Фильтрация с фазовыми превращениями и химическими реакциями тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ6 од

ТЮМЕНСКИМ ГОСУДАРСТВШШ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукоштси

ФЕДОРОВ КОНСТАНТИН МИХАИЛОВИЧ

ФИЛЬТРАЦИЯ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ И ХИМИЧЕСКИМИ РЕЛИГИЯМИ

(01.02.05 - механика жидкости, гэ?а и плазмы)

Автореферат диссертация из соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Тюмень - 1993

Диссертация вшоллена в Институте ызханшса каогофазных систем Сибирского отдаления Российской Академии наук.

Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук 0.В.Воинов доктор технических наук Ю.Е.Батурин доктор технических наук Н.И.Хисамутдинов

Ведущая организация.- Институт проблем механики РАН

Защита состоится "■З/Ц" ншя 1933 г. в 1430 на заседании специализированного совета Д 064.23.01 в Тшанском государственно« университете по адресу: 625003, г.Тшень, ул.Семакова 10, ауд. 114 физического факультета ТюыГУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тшенского государственного университета.

Автореферат разослан мая 1993 г.

¡1.0. ученого секретаря специализированного совета,

д.ф.-м.н., профессор

Л.Е.Мальцев

ОЕЗАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮТЫ

Актуальность темы.

Последние продвижения в развитии подземной гидромеханики связаны с решением проблемы повышения эффективности извлечения нефти и газа из недр и разработки нетрадиционных углеводородных запасов: тяжелых внсоковязких нефтей, битумов, газовых гидратов. За последние два - три десятилетия разработан целый ряд новых .прогрессивных технологий, позволящих расчитывать на существенно более полное извлечение углеводородов из недр. Основы этих технологий можно условно разбить на четыре основных направления: использование тепла для снижения вязкости добываемых нефтей, физико - химическое воздействие химреагентов, закачиваемых в пласт с целью изменения условий смачиваемости и снижения поверхностного натяжения, закачка реагентов, вступающих в реакцию с пористой средой и пластовыми жидкостями и гидродинамические метода воздействия, основанные на изменении структуры потоков в пласте.

Анализ, эф&эктивности этих методов воздействия на залежи углеводородов стимулировал развитие теории многофазных течений в пористых средах в направлении учета аффектов, связанных с фазовыми переходами, физико - химическими превращениями и химическими реакциями в пористых средах.

В исследованиях процессов закачки пзра в пласт, проведенных М. Г. Алишаенга с соавторами (IÎ55), А. А. Бсхсармаюм с соавторам! (1975), Л. iî. РубгаотеЕком (IS72), Э. Б. Чйкзлекс-м, К.

A. Огановым (1979), К, H. Coati (1976), J. И. Мах, н. и. Langerheira (1959), M. D. Sutler, Т. С. Boberg (1972), В. T.

wiliiaann et. al. (1961) и др., сформулирована задача о структуре теплового поля в пласте и подхода к ее резешго. Моделирование процессов физико - химического воздействия на пласт, рззработзнкоэ в работах П. Г. Бедрикевецкого (1932), А. Ф. Зазовского (1985),

B. М. Ентова (1989), Р. И. Нигмгтулина, И. Л. Сургучова с соавторами (1982), Н. А. Токаревой, 0. Э. Цынковой (1981), п. м.

Healy, R. Ь. Reed (1975), П. G. Larr.cn, G. J. Hirasaki (1978), R.

C. Helson, G. A. Pope (1970) И ДР., ПСКЭЗаЛО МЮГООбрЗЗИЭ

гидродинамически/ схпм вытеснения нефти даже одними и теми же

реагентами. Изучение процессов, связанных с химическими рэакцияма реагентов с пористой средой (Г. А. Аксельруд, М. А. Альтшуллер (1983), В. С. Голубев, В. А. Грабовнжов (ККЗ), Г. 3. Ибрагимов, Н. И. Хисамутдинов (1983), В. В. Williams, J. L. Gidley, R. S. schechter (1979) и др.), с окислением нефтей в пористой среде (И. И. Богданов, В. М. Ентов, Л. А. Чудов (1989), Н. К. Байбаков, А. Р. Гурушев (1981), Ю. М. Келтов (1990), И. Н. Стршюв (1936), Ж. Бурже с соавт. (1989), к. н. coats (îeeo) и др.), позволила сформулировать основные проблемы фильтрации с учетом химических реакций. Анализ проблемы разлсиения газовых гидратов в пористых пластах, проведенный Э. А. Бондаревым с соавторами (1976), И»;.Д. Хабибулиным, Г. А. Хэликовым (1980), в. d. Sloan (1990),/лД.\лЫ. Максимовым, Г. Г. Цыдкиным (1990) и др., показал, что наряда со стефановскш режимом плавления могут существовать режиг.ш с об'емным разложением гидратов.

