Способ термохимической обработки прискважинной части нефтяного пласта

 

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, в частности, к процессам термохимических обработок прискважинной части нефтяного пласта. Цель изобретения - увеличение глубины обработки за счет возрастания индукционного периода внутрипластовой экзометрической реакции. Для этого в пласт последовательно закачивают ацетон, водный 30-48%-ный раствор нитрита натрия и 30-35%-ную соляную кислоту. При этом объемное соотношение оторочек данных реагентов соответственно составляет (1,2-2,1):(7,9-10,7):(9,5-21,6). 1 табл.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к термохимическим обработкам призабойных зон скважин.

Целью изобретения является увеличение глубины термохимической обработки прискважинной части нефтяного пласта за счет увеличения индукционного периода внутрипластовой экзотермической реакции между закаченными в пласт химреагентами.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе обработки, включающем последовательную закачку в пласт кислородсодержащего органического соединения или их смесь и кислоты, в качестве кислоты используют 30-35%-ную соляную кислоту, а между кислородсодержащим соединением и кислотой закачивают 30-48% -ный водный раствор нитрита натрия. Соотношение количеств закачиваемых в пласт химреагентов в объемных долях равно V_кс: V_нн: V_сол (1,1-1,8): (7,9-10,7): (9,5-21,6), где V_кс, V_нн, V_сол - соответственно объемы кислородсодержащего органического соединения, водного раствора нитрита натрия и соляной кислоты.

Закачка водного раствора нитрита натрия производится для подачи в пласт нитрита натрия, который взаимодействует с соляной кислотой с образованием азотистой кислоты и хлористого натрия по схеме обменной реакции NaNO₂+HCl⇄NaCl+HNO₂ Азотистая кислота взаимодействует с кислородсодержащим органическим соединением по схеме экзотермической реакции C_mH_nP_p+HNO₂_→CO₂+N₂+H₂O+Q ккал Практически реакция (2) происходит с образованием и сохранением промежуточных продуктов. Например, в экспериментах по вытеснению нефти из модели пласта с использованием предлагаемого способа были обнаружены следующие продукты окисления ацетона: метиловый спирт, муравьиная кислота, формальдегид, метил- и этилформиат, метил- и этилацетат, большая часть из которых хорошо растворяет асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО). При повышении температуры в результате экзотермической реакции (2) эти растворители обеспечивают удаление АСПО с поверхности породы, что увеличивает проницаемость призабойной зоны пласта.

Нитрит натрия по ГОСТ 4197-74 используется в виде его водного раствора как бактериоцид [4] и термогенерирующий агент в присутствии соединений аммония в воде [5] Техническая концентрированная соляная кислота с содержанием хлористого водорода не менее 35 мас. по ГОСТ 857-78 применяется при солянокислотных обработках скважин [6] Кислородсодержащие органические соединения, такие как, например, ацетон, изопропиловый, трет-бутиловый, денатурированный спирты, альдегид уксусный (ацетальдегид), пропиленгликоль, технические метиловый и этиловый спирты широко используются в различных отраслях промышленности, в т. ч. в качестве термогенерирующих агентов при термохимических обработках скважин [3] Отход производства этилового спирта, в основном содержащий смесь спиртов С₁-С₅, а также отход производства ПАВ, в основном содержащий низкомолекулярные продукты окисления парафинов (альдегиды, кетоны, спирты, эфиры), применяются как термогенерирующие агенты при термохимических обработках скважин [3] С целью закачки в пласт как можно меньшего количества воды, которая служит только средством для подачи нитрита натрия, а далее является балластом, необходимо использовать концентрированные растворы нитрита натрия в воде. Предельная растворимость нитрита натрия в воде растет с увеличением температуры: 41,7 мас. при 0^oC; 45,3 мас. при 20^oC и 48,9 мас. при 40^oС [7] В предлагаемом способе концентрация нитрита натрия в воде варьируется в интервале 30-48 мас. При концентрациях меньше 30% как показали эксперименты на модели пласта (см. таблицу), реакция (2) не реализуется или имеет слишком большой индукционный период, затягивается во времени и дает в результате незначительное увеличение температуры в модели. Концентрация 48% близка к предельной растворимости нитрита натрия в воде при 40^oC. Эксперименты при температурах окружающей среды больше 40^oC не проводились по причине малой вероятности такой температуры на дневной поверхности в промысловых условиях. При этом, если температура пласта (Т_пл) меньше температуры на дневной поверхности (Т_пов), необходимо готовить раствор нитрита натрия с концентрацией, близкой к его предельной растворимости, соответствующей этой Т_пл. Иначе нитрит натрия после закачки его водного раствора в пласт частично выпадает там в осадок в результате остывания раствора до Т_пл и "закупорит" поровые каналы породы-коллектора. При Т_пл больше Т_пов уменьшается индукционный период экзотермической реакции в сравнении с таковым при Т_пл≅Т_пов и одновременно возрастает относительная величина поднятия температуры от Т_пл к максимальной температуре реакции (2) (см. таблицу).

