CC BY
77ГАЗОЦИКЛИЧЕСКАЯ ЗАКАЧКА СМЕСИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА С ПОПУТНЫМ НЕФТЯНЫМ ГАЗОМ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ В НЕФТЕДОБЫВАЮЩУЮ СКВАЖИНУ
Волков Владимир Анатольевич
Кандидат технических наук, директор ООО «Дельта-пром инновации» Афанасьев Сергей Васильевич Кандидат химических наук, доктор технических наук, доцент по экологии, начальник Бюро по разработке и защите объектов интеллектуальной собственности ПАО «Тольяттиазот»
Прохоров Петр Эдуардович Руководитель лаборатории физ.-хим. исследований ООО «Дельта-пром инновации» Турапин Алексей Николаевич Директор департамента инновационного проектирования ООО «Дельта-пром инновации»
Аннотация. Описывается технология газоциклической закачки смеси диоксида углерода с попутным нефтяным газом при сверхкритических условиях в нефтяные добывающие скважины. Данная технология обеспечивает утилизацию техногенного диоксида углерода и попутного нефтяного газа с экономическим эффектом за счёт интенсификации добычи нефти.
Ключевые слова: нефтедобыча, увеличение нефтеотдачи, закачка диоксида углерода, газоциклическая закачка, попутный нефтяной газ, добывающие скважины, сверхкритический флюид.
GAS-CYCLIC INJECTION OF A MIXTURE OF CARBON DIOXIDE WITH ASSOCIATED PETROLEUM GAS UNDER SUPERCRITICAL CONDITIONS INTO OIL PRODUCTION WELL
Volkov Vladimir Anatolyevich
Candidate of engineering sciences, director «Delta-prom innovation» LLC Afanasev Sergey Vasilyevich Candidate of chemical Sciences, Doctor of Technical Sciences, associate Professor of Ecology, Head of the Bureau for the Development and Protection of Intellectual Property
Public Joint Stock Company «TogliattiAzot» Prokhorov Petr E.
Head of the laboratory of phys.-chem. Research «Delta-prom innovations» LLC Turapin Aleksey N.
Director of Innovative Designing Department «Delta-prom innovations» LLC
Abstract. The technology of gas-cyclic injection of a mixture of carbon dioxide with associated petroleum gas under supercritical conditions into oil producing wells is described. This technology ensures the utilization of technogenic carbon dioxide and associated petroleum gas with an economic effect due to the intensification of oil production.
Key words: oil production, oil recovery, carbon dioxide injection, gas-cyclic injection, associated petroleum gas, producing wells, supercritical fluid.
В настоящей работе предлагается технология, позволяющая производить утилизацию техногенного диоксида углерода (С02) и попутного нефтяного газа (ПНГ) путём закачки их смеси при сверхкритических условиях в нефтяные добывающие скважины с целью интенсификации добычи нефти. Таким образом обеспечивается экономический эффект от утилизации указанных агентов.
С02 является парниковым газом, образующимся в большом количестве при сжигании ископаемого топлива и в качестве побочного продукта химической промышленности. Для снижения влияния данного С02 на окружающую среду требуется предотвращение его выбросов в атмосферу и утилизация. На решение данной задачи направлен Указ Президента Российской Федерации от 04.11.2020 г. № 666 «О сокращении выбросов парниковых газов» [1].
ПНГ представляет собой смесь углеводородов и является побочным продуктом нефтедобычи, отличаясь от природного газа тем, что, помимо метана, содержит этилен, пропан, н-бутан, н-пентан. Кроме того, в нём присутствуют незначительные примеси неуглеводородных компонентов, таких как гелий, аргон, сероводород, азот и др.
На протяжении длительного периода времени, вследствие отсутствия необходимых установок и технологий для сбора, транспортировки и переработки ПНГ, а также из-за низкого потребительского спроса он сжигался на факельных установках. В настоящее время признано, что сжигание ПНГ является нерациональным расходованием невозоб-новляемых природных ресурсов, а кроме того, приводит к ухудшению экологической обстановки в нефтедобывающих регионах и нарастанию парникового эффекта в глобальном масштабе.
Исходя из этого, принимаются законодательные меры, стимулирующие проведение утилизации ПНГ, в частности, вводятся штрафы за его сжигание на факельных установках (см. Постановления Правительства РФ №1148 от 8 ноября 2012 г. [2] и №1381 от 17 декабря 2016 г. [3]).
Одним из способов утилизации ПНГ может являться его добавка к С02, используемому в качестве рабочего агента в технологии газоциклической закачки (ГЦЗ) в нефтяные добывающие скважины. Ранее разработано несколько вариантов технологии ГЦЗ с использованием чистого С02 техногенного происхождения, на которые получены патенты РФ [7,9,12]. Также разработаны мобильные комплексы для закачки С02 в добывающие скважины [8,10] и способ извлечения С02 из дымовых газов [11].