Формулировка новых проблем в соединении с успехами в развитии математического аппарата решения система уравнений, описыващей многогфазное течение е пористой среда в крупномасштабном приближении, достигнутыми в работах П. Г. Бедриковецкого, В. М. Ентова, А. Ф. Зазовского, В. М. РцмШСа, F. G. Helfferich, G. L. Hirasrki, G. A. Pope, C, Wachman, II. J. Weldge и др. , ПОЗВОЛИЛИ

автору взглянуть и проанализировать с общих позиций проблему многофазной фильтрации с учетом фазовых превращений и химических реакций. Ряд продвижений в этом направлении достигнут с использованием численных решений, методы получения которых опираются на результаты исследований X. Азиса, 3. Сеттари, В. И. Деви, Я. М. Зайдэля, В. Б. Саранчука, Л. А. Чудова.

Актуальность работы, охватывающей широкий спектр процессов с фазовыми превращениями (испарение - конденсация, раствороние и разложение растворов, плавление) и химическими реакциями (выщелачивание рудоносных коллекторов, карбонатных пластов, низкотемпературное окисление нефти), диктуется как необходимостью развития теории многофазной фильтрации, так и запросами практики: созданием научных основ технологий воздействия на залежи с целью повышения эффективности извлечения углеводородов из недр.

№лью работа является обобщение и развитие основных положений

теория фильтрация с фазовыми превращештш и химическими реакциями на конкретных примерах теплового, физико - химического и других воздействий на залежи углеводородов.

Научная новизна.

Впервые с общих позиций в рамках моделей многофазной многокомпонентной фильтрации дано описание широкого класса процессов, сопровождающихся фазовыми переходами (конденсации -испарения, растворения - разложения растворов, плавления -кристаллизации), химическими реакциями с пористой средой и окисления нефти; выявлены основные структуры тепловых ' и концентрационных полей, возникающих в пластах и гидродинамические схемы течения, даны новые трактовки конкретных механизмов повышения эффективности извлечения углеводородов из недр.

Практическое значение.

Развитая теория фильтрации с фазовыми превращениями,.. и химическими реакциям? является неот•емлемым элементом научного фундамента теории и практики проектирования мероприятии по повыше кию эффективности извлечения углеводородов из >'-:яр. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы на стадии поиска методов наиболее эф$зктивного воздействия па залежь, сопоставительного анализа. Обобщения, представленные z работе, имеют методологическую ценность при исследовании других процессов с фазовыми переходами и химическими реакциями в пористой среде.

Реализация результатов работа.

Полученные результаты позволили расширить и углубить теоретические представления о процессах многофазной фильтрации. Частично эти результаты вошли в монографии Р.И.Нигматулина "Д1'т«.:ка многофазных сред", А.Х.Нирзаджанзаде, Р.И.Нигматулина, К.М.аедсрова и др. "Теория и практика прженения неньитоновских систем в нефтедобыче", В.В.Бэшировэ, В.П.Карпова, К.М.Федорова "№>)> »газотермическая обработка призабойной зош и пласта в целом", учебное пособие В.В.Баширова, К.М.Федорова "Н'-'изотормпческая фильтрация". Методические результаты отражены в акчп'урсах "Неизотермическая фильтрация", "Основы теории аи.'ч Ч'щии", прочитанных автором на кафедре подземной гндр'Я'Паники БагаГУ, мехашжи многофазных сред ТшГУ.

Практические выводы работы вошли в отрмяевой оОзоу В1Ш10ЭНГ и отраслевую периодику, стаидарт на натод шу трилластового производства вытесняющего агента ПО Башна^п*, методику расчета процесса вытеснения нефти газом высокого давления СевКавНИПИнефть. Автор участвовал в разработке конкурсной технологии для разработки Русского месторождения и рекомендаций да оценке эффективности применения забойных парогенераторов в НПО Союзтермнефть.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов следуют' из того, что они получены на базе методов механики многофазных сред и современного математического аппарата, сопоставлены с аналитическими решениями, экспериментальными данными других авторов и теш, в постановке которых участвовал автор.

На защиту выносятся следуюцие положения.

1. Ряд оригинальных математических моделей многофазной фильтрации с учетом фазовых переходов и химических реакций.

2. Разработка методик аналитического и численного исследования ряда процессов теплового и физико - химического воздействия на нефтяные пласты и пласты, содержащие гидрат газа.1 ■

3. Методики обработки данных по фазовому равновесию углеводородных смесей, необходимые для теоретического исследования.