Концентрированная соляная кислота в экспериментах на модели пласта имела концентрацию 30-35 мас. 35%-ная соляная кислота товарная кислота с максимальной концентрацией, поставляемая на нефтяные промыслы. При концентрациях меньше 30% как показали эксперименты (см. таблицу), предлагаемый способ практически не реализуется, так как резко увеличивается индукционный период экзотермической реакции, сама реакция затягивается во времени и температура в модели увеличивается незначительно (на 1-3^oC). Это связано с относительно большим содержанием воды в растворах соляной кислоты при концентрациях меньше 30 мас.

С целью проведения экзотермической реакции (2) до полного расходования кислородсодержащего органического соединения, нитрита натрия и соляной кислоты необходимо закачивать их в пласт в количествах, соответствующих стехиометрическим условиям протекания реакций (1) и (2). При использовании индивидуальных кислородсодержащих органических соединений или их смесей известного состава стехиометрические количества рассчитываются обычным порядком с учетом молекулярной массы и плотности применяемых химреагентов. При использовании в качестве термогенерирующих агентов отходов производства этилового спирта или ПАВ их необходимые стехиометрические количества находятся в расчете на основные компоненты в составе отходов или определяются экспериментально путем проведения реакции (1) и (2) в лабораторных условиях.

Суммарный объем химреагентов, закачиваемых в прискважинную часть нефтяного пласта, для случая плоскорадиального движения потоков жидкостей равен, согласно [1, 8] V V_кс + V_нн + V_сол n·h·m·R² (3) где n 3,14;
h толщина эффективной мощности пласта, м;
m коэффициент пористости, доли единиц;
R радиус обработки, определяемый по данным геофизического и гидродинамического исследований и соответствующий блокированной зоне или задаваемый по опыту промысловых работ [1]
V_кс, V_нн, V_сол соответственно объемы кислородсодержащего органического соединения, водного раствора нитрита натрия и соляной кислоты.

Соотношение объемов химреагентов должно быть стехиометрическим и равно V_кс: V_нн: V_cол А: В: С (4), где А, В, С - стехиометрические коэффициенты по реакциям (1) и (2), объемные доли.

Из (3) и (4) находятся объемы закачиваемых химреагентов:

В реальных условиях, когда призабойная зона пласта обводнена, а порода коллектора содержит карбонаты, будет происходить разбавление оторочки кислородсодержащего органического соединения водой и непроизводительный расход соляной кислоты на реакцию с карбонатной составляющей породы. Это может значительно снизить эффективность предлагаемого способа обработки вплоть до невозможности осуществления внутрипластовой экзотермической реакции (2). Для "осушения" прискважинной части нефтяного пласта необходимо, например, предварительно закачать ацетон или другие вещества, применяемые с этой целью. Согласно рекомендациям [1] в зависимости от обводненности пласта размер оторочки ацетона может достичь 10% от объема пор обрабатываемой части пласта.