ГЦЗ по указанным выше способам производят таким образом, что рабочий агент -С02 - переводится в состояние сверхкритического флюида (СКФ). В данном состоянии исчезает различие между жидкой и газовой фазой и многие физические свойства СКФ: плотность, вязкость, скорость диффузии, являются промежуточными между свойствами жидкости и газа. СКФ являются эффективными экологически чистыми растворителями и в таком состоянии лучше газообразных агентов снижают вязкость нефти в пластовых условиях.
Сочетание малого межфазного натяжения с низкой вязкостью и высоким коэффициентом диффузии позволяет СКФ проникать в пористые среды более эффективно по сравнению с жидкостями и осуществлять более быстрый массоперенос, а высокая чувствительность растворяющей способности СКФ к изменению давления и температуры обеспечивает эффективную смешиваемость в пластовых условиях СКФ и пластовой нефти, а именно смешивающееся вытеснение является наиболее эффективной технологией вытеснения нефти из пласта.
При смешивающемся вытеснении имеет место взаимная растворимость нефти и вытесняющего агента, когда отсутствуют силы поверхностного натяжения на границе фаз [4]. Составы фаз становятся одинаковыми, и поверхность раздела между ними исчезает.
При постоянной температуре существует такое минимальное давление, при котором вытесняющий агент может неограниченно растворяться в нефти. Это давление называется минимальным давлением смешивания (МДС). МДС зависит от термобарических условий
пласта и состава нефти. МДС увеличивается с ростом температуры, плотности и вязкости нефти, с ростом доли фракций нефти с молекулярной массой С6-С30. Коэффициент вытеснения нефти при закачке газа увеличивается с ростом давления.
Известно, что наиболее эффективным рабочим агентом для вытеснения нефти из пласта является CO2. Например, известны эксперименты по вытеснению нефти различными рабочими агентами на моделях Slim Tube [5], согласно которым наибольшую эффективность вытеснения продемонстрировал чистый CO2 - коэффициент вытеснения 0,9, в то время как для чистого ПНГ коэффициент вытеснения составил 0,531 при одинаковых условиях вытеснения: T=67°C и P=30 МПа, и на одной и той же нефти. Такое различие объясняется тем, что в данных термобарических условиях смешивание нефти с диоксидом углерода происходит при первом контакте и вытеснение носит смешивающийся характер, в то время как для ПНГ реализуется только режим ограниченной смесимости.
Таким образом, при рассмотрении варианта технологии ГЦЗ с использованием в качестве рабочего агента смеси CO2 и ПНГ требуется выбрать такое соотношение этих компонентов, которое, с одной стороны, позволяло бы производить утилизацию значительных объёмов ПНГ, а с другой стороны, обеспечивало бы практически такую же эффективность, как использование чистого CO2, при этом также снижалось бы потребление CO2 за счёт замены части его объёма на ПНГ.
Согласно расчётам [6], проведённым с использованием ряда корреляций по определению МДС для смеси CO2 и ПНГ с нефтью, при содержании ПНГ в данной смеси до 20% масс. МДС смеси незначительно отличается от МДС чистого CO2 для одной и той же нефти. При увеличении содержания ПНГ в смеси МДС начинает увеличиваться, и для чистого (без добавок) ПНГ МДС достигает значений, редко встречающихся в условиях реальных нефтесодержащих пластов — см. табл. 1.
Исходя из указанных данных, для использования в предлагаемом способе было выбрано следующее соотношение компонентов смеси, закачиваемой в нефтяные добывающие скважины: 75-95% об. CO2 и 5-25% об. ПНГ, в зависимости от термобарических условий в пласте и составов нефти и ПНГ конкретного месторождения. Такое соотношение позволяет обеспечить выполнение указанных выше требований.
Кроме того, закачка совместно с CO2 смеси углеводородных компонентов в виде ПНГ способствует более быстрому развитию зоны смешиваемости нефти и CO2, обеспечивая реализацию смешивающегося режима вытеснения нефти из пласта.
Предлагаемая технология является технологией ГЦЗ, то есть осуществляется с использованием одной и той же скважины сначала в качестве нагнетательной, а затем, после определённого периода выдержки, в качестве добывающей. Данная особенность технологии позволяет применять её на существующих добывающих скважинах нефтяных месторождений и предполагает использование для закачки сравнительно небольших объёмов CO2 (до 300-400 т на 1 цикл закачки), которые можно доставлять на нефтяные месторождения автомобильным транспортом. Используемый для закачки ПНГ добывается непосредственно на месторождении.
Таблица 1. Минимальное давление смешиваемости в зависимости от состава закачиваемой смеси
Концентрация СО2, % масс. Концентрация ПНГ, % масс. Минимальное давление смешиваемости (МДС), МПа
Корреляция Dong Корреляция Sebastian
10 90 72,31 69,43
20 80 67,00 64,64
30 70 61,30 59,48
40 60 55,30 53,92
50 50 48,92 47,94
60 40 42,21 41,54
70 30 35,23 34,75
80 20 28,04 27,68
90 10 20,85 20,57
95 5 17,33 13,94
100 0 13,94 13,94
Закачка смеси С02 и ПНГ производится при термобарических условиях, обеспечивающих нахождение компонентов смеси в состоянии СКФ. Совместно с основными рабочими агентами для предотвращения технологических осложнений при закачке и улучшения эффективности обработки закачиваются вспомогательные оторочки небольшого объёма, содержащие углеводородные растворители, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и ингибиторы коррозии. Для закачки могут использоваться мобильные комплексы по патентам [8,10].
