Файл: Кошко, И. И. Техника воздействия на нефтяной пласт горением.pdf

Тепловое равновесие при выбранных условиях иссле­ дований наступало через 20—30 минут.

Испытания показали, что нагреватели с жароупорны­ ми трубками успешно могут работать при температуре до 600° С.

Максимально допустимая температура нагревателей определяется жаростойкостью и сопротивлением ползу­ чести принятых трубок. Важной особенностью нагрева­ телей является способность их выдерживать значитель­ ные колебания температуры.

При нагреве до температуры более 600° С нагревате­ ли становятся гибкими, при этом трубки могут изги­ баться под собственным весом.

Регулирование температуры нагрева может быть обеспечено изменением объема нагнетаемого воздуха или впрыскиванием воды.

При проведении опытов 'было замечено, что даже незначительное поступление с воздухом воды приводит к резкому снижению температуры. Это, по-видимому, объясняется испарением воды в трубе ( 1 г воды при испарении поглощает около 0 , ккал6 тепла).

Поскольку температура воспламенения нефтей обыч­ но не превышает 300—400° С трубчатые электронагрева­ тели позволяют осуществлять нагрев призабойной зоны с целью инициирования горения.

Одним из ответственных элементов электронагрева­ теля является кабельный ввод. Применение обычных конструкций уплотнений в виде .набивных сальников не позволяет обеспечить необходимой надежности кабель­ ного ввода, в связи с тем, что при термических напря­ жениях и длительном воздействии давлением эти саль­ ники не обеспечивают необходимой герметичности. Между тем даже 'при незначительном попадании жид­ кости в полость головки нагревателя происходит замы­ кание >и выход нагревателя из строя.

Известны соединения кабеля с нагревательными эле­ ментами с помощью специальной камеры, заполненной инертным газом под давлением. Провода кабеля в месте ввода в камеру изолируются с помощью набивного саль­ ника со смазкой. Недостатком указанной головки яв­ ляется сложность конструкции и возможность нарушения ее герметичности при неоднократном включении-выклю­

60

чении нагревателя вследствие деформации узла уплотне­ ния из-за термонапряжений.

Известны также и другие конструкции уплотнений кабельного «вода нагревателей. Как правило, эти уплот­ нения сложны и позволяют обеспечить герметичность только на несколько обработок, после чего они подлежат ремонту или замене.

Уплотнение головки нагревателя может быть обеспе­ чено с помощью конусного самоуплотняющегося кабель­ ного ввода. При этом уплотнение достигается путем установки упругого конуса-пробки из электроизоляцион­ ного материала (фторопласт, стеклотекстолит, вини­ пласт и др.) в корпус головки с конусной внутренней поверхностью. Уплотнение проводов кабеля осуществля­ ется с помощью медных стержней, вставленных между проводами и заключенных в упругий конус.

Замена проводов кабеля в месте уплотнения вставкой из металлических стержней гарантирует от проникнове­ ния жидкости в головку нагревателя в .случае повреж­ дения изоляции проводов. Конус предварительно зажи­ мается в корпусе головки с помощью гайки или пружи­ ны. Конструкция узла уплотнения должна быть принята такой, чтобы при повышении давления в скважине про­ исходило самоуплотнение шловки. Геометрические пара­ метры указанного узла могут быть определены расчетом.

Рассмотрим распределение усилий в уплотнителыном узле (см. рис. 19). При повышении наружного давления

на уплотнительный конус вдоль оси действует усилие Gд,

которое передается на внутреннюю поверхность корпуса головки. При этом возникают равномерно распределен­ ные реакции. Для указанного случая может быть запи­ сано уравнение

Рл■kDI = 2 Nr sin 9 + 2 Мтcos 9 + Рх• kDI ,

где Яд и Рг — наружное и внутреннее давления, дей­

ствующие на уплотняющий конус;

D6 и Du — наибольший и наименьший диаметры

соприкасающегося конуса; М т — силы трения на конической поверхности,

соответствующие нормальным силам iVT.

61

Рис. 19. Схема узла уплотнения.

