

а) для очистки призабойной зоны пласта от смол и парафинов;

б) для термогазоциклического метода воздействия на пласт.

При использовании способа для целей удаления смол и парафинов расчет производят из условия прогрева породы в радиусе 0,8÷1,2 метра от скважины. Для прогрева породы на 60°С и расплавления отложений в радиусе 0,8÷1,2 метра от оси скважины закачивают в скважину 1,5÷2,5 объема пор в этой зоне скважины.

Пример.

Скважина имеет продуктивную мощность 10 м. Пористость породы 15%, двукратный объем в радиусе 1 метр от оси скважины пор будет равен:

2πR²*10*0,15=2*3,14*1*10*0,15-V_скв=9,06 м³

где V_скв - объем скважины в продуктивной зоне равен 0,36 м³.

Плотность энергогазообразующего состава - 1400 кг/м³.

Масса состава 9,06*1400=12684 кг или 12,684 т.

Для приготовления данного состава потребуется:

Аммиачной селитры	4,091 т
Нитрита натрия	2,82 т
Аммиачная вода	0,327 т
Вода	4,583 т (м3)
Инициатор - формалин	0,614 т

Определяют необходимое количество тепловой энергии для нагрева породы (цилиндр, если объемом скважины пренебречь) в радиусе 1 метра при теплоемкости породы 700 ккал/м³ прогрев ее с 20°С до 80°С и применив КПД равный 0,4:

14,13*700*60/0,4=1483650 ккал

Проверочным расчетом определяют количество тепловой энергии, образовавшейся из приготовленного состава в результате реакции разложения нитрозина - оно равно 2164581,15 ккал, т.е. выделившегося тепла с избытком достаточно для прогрева породы в радиусе 1 метр.

КПД учитывает потери тепловой энергии в соседний пласт и нагрев воды в растворе и жидкости в порах пласта до необходимой температуры. При мощности продуктивного пласта до 10 метров КПД принимают равным 0,4÷0,6, а при мощности более 10 метров КПД принимают равным 0,5÷0,7.

При использовании способа для циклического воздействия на пласт, прогрев производят в радиусе 5÷8 метров от оси скважины и для прогрева используют количество раствора, равное 1,5 объему пор.

Способ обработки призабойной зоны продуктивного пласта, включающий раздельную закачку компонентов бинарной смеси - энергогазообразующего состава и инициатора горения - по разным каналам двухрядного лифта колонны насосно-компрессорных труб НКТ, инициирование процесса тепло- и газовыделения, отличающийся тем, что энергогазообразующий состав представляет собой водный раствор, содержащий аммониевые соли сильных минеральных кислот, нитрит щелочного металла, стабилизатор для поддержания нейтральной или щелочной среды - аммиачную воду, или щелочь, или кальцинированную соду, или пиридин, энергогазообразующий состав закачивают по внутреннему ряду труб, на котором выше зоны смешения энергогазообразующего состава и инициатора горения устанавливают огневой предохранитель, причем закачку энергогазообразующего состава осуществляют порциями по 0,5-1,5 м³, которые чередуют с порциями по 0,2-0,5 м³ водного 15-20%-ного раствора карбамида, для предотвращения чрезмерного повышения температуры в зоне протекания реакции, в качестве инициатора горения используют формалин или кислоту.