Дополнительное количество соляной кислоты, требующееся на реакцию с карбонатами породы, было установлено экспериментально. В модель нефтенасыщенной пористой среды последовательно закачивали кислородсодержащее органическое соединение ацетон, 30%-ный водный раствор нитрита натрия и 35%-ную соляную кислоту в стехиометрических объемных соотношениях 1,4: 10: 12. Данные о повышении температуры в модели фиксировали встроенными термопарами. После окончания экзотермической реакции, что определялось по началу снижения температуры, в модель закачивали жидкую двуокись углерода для вытеснения продуктов реакции и их последующего анализа на содержание ацетона и соляной кислоты. При этом варьировали степень карбонатности (К) породы от 0 до 1,0. Остаток ацетона в продуктах вытеснения свидетельствовал о недостатке соляной кислоты из-за ее расхода на реакцию с карбонатами. Следующие эксперименты проводились в аналогичных условиях, но с последовательным увеличением количества соляной кислоты на 20% от предыдущего. Опытами установлено, что при 10% карбонатности (К 1,0) количество соляной кислоты должно быть увеличено в 1,8 раза по сравнению с ее количеством при К 0. В интервале увеличения степени карбонатности от 0 до 1,0 объем закачиваемой 35%-ной соляной кислоты в соответствии с экспериментами возрастает в (1-0,8К ^1/4) раза. Эксперименты с 30% -ной соляной кислотой показали, что в пределах ошибки экспериментов (3-5% ) дополнительный объем этой кислоты можно рассчитывать с помощью предыдущего выражения.

Таким образом, объемы закачиваемых в обрабатываемую зону пласта кислородсодержащего органического соединения, водного раствора нитрита натрия и соляной кислоты в зависимости от концентраций растворов нитрита натрия и соляной кислоты и степени карбонатности породы пласта рассчитываются по выражениям:

Расчеты стехометрических коэффициентов в единицах объема показывают, что величина "А" в зависимости от применяемого кислородсодержащего органического соединения находится в интервале 1,1-1,8. Величина "В" изменяется в зависимости от концентрации водного раствора нитрита натрия (30≅C_нн ≅48 мас.) по формуле В 17, 8-0, 26·С_нн. Величина "С" изменяется в зависимости от концентрации соляной кислоты (30≅ C_сол≅35 мас.) по формуле С 28,1 - 0,46· C_сол. Подстановка в (6) экстремальных значений С_нн 30 и 48% К 0 и К 1; С_сол 30 и 35% приводит к соотношениям:
V_кс: V_нн: V_сол (1,1-1,8): (7,9- 10,7): (9,5-21,6)
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретания с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается от известного введением новых закачиваемых в пласт химреагентов, а именно: водного раствора нитрита натрия и концентрированной соляной кислоты. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна.

Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и другими известными техническими решениями (аналогами) показывает, что закачка в пласт кислородсодержащих органических соединений, соляной кислоты и нитрита натрия известны [2, 3, 5, 9] Однако их применение в других сочетаниях друг с другом [9] или с другими компонентами [2, 3, 9] не обеспечивает способу обработки прискважинной части пласта такое свойство, которое они в совокупности проявляют в заявляемом решении, а именно, значительное увеличение индукционного периода внутрипластовой экзотермической реакции и как следствие увеличение глубины термохимической обработки прискважинной части пласта. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию существенные отличия.

Примечания к таблице
1. Закачиваемые в модель химреагенты находились в объемных стехиометрических соотношениях.

2. Все эксперименты проводились при температуре окружающей среды 20^oC. В экспериментах, когда температура в модели была 40^oC, температура растворов нитрита натрия, соляной кислоты и кислородсодержащего органического соединения перед закачкой в модель поддерживалась термостатом также равной 40^oC.

3. В качестве пористой среды использовался кварцевый песок, насыщаемый нефтью Пионерского месторождения Татарии до 50% от объема пор. Дополнительно проведенные эксперименты с нефтями других месторождений (Русского и Усинского) дали результаты, не отличающиеся в пределах погрешностей экспериментов от данных таблицы.

4. В экспериментах по способу-прототипу использовался раствор азотнокислого аммония в 45%-ной азотной кислоте, так как такая смесь обеспечивает согласно прототипу максимальные значения индукционного периода экзотермической реакции.

5. Искусственная смесь в эксперименте N 30 и 31 состояла из этилового спирта и ацетальдегида в соотношении объемов 1: 1.