4. Результаты аналитического и численного исследования процессов:

- вытеснения нефти из пласта горячей смесью вода и газов горения,'

- вытаснания нефти паром,

- вытеснения нефти парогазовой смосью,

- мицеллярно-полимерного воздействия на пласт,

- внутршластового выщелачивания рудоносных пористых пластов раствором кислоты,

- внутрипластового создания вытесняющего агента на базе со2 в карбонатных коллекторах,

механизм и основные режимы разложения гидратов углеводородного газа в пористой среде.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы апробированы на Всесоюзных семинарах по численным методам решения задач фильтрации многофазной жидкости (Баку 1978, Ташкент 1980, Москва 1954, Новосибирск 1986, Москва 1990), Всесоюзных семинарах по современным проблемам теории фильтрации (Москва 1984, Москва 1990), 6 и 7 Всесоюзных сездах по теоретической и прикладной механике (Ташкент 1936, Москва 1991), Международных конференциях по проблемам тепло- и мзссопереноса в пористых средах (Краснодар 1989, Турция 1533, Греция 1990, Минск 1992, Москва 1992). Результата обсувдзлись также на семинарах ряда ведуцгас специалистов в области фильтрации: академика ¡Шгматулина V. И. (Москва, Тюмень), академика Мирззджанзаде А. X. (Баку), академика Христиановича С. А., профессора Ентоеэ В. М. (Москва), профессора Басзшева К. С., профессора Бвдриковецкого П. Г. (Москва), профессора Горбунова А. Т. 'Москва) и др. А также на многочисленных отраслевых научно-технических семинарах по проблемам нефтедобычи и методам увеличения нефтеотдачи пластов..

Публикации. По теме диссертации опубликованы две монографии, учебное пособие, отраслевой обзор, Солее 60 работ, 4 авторских свидетельства на изобретение.,

...Структура и об'ем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, закдхленля и приложения, содержит 237 страниц, включая 65 рисунков и 231 библиографическую ссылку.

КРАТКОЕ СОДЕЕХАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении формулируется цель, актуальность, научная новизна и практическая значимость исследований, изложенных в диссертации. При этом особое внимание обращается на место развиваемого подхода в теории фильтрации и теории разработки залежей углеводородов.

- 7 -

I. Капиллярная гидродинамика процессов многофазной фильтрации.

Первая глава носят в большей степени обзорный характер и дает общие представления о процессах, происходящих на уровне отдельных пор при двухфазной фильтрации. На основе опытов по визуализации двухфазных течений в порах, в постановке которых участвовал автор, делается анализ соотноиения сил, приводящих к удерживанию диспергированной нидкости в порах. Эти оценки показали, что в гидрофильных пористых средах количество защемленной нефти определяется в основном значением безразмерного капиллярного числа (мс), при атом значительное снижение количества защемленной нефти наблюдается при н_ > ю"3. В гидрофобных пористых средах аффект защемления нефти определяется как капиллярным числом, так., и значением краевого угла смачивания. Вовлечение нефти в движение в этих средах происходит при больших значениях > •.<

В свете этих результатов делается обзор данных экспериментальных исследований по влиянию параметров фильтрации на фазовые проницаемости. Показано, что при N . ю"3 происходит уменьшение практически до- нуля остаточной насыщенности не смачивающей жидкости, а при - ю"'и смачивающей фазы. Влияние температуры на фазовые проницаемости происходит следующим образом-, при повышении температуры до кипения одной из жидкостей изменение фазовых проницаемостей невелико и обусловлено в основном перестройкой структуры потока (при стремлении соотношения вязкостей фильтрующихся фаз к единице размер включений диспергированной жидкости уменьшается до размеров одней поры). При переходе одной из фаз в парообразное состояние скачком меняются фазовые проницаемости, как следствие скачкообразного изменения условий смачиваемости пористой среды.

Таким образом, модель фильтрации многокомпонентных жидкостей и жидкостей, претерпевающих фазовый переход, может быть обобщением известных моделей многофазной фильтрации, в которых фазовые проницаемости зависят помимо наеыщенностей от температуры и состава фаз (которые определяют условия смачиваемости . и капиллярное число). Однако приведены также данные экспериментов, которые указывают, что капиллярные эффекты (скачок капиллярного

давления) на укладываются в приведенную схему. В целом автор в данной главе прослеживает связь результатов исследования микромеханкки многофазной фильтрации с поведением фильтрационных параметров в зависимости от температуры, краевого угла скачивания, поверхностного натяжения и др.

2. Химическая термодинамика насыщенных пористых сред.