Заменив 0 ж= Рж-ъ-О\ и пренебрегая давлением Рх> получаем

Од = 27VT(sin ср + [х cos ср),

или

0 . = 2AflS. n , ( l + ; £ ) .

где р — коэффициент трения на конусной поверхности. Реакции 2NT могут быть представлены в следую­

щем виде

2 /VT= nDcp‘lK• qy ,

где /к — длина образующей конусной поверхности со­ прикасающихся элементов сальника

D6 ~ D U I = -2 sin <р

qy — удельное давление на поверхности.

Поскольку Dcp = -^~ 2—~ и учитывая предыдущие Уравнения, получаем

62

Проекция конусной поверхности соприкасающихся элементов сальника на горизонтальную плоскость может быть определена из выражения

Величина вертикального усилия может быть опреде­ лена, исходя из удельного давления на конусной поверх­ ности уплотнения, необходимой для обеспечения плот­ ности сальника

G.

F 1 + tg?

Если удельное давление, получаемое от деления осевого усилия G3 на проекцию уплотняющей конусной поверх­

ности сальника на горизонтальную плоскость F, обозна­ чить через <7 д , то можно записать уравнение

Из приведенного уравнения следует, что при у. = 0

?я = V

Чтобы обеспечить на конусной уплотняющей по­ верхности необходимые удельные давления при рас­ четах, можно пользоваться следующей формулой

где ак— ширина проекции уплотняющей поверхности

' б - Д

2

Усилие, действующее на сальник, при принятых усло­ виях, зависит от площади конуса, на которую воздей­ ствует наружное давление. Площадь конуса увеличи­ вается пропорционально квадрату диаметра Dв , а пло­

щадь уплотняющей поверхности на горизонтальную

63

плоскость при принятой величине а и угла ср пропорцио­ нальна разности квадратов диаметров Dg и £>м. Таким

образом, с увеличением диаметра конуса, при прочих равных условиях, эффективность уплотнения сальника улучшается. Важное влияние на эффективность уплот­ нения оказывает величина угла ср. Величина конусности должна быть принята такой, чтобы при повышении на­ ружного давления сальник самоуплотнялся. При боль­ ших значениях угла ср наружное давление может не обеспечить необходимого давления на уплотняющей по­ верхности. При малых значениях угла ср температурные колебания могут привести к защемлению конуса в кор­ пусе головки. Разборка подобного узла уплотнения не представляет ел ожности.

На основании проведенных экспериментальных иссле­ дований установлено, что значение угла ср следует при­ нимать в пределах от 2° до 5°. Конус является самотормозящим, если угол заострения не больше двойного угла трения. При самоторможении конус удерживается от продольного перемещения за счет трения.

На практике возможно частичное несоответствие фор­ мы упругой пробки и конусной внутренней поверхности головки нагревателя. При силовом воздействии на проб­ ку уплотнение головки может быть достигнуто за счет неравномерной деформации конусной пробки. Для усло­ вий работы конуса при упругой деформации расчет уплотнения может быть выполнен по закону Гука.

При больших деформациях, претерпеваемых уплот­ нительным элементом нагревателя, материал не подчи­ няется закону Гука. В рабочем режиме при давлении около 100 кгс/см2 уплотнительный элемент находится в состоянии, близком к всестороннему равномерному сжатию, и контактное давление выше давления жид­ кости, в которой находится нагреватель. Указанная кон­ струкция уплотнения головки нагревателя является простой и надежной .в работе.

Для инициирования горения разработана также уста­ новка повышенной мощности УГЭ-600. Она состоит из скважинного электронагревателя, кабеля КРБК 3x16 и станции управления с автотрансформатором АТСЗ-ЗО. Отличительной особенностью установки является повы­ шенная мощность нагревателя.

64

Для управления работой нагревателя имеется систе­ ма контроля я автоматического регулирования темпера­ туры. В качестве датчика температуры принята термо­ пара.

Автотрансформатор имеет устройство для ступенча­ того регулирования выходного напряжения, что позво­ ляет поддерживать заданный режим работы нагревателя в окважинпх, имеющих разные глубины. От капежа автотрансформатор защищен специальным кожухом. Станция управления вместе с автотрансформатором монтируется в общем блоке.