Таким образом, разработана технология ГЦЗ в добывающие нефтяные скважины смеси С02 и ПНГ при сверхкритических условиях. На данную технологию получен патент РФ № 2745489 [13].
Список источников и литературы
1. О сокращении выбросов парниковых газов : Указ Президента РФ от 04.11.2020 № 666 // Собрание законодательства РФ. - 2020. - № 45. - Ст. 7095. - Текст : непосредственный.
2. Об особенностях исчисления платы за негативное воздействие на окружающую среду при выбросах в атмосферный воздух загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа (вместе с «Положением об особенностях исчисления платы за негативное воздействие на окружающую среду при выбросах в атмосферный воздух загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа») : Постановление Правительства РФ от 08.11.2012 № 1148 (ред. от 13.12.2019) // Собрание законодательства РФ. - 2012. - № 47. Ст. 6499. - Текст : непосредственный.
3. О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 8 ноября 2012 г. № 1148 : Постановление Правительства РФ от 17.12.2016 № 1381 // Собрание законодательства РФ. - 2016. - № 52 (Часть V). - Ст. 7648. - Текст : непосредственный.
4. Волков, В. А. Геоаккумулирование С02 и его применение на нефтяных месторождениях Самарской области / В. А. Волков, В. И. Фаловский, П. Э. Прохоров, А. Н. Тура-пин. - Текст : непосредственный // Нефтепромысловое дело. - 2019. - № 8 (608). -С. 11-18.
5. Медведев, А. А. Подбор состава вытесняющего газа для условий нефтяного месторождения Центрально-Хорейверского поднятия / Медведев А. А. и др. - Текст : непосредственный // Нефтяное хозяйство. - 2019. - № 9. - С. 94-97.
6. Телков, В. П. Определение условий смешиваемости нефти и газа в различных условиях при газовом и водогазовом воздействии на пласт / В. П. Телков, Н. Н. Любимов. -Текст : непосредственный // Бурение и нефть. - 2012. - № 12. - С. 38-42.
7. Патент № 2652049 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01), СПК Е21В
64
43/16 (2006.01). Способ газоциклической закачки жидкого диоксида углерода при сверхкритических условиях в нефтедобывающую скважину : № 2017117208 : заявл. 17.05.2017 : опубликовано 24.04.2018 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Афанасьев С. В., Турапин А. Н., Керосиров В. М. - Текст : непосредственный.
8. Патент № 2677524 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01), С09К 8/594 (2006.01). Мобильный комплекс для закачки жидкого диоксида углерода в нефтедобывающую скважину : № 2017139844 : заявл. 15.11.2017 : опубликовано 17.01.2019 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Турапин А. Н., Керосиров В. М., Вахра-мов Д. В. - Текст : непосредственный.
9. Патент № 2715107 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01). Способ газоциклической закачки жидкого диоксида углерода при сверхкритических условиях в нефтедобывающую скважину : № 2018122416 : заявл. 20.06.2018 : опубликовано 25.02.2020 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Турапин А. Н., Керосиров В. М. - Текст : непосредственный.
10. Патент № 2728295 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01). Мобильный комплекс для закачки жидкого диоксида углерода в нефтедобывающую скважину : № 2020107641 : заявл. 20.02.2020 : опубликовано 29.07.2020 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Турапин А. Н., Керосиров В. М., Афанасьев С. В. - Текст : непосредственный.
11. Патент № 2733774 Российская Федерация, МПК В01Б 53/62 (2006.01), В01Б 53/00 (2020.08), В01Б 53/62 (2020.08). Способ выделения диоксида углерода из дымовых газов и устройство для осуществления способа : № 2020106740 : заявл. 13.02.2020 : опубликовано 06. 10.2020 / Волков В. А., Афанасьев С. В., Афанасьев А. С., Турапин А. Н., Прохоров П. Э. - Текст : непосредственный.
12. Патент № 2736021 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01), С01В 3/32 (2006.01). Способ регулирования охвата пласта газоциклической закачкой диоксида углерода при сверхкритических условиях в добывающую скважину с помощью пенных систем : № 2020124576 : заявл. 24.07.2020 : опубликовано 11.11.2020 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Турапин А. Н., Керосиров В. М. - Текст : непосредственный.
13. Патент № 2745489 Российская Федерация, МПК Е21В 43/16 (2006.01), С09К 8/58 (2006.01). Способ газоциклической закачки смеси диоксида углерода с попутным нефтяным газом при сверхкритических условиях в нефтедобывающую скважину : № 2020133426 : заявл. 12.10.2020 : опубликовано 25.03.2021 / Волков В. А., Беликова В. Г., Прохоров П. Э., Турапин А. Н., Керосиров В. М., Афанасьев С. В. - Текст : непосредственный.