Еще одной неот'емлемой частью теории фильтрации с фазовыми переходами и химическими реакциями является химическая термодиналпжа процессов. В этом разделе приведены методики определения фазового равновесия различных углеводородных систем. Для простых систем типа вода - метан в области гидратообразования гипотезы Генри и Рауля о разбавленных растворах позволяют проводив расчеты фазового рэзновесия теоретически. 3 более сложных случаях углеводородных смесей вблизи критической тоща для построения фазовых диаграмм равновесия необходимо использовать эмпирическиз уравнения состояния типа Пенга - Робинсона, трзбугщие довольно большего числа констант. В случае еще более сложных систем мкцзллообрэзующих ПАВ, води и нефти приходится .уже ограничиваться чисто эмпирическими диаграммами состояния систем.

Лля целей теоретического исследования _ очень важно ограничиваться приближением двух или трехкомпокентного состава потока, в этом случае получаемые результаты мояио наглядно проанализировать и обобщать ка более сложные системы. В работе рассмотрены возможности группирования углеводородных систем в псевдотрехксмпопентные и обсуждаются погрешности, вносимые этим группированием. На основе расчета фазовых диаграмм реальных систем показано, что гидрат мотана в пласте з равновесии может существовать в четырех состояниях: однофазном (кристаллическом), двухфазном (с избытком воды или газа) и трехфазном (в равновесии с водой и газом); уточнены условия смешивающегося режима вытеснения на месторождении нефти Озек - Суат.

В ланкой главе анализируются основные положегая о юяюткко химических реакций в пористых средах. Представлены оригинальны*

- У -

результаты по экспериментальному иселадззатаа процесса низкотемпературного окисления нефти Яунлорского иэстороксзния: их обработка и анализ. Установлена слабая зависимость параметров окисления от давления (до 5%) и значительная зависимость от скорости фильтрации (особенно при ¡«алых скоростях менее 0.1 см/мин).

3. Неизотермическая фильтрация с фазовыми переходами.

В данной главе рассмотрены вопросы теплового воздействия на нефтяные пласты-, эволюция теплоЕэго поля и гидродинамика вытеснения нефти. При вытеснении нефти из пласта паром, пэрогазом формируются области трехфазного течения аадкости. Этот случай не поддается аналитическому исследованию, поэтому вопросы трехфазной фильтрации проанализированы численно на более простой задаче: вытеснению нефти смесью горячей воды и газа. В результате показано, что гидродинамика вытеснения нефти существенно зависит как от глубины проникновения в пласт теплового поля, так и от взаимодействия фаз в нещюгретой зоне перед тепловым фронтом.

Структура теплового шля в пласте при наличии фазовых переходов, испарения - конденсации воды, анализировалась сначала в упрощенной постановке аналитически. Рассматривалась задача о вытеснении нефти паром, при этом пар и вода об'единились в одну фазу с эффективными параметрами. Экстракцией углеводородов в газовую фазу пренебрегалось. Процесс считался . локально равновесным, т. е. температуры и давление фаз принимались равными в каждой точке пласта. Расчитывались следующие параметры потока: температура, нефтенасыщенность и концентрация пара в пароводяной фазе.

В результате исследования структуры фронта фазового перехода показано, что фронт конденсации пара распадается на два температурных фронта: медленный - охлаждение пара до температуры насыщения и быстрый - собственно фронт конденсации, на котором температура пласта снижается до начальной. Также на два температурных фронта распадается и фронт испарения. В

крупномасштабном приближении (пренебрежение эффектами диффузии, теплопроводности, кинетики фазовых переходов) решение является неединственным из - зэ немонотонной зависимости вытесняющих свойств пароводяной смеси от температуры. Исследование структуры фронта конденсации с учетом локальных эффектов теплопроводности и кинетики конденсаций позволяло сформулировать дополнительное соот!!ошение для выборч физически обоснованного решения.

Анализ процесса с учетом эффектов трехфазного течения проводился численно в рамках схемы Ловерье. Данная схема заключается в приближенном учете поперечной теплопроводности п сводятся к одномерной задаче, в которой теплогаз потери в вдова» к подопву пласта апрсксимируются источншсоеым членом - оО'оттт геплопотерямя. Числгнчне решения данной задачи показали, эволюции теплового поля в пласте при закачке пара и парогаза можно разбить на три этапа. На первом этапе распространение температурного поля вглубь пласта происходит в виде двух фронтов: фронта конденсации и фронта остнеэния теплового агента до температуры насыщения. Этот режнм качественно описывается и аналитическим решением. На втором этапе происходит остановка фронта конденсации и выделение нерад ним растущей з«ш вытеснения нэфти горячей водой. На последнем этапе происходит фэр.лфовавие стационарного температурного поля, при котором тепло, вводимое в пласг, равно теплу, теряемому в хрояго я подошву. Зависимость распределения темперах, рн в пласте от грзменя, йялвстриругчгя приведенные вывода, нряьед.заз па рис I.