Техническая характеристика установки УГЭ-600

В целом разработанное оборудование позволяет авто­ номное осуществление процесса термического воздей­ ствия «а пласт движущимся фронтом горения.

Чтобы осуществить горение в призабойной зоне, не­ обходимо напреть ее до температуры воспламенения ■нефти и обеспечить подачу 'Окислителя в потребном количестве.

Предварительный прогрев призабойной зоны может быть обеспечен с помощью нагнетания теплоносителей.

Одним из эффективных способов прогрева скважины является паротепловня обработка (12, 105]. Нагнетаемый в нефтяной пласт пар отдает тепло породе и постепенно конденсируется. Это приводит к некоторому увеличению содержания воды в пласте.

Для паротепловой обработки призабойной зоны сква­ жины могут быть использованы передвижные парогенераторные установки (ППУ, ППГУ, KSK, Такума).

Производительность установок находится в пределах 1—9 т в час при давлении 100—120 кГ/см2 и температу­ ре пароводяной смеси 310—325° С.

В зависимости от термодинамического состояния раз­ личают насыщенный, сухой и перегретый пар (64].

С помощью нефтепромысловых передвижных парогенераторных установок вырабатывается насыщенный

пар, который представляет собой смесь сухого насыщен­ ного пара с жидкостью.

При нагнетании пара в количестве 1 т в час три дав­ лении 100 кГ/см2 и температуре 310° в скважину вво­ дится около 600 тыс. ккал тепла (при степени сухости пара около 75%). Если предположить, что 50% тепла теряется по стволу скважины при вышеуказанном темпе нагнетания пара, то в пласт мощностью 5 ж в течение

25часов может 'быть подано около 7,5 млн. ккал. Поскольку время непрерывной работы установок

ППУ составляет около 4 часов, целесообразно паротеп­ ловую обработку проводить путем поочередного включе­ ния установок в работу. Количество используемых уста­ новок определяется из условия соблюдения заданного темпа нагнетания теплоносителя в пласт и 'Обеспечения непрерывности работы.

Пар нагнетается в пласт в количестве, необходимом для прогрева призабойной зоны, до заданной темпера­ туры, при которой возможно самопроизвольное воспла­ менение углеводородов в процессе подачи в пласт воз­ духа.

Для предварительного прогрева призабойной зоны в качестве перспективного теплоносителя можно исполь­ зовать парогаз высокого давления.

Парогаз представляет собой смесь продуктов сгора­ ния углеводородного топлива с водяным паром. Получе­ ние оарогаза может быть осуществлено в специальном реакторе путем сжигания топлива при высоком давлении и ‘впрыскивания воды.

Топливо и воду необходимо подавать в определенных пропорциях в реактор дозировочными насосами, а воз­ дух — компрессором.

Расчеты показывают, что возможно создание уста­ новки, позволяющей вырабатывать пар и горячие газы, обладающие высоким теплосодержанием (рваным около

300 ккал/кГ).

Для улучшения приготовления горючей смеси целе­ сообразно использовать ультразвуковые горелки [11]. Эти горелки компактны и могут устойчиво работать при среднем и высоком давлении.

Важное значение на эффективность применения ука­ занных методов инициирования горения имеет глубина

66

залегания продуктивного горизонта. С увеличением глу­ бины, возрастают потери тепла по стволу скважины.

Для уменьшения потерь тепла целесообразно сква­ жину оборудовать пакером, а кольцевое пространство заполнить газом, являющимся плохим проводником тепла.

Быстрое повышение температуры в скважине при теп­ ловой обработке может привести !к возникновению зна­ чительных напряжений в трубах. Поэтому нагнетание теплоносителя в скважину целесообразно начинать при малом расходе с постепенным его увеличением до опти­ мального значения.

Задачей первого этапа является прогрев призабойной зоны до расчетной температуры. В дальнейшем процесс возгорания может быть осуществлен за счет реакции окисления.

Анализ и сопоставление различных методов показы­ вает, что паротепловая обработка является одним из эффективных способов прогрева призабойной зоны сква­ жин.