Как следует из данных таблицы, индукционный период экзотермической реакции по предлагаемому способу превышает таковой по способу-прототипу в зависимости от вида кислородсодержащего органического соединения в 2,7-10,2 раза. В соответствии с выводом [3] о зависимости радиуса (глубины) обработки от величины индукционного периода этот радиус по предлагаемому способу обработки будет больше такового по способу-прототипу в 1,6-3,2 раза.

Пример 1. Обрабатывают прискважинную часть нефтяного пласта толщиной 1 м и в радиусе 10 м. Пористость и карбонатность породы соответственно 0,2 и 0,8; пластовая температура 20^oC; обводненность пласта 0,8; температура на дневной поверхности 15^oC. Предварительный расчет стехиометрических условий реализации экзотермической реакции при последовательной закачки в пласт ацетона, 30%-ного водного раствора нитрита натрия и 35%-ной соляной кислоты дает объемное соотношение количеств этих компонентов, равное V_ац: V_нн: V_сол 1,4: 10: 12. На дневной поверхности подготавливают ацетон в количестве V_ац (1,4·3,14·1·0,2·100): 23,4 3,76 м³; соляную кислоту в количестве V_сол (12·3,14·1·0,2 ·100): 23,4 32,21 м³; и 30%-ный водный раствор нитрита натрия в количестве V_нн (10·3,14·1·0,2·100): 23,4 26,84 м³. Для "осушения" прискважинной части пласта продавочным агрегатом АзИНМАШ-30 с производительностью 7,92 м³/ч в остановленную скважину закачивают дополнительный ацетон в количестве 0,1·3,14·0,2·1·100 6,28 м³. Далее последовательно закачивают подготовленные заранее ацетон, водный раствор нитрита натрия и соляную кислоту. Вслед за кислотой в скважину закачивают 2 м³ продавочной жидкости, на что требуется 5 мин. Индукционный период внутрипластовой экзотермической реакции в условиях применения вышеназванных химреагентов равен 384 мин. На различные подготовительные операции и выдержку в пласте закаченных химреагентов имеется 384-249-5 130 мин, где величина 249 мин соответствует времени закачки соляной кислоты. После завершения экзотермической реакции в пласте и снижения давления до некоторой слабо изменяющейся от времени величины запускают скважину в работу.

Пример 2. Инициируют процесс внутрипластового горения в прискважинной части нефтяного пласта толщиной 3 м в радиус 4 м. Пористость и карбонатность породы соответственно 0,25 и 0,1; пластовая температура 20^oC; обводненность пласта 0,8; температура на дневной поверхности 15^oC. Используют ацетон, 30% -ный водный раствор нитрита натрия и 35%-ную соляную кислоту. Для "осушения" прискважинной части пласта продавочным агрегатом АзИНМАШ-30 с производительностью 7,92 м³/ч в остановленную скважину закачивают ацетон в количестве 0,1·3,14·0,25·2·16 2,51 м³. Далее последовательно закачивают вновь ацетон в количестве V_ац (1,4·3,14·3·0,25·16): 23,4 2,25; 30%-ный раствор нитрита натрия в количестве V_нн 10·3,14·3·0,25 ·16: 23,4 16,10 м³ и 35%-ную соляную кислоту в количестве V_сол (12·3,14·3·0,25·16): 23,4 19,32 м₃. Вслед за кислотой закачивают 2 м³ продавочной жидкости. После завершения экзотермической реакции в пласте, что фиксируется по началу снижения давления, начинают закачивать воздух с расходом 300 нм³/сут на 1 м мощности коллектора. По истечении необходимого времени для создания стабильного очага горения его продвигают в заданном направлении.

Формула изобретения

Способ термохимической обработки прискважинной части нефтяного пласта, включающий последовательную закачку в пласт кислородсодержащего органического соединения или их смесь и кислоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения глубины обработки за счет возрастания индукционного периода внутрипластовой экзотермической реакции, в качестве кислоты используют 30 35%-ную соляную кислоту, причем после закачки кислородсодержащего органического соединения закачивают водный 30 48%-ный раствор нитрата натрия, а соотношения закачиваемых в пласт реагентов, объемные доли:
Кислородсодержащее органическое соединение или их смесь 1,1 1,8
Водный раствор нитрида натрия 30 48%-ной концентрации 7,9 10,7
Соляная кислота 30 35%-ной концентрации 9,5 21,6

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2