Эффективность вытеснения яу*ти паром н парегззен определяется: размерам! зога локализации теплового поля и гидродинамикой течения охлаждешых агентов. ГИдродшюяка ЮТспяя охлажденных агентов в свою очередь определяется составом закачиваемого агента, при этом зависимость зсГфзктншюсти вытеснения нефти от закачиваемого состава им°ет немонотонный характер с максимумом. Пример, подтверждайся данный факт, приведен на рис. 2. При этом необходимо учитывать, что результата сопоставительного анализа динамики вытеснения нефти различными тепловыми агентами существенно зависят от выбора характерного масштаба времени процесса. При выборе в качестве этой величины

- И -

Рис.1, Распределение безразмерной температуры в пяаста в различные моменты времени ( т - приведенный об'ем закачаниаго агента, х -безразмерная координата) при вытеснении нефти а) паром,б) парогазом. Расчетные данше.

Рис.2. Зависимость коэффициента вытеснения нефти от безразмерного времени при различных составах ьатоснягЕего агента. Расчетные данные;« 1) влажный пар,

2) сухой пар,

3) парогазовая смесь (Ш - пар % инертный газ)

- 12 -

1)' t » 3, 2) t - 10, 3) t = 25 1) t » 5, 2) t = 10, 3) t = 15

4) t = 70, 5) t > ICO ШШ. 4) t =20, 5) t =. 50, 6) t > 60

Рис.З. Экспериментальные данные по распределения температур! d пласте в различные моменты времени при вытеснении нефти з)пэром,

О)пзрсгвзом.

0.9 £ 0.6

0.3

'/t?3 -^Г-О"

í

Рис.4. Зазиснсмость коэффициента вытеснения нефти от приведенного об'ема жидкости внтекаотей из модели пласта. Экспериментальные

ДЗКШе ПО ЕНТССКвНйЯ а) паром, б) парогазом ( состав пзрогаза - n2=7o % , coa= is % ,

CH^-IS»)

О

С

13 -

времени закачки одного порового об'ема чвнясеого агента, времени получешш на выходе порового оО'енаиа жадности, вБвдеаш в пласт определенного количества теплоты и т. п. результата данного анализа могут быть качественно и количественна рззшчш.

Для проверки достоверности полученных результатов бшш проведены экспериментальные исследования процессов вагеснешя нефти паром и парогазом из линейной модели пористой среды. Результаты, качественно подтверждающие полученные вывода относительно эволюции теплового поля и динамики вытеснепия нефти, приведены на рис. 3 и рис. 4.

4. Гидродинамика двухфазной фильтрации с физико - химическими превращениями.

В данной главе анализируются физико - химические превращения растворов на основе мицеллообразухшх ПАВ, закачиваемых" в ■ пласт для увеличения нефтеотдачи. Анализ проводится в рамках крупномасштабного приближения или, так называемых, композиционных моделей.В раьзсах этого приближения не учитываются эффекты диффузии компонентов, влияния капиллярного скачка давлений на относительное двиасзкия флюидов и кинетики массообмана.

Если состав мицеллярной системы к пластовых жидкостей сгруппировать в три псевдокомпонента! ПАВ -вода-нефть, то в рамках указанного приближения можно получить наглядное аиалиииескоз решение. Техника построения таких реаений разработана В. М. Ентоьым, А. Ф. Зазовским, П. Г. ¡млряксвецкши Анализ условий сохранения на произвольном скачке концентрации ПАВ показал, что возможны два принципиально различных ракнма вытеснения нефти раствором мицеллообрэзумцего ПАВ: порашевой, при котором раствор Полностью вытесняет юфть из пористой среды не меняя при этом своего состава, и решме частичного .смешивания, при которой раствор исходного состава реагируя с пластовым! флюидами переходит А другое состояние. Изменение состава раствора по мере движения его по пласту в последнем случае зависит от типа закачиваемого рзстбора (углеводородные, водные мицеллярные растворы). Результаты

- 14 -

1.0 г

0.5

О

■ у

//

/У

А

//L

расчетные данные

экспериментальные данные

Healy, Reed (1975)

05

К

1.0

Рис.5. Зависимость коэффициента вытеснения остаточной нефти водным мицеллярным "раствором от приведенного оО'ема закачанной жидкости при различных скоростях вытеснения (1-150, 2-30, 3-3 см/сут).

fb

ОА

02

О

г--у ■о V

л

о ? -а.

- расчетные данные,

с » о экспериментальные ' данные Davis, Jones(1963)

Ö. 5" ^ l.o

Рис.6. Доля нефти в потоке на выходе из модели пласта при вытеснении углеводородным мицеллярным раствором.