Указанный метод может быть успешно применен для низкотемпературного окисления углеводородов в приза­ бойной зоне скважины. Для многих нефтей реакция окисления может протекать при температуре около 200° С. При этой реакции происходит выделение тепла, что ведет к повышению температуры в пласте.

Интенсивность окисления нефти и протекания термо­ химических реакций возрастает при повышении темпе­ ратуры.

В зоне термохимических реакций нефть подвергается значительным изменениям, при этом образуются легкие углеводородные фракции и коксоподобный остаток, ко­ торый служит основным горючим материалом для под­ держания процесса горения. Интенсивность протекания реакции характеризуется величиной участвующих в го­ рении компонентов в единицу времени.

По мере нагрева породы, в порах которой содер­ жится нефть, происходит подготовка ее к горению. Сна­ чала загораются легкие фракции нефти, а затем — кокс. Воспламенение их происходит, при достижении опреде­ ленных условий (необходимой температуры, наличии кислорода и топлива).

После образования устойчивого фронта горения на­ гнетание воздуха доводят до расчетной ,величины. При нагнетании достаточного 'количества окислителя проис­ ходит полное выгорание коксового остатка, а поры по­ роды освобождаются от нефти. Горная порода поглощает значительное 'количество тепла, 'Выделяющегося при го­ рении. Нагретая зона оказывает существенное влияние на продолжение процесса горения. Нагнетаемый воздух, проходя через указанную зону, нагревается и поступает к фронту горения с высокой температурой, что способ­ ствует стабильности процесса.

Химические способы инициирования горения, как правило, основаны на применении специальных веществ, которые могут гореть в условиях скважин. Эти способы в настоящее время находятся в стадии освоения, а раз­ работанные вещества позволяют вводить в пласт срав­ нительно небольшое количество тепла.

СТАНЦИИ ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ВОЗДУХА И ВОДЫ ПРИ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПЛАСТ ДВИЖУЩИМСЯ ФРОНТОМ ГОРЕНИЯ

Эффективность разработки залежи с помощью внутрипластового горения, в основном, зависит от правиль­ ности выбора компрессорной и насосной станций.

Компрессорная станция служит для компримирова­ ния воздуха и нагнетания его в пласт, с целью создания и поддержания горения. Основное требование, предъяв­ ляемое к компрессорной станции — непрерывность на­ гнетания воздуха. Остановка компрессоров и перерыв в нагнетании воздуха может привести к затуханию про­ цесса внутрипластового горения.

Расход воздуха определяется оптимальной скоростью движения фронта горения по пласту. При недостаточном объеме нагнетаемого воздуха интенсивность горения снижается.

Наиболее простой и перспективной является очаго­ вая схема разработки, по которой воздух обычно пода­ ется в центральную нагнетательную скважину, а нефть добывается из расположенных вокруг нее эксплуата­ ционных скважин.

68

Продвижение франта -горения то -пласту и вытеснение нефти осуществляется за счет нагнетания в пласт воз­ духа, высокой температуры и образующихся продуктов горения.

Для нагнетания воздуха в пласт на месторождении Дели (штат Луизиана), фирма «Сун Ойл К-омпани», исп-ольз-ов-ала два компрессора -с давлением нашета-н-ия до 70 кг/см2 и производительностью 27 м3/ми.н каждый

[112, 1-63].

Компрессоры оборудованы системой -автоматики, ко­ торая по-зволяет -ограничиться только дневным обслужи­ ванием.

Ф-и-рма «Синклер» (США) проводит работы на место­ рождении Хамболдт Штандт (штат Канзас). Нагнета­ ние воздуха осуществляется двумя передвижными ком­

Фирм-а «Кэдэн энд Сан-с» (США) в промышленном масштабе применила процесс внутрипластового горения на месторождении Уэ-ст Ньюпорт (штат Калифорния). Для нагнетания воздуха были сооружены две -компрес­ сорные станции, технические характеристики которых представлены в табл. 5.

Система обора -нефти -при внутриплатном горении обычно выполняется герметичной в связи с токсическим действием газовой части продукции. При этом обезвре­ живание токсичных газ-ов может быть осуществлено в дожигающих устройствах.

69