- 15 -

расчетов баян проверены путем сопоставления с экспериментальными данными, рис.. 5, 6. Главные результата этих исследований состоят в анализе основных гидродинамических схем вытеснения нефти из однородных пластов мяцеллярныш растворами различных типов.

В данном разделе проэналиэироаны также основные причины разрушения оторочек химреагентов в пласте. Помимо известных: адсорбции ПАВ, дисперсии компонентов, установлен механизм гидродинамического удерживания углеводородных мицелляршх растворов. Проиллюстрирован механизм потери устойчивости оторочки мицеллярного раствора при ее движении по неоднородному пласту.

Б, Нестационарная фильтрация при наличии химических реакций.

Материалы, представленные в главе, связаны с решением проблем подземного выщелачивания рудных залежей и инцшшрования горения нефти путем закачки в пласт воздуха. Первый класс задач описывает процессы извлечения из недр полезных ископаемых с помощью технологии перевода их в пласте в подвижное состояние путем реакции с кислотами, е результате которых образуются водорастворимые соли, выносимые с потоком вода через скважины на поверхность. Получении аналитические решения одномерных задач выщелачивания заленей окислов урана и малахитовой руды. Данные решения показывают изменения фильтрационных параметров среды и основные закономерности формирования и эволюции продуктивного потока.

Рассмотрена основы технологии получения вытесняющего агента (смеси СОг и воды) путем закачки в карбонатные пласты раствора соляной кислоты. На основе проведенного анализа этой задачи разработана методика расчета внутрипластового производства витеспящего агента к представлен вариант разработки этим способом участка Сергеевского месторождения.

В силу больших временных масштабов рассматриваемых процессов кинетика химических реакций, как правило, не играет какой - либо существенной роли. Однако есть одно исключение, где име-шо кинетика процесса определяет его существо. Это процесс организации

д

/\ 3 1

_^ у /

/

1 .../...

6 10 20 30 40 г,м

310 3 00 290

\\ 7>

к 1 1 2

/ 5 3

3 6

А /5

п

г*

1 Нг

Ю ¿0 30 АО

I

I

/

О 3 6 10 20 30 40

Рис.7. Распределение теплового поля, концентрации кислорода и нефтенаскщекности в пласте через: 1 - 23.34; 2 - 31.12; з - 34.91; 4 - 35.01; 5 - 46.68 суток после начала нагнетания воздуха для параметров Русского месторождения.

_ 17 _

внутркплзетового горения в нефтяных пластах. В этом случае . характерное время реакции при низкотемпературной окислении <т -20°с) . достигает месяцев и нескольких лет, по при повышении температуры резко падает до долей секунд. Для анализа этой задачи разработана приближенная модель процесса, учитывающая движение нефти и воздуха, реакцию окисления нефти воздухом и изменение компонентного состава потока, изменение температуры пласта и учет ее влияния на кинетику реакции.

Полученное численно - аналитическое решение позволило установить механизм воспламенения нефти в пласте. Первоначально кислород, закачиваемый с воздухом в пласт, равномерно поглощается в плзсте, при этом температура в призабойной зоне плавно повышается. Далее происходит -формирование температурного максимума, который определяется оптимальным сочетанием значений температуры и количества кислорода в этом месте;'" Этот температурный максимум переходит в дальнейшем в движущийся очаг горения. Решение задачи о самопроизвольном (без дополнительного подогрева) воспламенении нефти для условий Русского месторождения приведено.на рис. V. Проведан анализ параметров, влияющих на место и время воспламенения нефти.

6. Процесс разложения - образования газовых гвдэтов в пористых средах.

В работе рассмотрены задачи плавления гидратов углеводородных газов в пористых пластах. Предложенная математическая модель процесса является развитием подхода, изложенного в работах 3. А. Бондарева, А. М. Максимова, Г. Г. Цыпкина. Разработана численная программа расчета этого процесса. В качестве апробации модели и программы расчета проведено сравнение численных решений с автомодельным решением линеаризированной задачи, полученном Г.Г. Цччкгашм (1991). Сопоставление показало адекватность численных ГэдешШ. В результате исследования выявлены три основные режима разложения гидратов: тепловой, который, характеризуется пр^взлькрованием механизма теплопередачи над механизмом изменения

- 1В -

т,°е

40 30 20 10 О -10

0

10

20

Х,Н

Рис.в. Дбпрессионный режим разложения газовых гидратов: снижение температуры системы ниже 0°С при ее нагревании ^ -б-ю'с, ко=5мд)

0 0.2 0.4 0.6 Д?,м

Рис.9. Тепловой режим разложения гидратов: аномальный росс давления в система ^ » б.ю3с, ко = 5 ю*эмд).

давления в пласте, двпрессионный, в котором, наоборот, превальирует механизм пьезопроводности, и стефановский режим, который характеризуется баллансом механизмов пьезо- и теплопроводности. Ери атом в случае первых двух режимов в пласте образуется зона об'емного разложения газовых гидратов, а в последнем разложение происходит только на фронте плавления. •

Установлены два интересных и новых эффекта, которые могут сопрововдзть процесс разложешя гидратов в пористой среде. В случае депрессионного режима температура пласта может падать нива о°с, несмотря на нагревание среды, рис. 8. Тепловой резким разложения может приводить к значительному росту давления на фронте плавления, а при превышении горного давления к разрушению самой пористой среда, рис. 9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основе выполненных автором исследований в работе сформулированы и обоснованы научные положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в подземной гидромеханике, связанного с анализом процессов филырации с фазовыми превращениями и химическими реакциями.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. разработан комплексный подход к решению задач повышения эффективности процессов воздействия на залежи углеводородов, заключающийся в) в исследовании физических процессов на уровне отдельных пор и анализа безразмерных комплексов на фильтрационные характеристики многофазных штоков, б) изучении фазового равновесия систем, воздействующих на залежь, выделением условий фазовых переходов. и химических реакций, в) в математическом моделировании этих процессов на основе методов мехагонш многофазных сред и теоретическом исследовании с учетом результатов анализа а) и б).

2. Создан комплекс моделей процессов теплового, физико-химического и химического воздействия на нефтяные пласты,

которые учитывают основные эффекты, связанные с фазовиш превращениями и химическими реакциями в многофазных потоках. Сопоставление с экспериментальными данными показали адекватность описания основных закономерностей исследуемых процессов.

3. Результаты аналитического и численного анализа позволили установить ряд ноеых физических и механических эффектов, сопровождающих процессы, проанализированные в работе. Подробный перечень этих эффектов приведен в выводах к каждой главе работы.

4. Проведенные исследования позволили развить основные положения теории фильтрации многофазной жидкости в направлении учета фазовых превращений и химических реакций в пористой среде. А именно, представлены основные закономерности распространения теплового поля в пластах при наличии процессов испарения-конденсации, установлены основные режимы изменения состава оторочек химреагентов по мере их движения по пласту и взаимодействия с пластовыми флюидами, сформулированы основные механизмы разрушения оторочек реагентов в пласте. В работе представлены новые модели фильтратам, та реиеная с учетом химического взаимодействия флюидов с пористой средой, механизм внутрипластового инициирования горения нефти, развита теория плавления газогидратов в пористых средах: установлены основные режимы разложения и новые эффекты, сопровождающие этот процесс.

5. Ряд результатов работы доведен до практического внедрения/ Получены 4 авторских свидетельства на изобретения, внедрен в ПО "Башнефть" стандарт на метод внутрипластового производства вытесняющего агента. Автор участвовал в разработке конкурсной технологии на разработку Русского месторождения высоковязкой нефти, в анализе эффективности разрабатываемых забойных парогазогенераторов. Ряд результатов работы опубликован • в отраслевой периодика, в том числе в монографии ВИНИТИ, обзоре ВНИИОЭНГ.

Основшэ публикаций по теме диссертации.

1. Нигматулин Р, И., Сургучев М. Л., Федоров К. М., Хабеев Н. С., Шевцов В. А., Математическое моделирование процесса мицеллярно - полимерного заводнения.// Докл. АН СССР, сер, Гидромеханика, т. 255, И I, 1Э80, с. 52 - 58.

2. Федоров К. М. Автомодельное решение задачи о вытеснении остаточной нефти из пористой среды толстыми оторочками мицеллярных РБСтворов.// Вестник МГУ, сер. Математическая, и 2, 1982, с. 92 -23.

3. Нигматулин Р. 11., Федоров К. М., Хабеев Н. С. Математическое моделирование мицеллярно-полимерного вытеснения нефти из обводненных пластов.// Изв. АН СССР, сер. МЖГ, N 6,.1982, с. 84 - 93. „»им., ц «

4. Нигматулин Р. И., Сургучев М. Л., Федоров К. М., Хабеев Н. С., Шевцов В. А. Анализ мицеллярно-полимерного заводнения нефтяных пластов.// ОСз. инф. БНИВДЭНГ, вып. 20, 1982 , 44 с. > ,

5. Мирзаджанзаде А. X., Нигматулин Р. И., Максудов Р. Г., Федороз К. М. и др. Теория и практика применения неньютоновских жидкостей в нефтедобыче.// Баку, Наука, 1985, 220 с.

6. Нигматулин Р. И., Федоров К, Ы., Хабеев Н. С. Численное исследование процесса мицеллярно-полимерного вытеснения нефти из слоисто-неодиородных пластов.// Изв. АН СССР, сер. МЖГ, н 2, 1984, с. 80 - 89. .

7. Баширов В. В., Федоров К. М., Андреев В. Е., Гэллямов М. Н., Лозин Е.В. Методика определения параметров процесса подземного выщелачивания карбонатов для вау трипла с тобого производства вытесняющего агента.// Стандарт ГО Башнефть, СТО 03-124-83, 1983 22 С.

8. вазовский А. Ф., Федоров К. М. Вытеснение нефти водными и углеводородными мицеллярными растворами.// Нефтяное хозяйство, и 4, 1984, С. 21-26.

9. Хайретдинов Н. Ш., Баширов В. В., Андреев А. Е., Галлямов Н. Н., Федоров К. М. Способ разработки нефтяных месторождений, имеющее в своем разрезе карбонатный пласт.// А. с. СССР, и 1153610, 1985.

10. Баяиров В. В., Федоров К. М., Овсвков А. В. Иаизотермнческоа движение жидкости и газа в пористых средах и задачи увеличения нефтеотдачи пластоз тепловыми методами.// Уфа, Уч. пособие БашГУ, 1984, 84 с.

11. Зазовский А. Ф., Федоров К. Н. О вытеснении нефти паром// Препринт ИПМ АН СССР, N 267, 1986, 64 с.

12. Федоров К. М. Нестационарная фильтрация при наличии химических реакций с пористой средой.// Изв. АН СССР, сер. МЖГ, н I, 1987, с. 82 - 87.

13. Ахметов А. Т., Нигматулин Р. И., Федоров К. М. о механизме вытеснения нефти из пористой среда мицеллярными растворами.// Докл. АН СССР, сер. Гидромеханика, т. 293, н 3, 1987, с. 558 - 563.

14. Баширов В. В., Карпов В. П., Федоров К. М. Парогазотермическая обработка призабойной зоны и пласта в целом.// М.: ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер. Разраб. нефтяных и газовых месторовдений, т. 19, 1987, с. 3 - 56. .о^чд,.

15. Нигматулин Р. И., Ахметов А. Т., ФедоровО многофазных фильтрационных течениях в пористых средах.// В кн. Проблемы теории фильтрации. М.: Наука, 1987, с. 162-170.

16. Андреев В. Е., Федоров K.M. Анализ гидродинамики процесса подземного выщелачивания карбонатных пород. //Изв. вузов, сер. Нефть и газ, н 12, 1986, с. 52-56. ,

17. Гумеров H.A., Федоров K.M. О фазовых диаграммах состояния двухкомпонентных систем в области гидратообразования.// ИФЖ, т. 57, N 2, 1989, с. 331-332.

18. Федоров K.M., Шарафудинов Р.Ф. К теории неизотермической фильтрации с фазовыми переходами.// Изв. АН СССР, сер. МЖГг.-н 5> 1989, с. 82-87.

19. Nlgmatulin R.I., Fedorov K.M., Kislitcin A.A., Zyong Hgok Hai. Mechanics, Heat and Mass Transfer in Saturated Porous Media. In: Convective Heat and Transfer in Porous Media. nato ASI Ser., E: Applied Science, v. 196, p. 939-962.

20. Ямалетдинова К.Ш., Халиков Г.А., Трофимов A.C., Федоров K.M. Способ разработки нефтяного пласта. // A.C. СССР n 1527989, 1989.

21. Migmatulin В. I., Fedorov К. M. Theory of noninertial nonstationary flows of multiphase fluid with phase transitions and chemical reactions. In: Proceedings of Int. Conf. "Development of gas condensate fields", Sec. 6, Krasnodar, 1990, s. 21 - 24.

22. Хайретдщнов H. Ш., Андреев В. Е., Федоров К. М. Производство вытеснящего агента на ыесторовдении с целью интенсификации процесса нефгеизвлечетш.// Эк.спросс-шфэрмация, ВНЮЮЭНГ, сер. Техника и технология добычи нефти, вып. 5, 1991, с. 27 - 33.

23 Ннгматулин Р. И., Федоров К. М. К теории воздействия па пефге и газосодераащие пласты тепловыми, гидродинамическим?• я электромагнитами поляда.// Изв. вузов, сер. Нефть и газ,'1691, îC. 50 - 59.

24. Fedorov К. H., Zubkov P. T. Hydrate decomposition in porous media. In: Flow through porous media, proceedings of Int. Conf. Hoscow, 1992, p. 139 - 141.

ibnnncaiio в прчать 07.05.93. Заквъ № J38, 0for» 7 п.л. Тираж 100экз. Ротапринт Triwcroro государственного ут-в^рсит^та 6Р.Г>, г.Тсиппь, у л. С° ма ко га 10