Підвищення ефективності хіміко-технологічного процесу комплексної водневої термобарохімічної технології інтенсифікації видобутку вуглеводнів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 − процеси та обладнання хімічної технології (16 – хімічна та біоінженерія). ˗ Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020 р. Аналіз сучасних технологій підвищення видобутку вуглеводнів виявив, що найбільш ефективними та перспективними є методи, які комплексно впливають на продуктивний горизонт, поєднуючи ефективні тепловий, хімічний та механічний впливи на продуктивний горизонт. Однією з найбільш перспективних технологій інтегрованої дії на пласт є технологія комплексного водневого термобарохімічного впливу (КВТБХВ), хіміко-технологічний процес (ХТП) якої ґрунтується на ефекті водневої активації процесів дифузії та фільтрації флюїду в пористому середовищі гірської породи продуктивного горизонту під час протікання складної екзотермічної реакції в свердловині. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності хіміко-технологічного процесу КВТБХВ, зокрема його водневих стадій, шляхом фізичного та математичного моделювання. Для дослідження кінетики термобарохімічних процесів та фізичного моделювання комплексного впливу, в тому числі водневого, на зміну фільтраційно-ємнісних характеристик та проникності гірської породи створено експериментальний комплекс, який дозволяє відтворювати технологічні особливості здійснення хіміко-технологічного процесу технології КВТБХВ. Комплекс забезпечує його протікання в умовах, максимально наближених до реальних пластових, дає можливість не тільки досліджувати кінетику складної гетерогенної хімічної реакції під час перебігу ХТП, але й визначати термобаричний та хімічний впливи рідких та газоподібних продуктів реакції горючо-окислювальних складів і гідрореагуючих речовин (ГОС-ГРР), в тому числі водню, на зміну фільтраційних характеристик кернів гірської породи. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень кінетики ХТП, яка ґрунтується на послідовному змішуванні в реакторі двох технологічних рідин, вимірюванні та фіксації основних параметрів протікання термобарохімічного процесу та відтворює його максимально близько до реального, який відбувається в свердловині. Аналіз одержаних експериментальних графічних залежностей основних параметрів кінетики ХТП, утвореного технологічними рідинами з базовим хімічним складом, дозволив зробити висновки про неефективність його водневих стадій ХТП та необхідність проведення подальших досліджень для вирішення цієї проблеми. Запропоновано методи впливу на характер протікання багатостадійного ХТП термобарохімічного впливу, зокрема його водневих стадій. Тривалість низькотемпературної стадії досягнуто за рахунок використання в складі базової системи ГОС–ГРР суміші до 50 % пасивованих гранул від загальної кількості нітрату амонію. Визначено основні типи швидкореагуючих ГРР на основі лужних металів алюмінію та натрію. Зважаючи на високу хімічну активність цих ГРР, запропоновано та опрацьовано методи їх практичного застосування з використанням захисних оболонок. Експериментально доведено, що додавання до базових технологічних рідин гідрореагуючих речовин на основі алюмінію та натрію дозволяє на низькотемпературній стадії процесу генерувати водень, який виступає як активатор дифузії та фільтрації флюїду в гірській породі, а використання як активатора процесу горіння синтезованого за удосконаленою технологією полімерного нітрилу параціану в кількості 0,7-0,95 %, дозволяє підвищити температуру та тривалість протікання високотемпературної стадії ХТП до рівня, на якому при наявності активованого водню відбуваються процеси часткового гідрокрекінгу важких вуглеводнів безпосередньо в пласті. Відновлено технологічну лінію з синтезу параціану з аміду щавлевої кислоти, визначено параметри його синтезу, які забезпечують покращення показників хімічної чистоти та питомої кількості кінцевого продукту. Удосконалено технологічний регламент синтезу. Розроблено методику оцінки ефективності ХТП, яку засновано на визначенні впливу різних за характером протікання ХТП технології КВТБХВ на відновлення проникності та фільтраційно-ємнісних характеристик закольматованих природних кернів, використання якої дозволяє визначати найбільш ефективний за характером протікання хіміко-технологічний процес для використання на свердловинах, у яких з різних причин зменшилася продуктивність. На створеному експериментальному комплексі в умовах, наближених до пластових, здійснена обробка попередньо закольматованих стійкою до руйнування водонафтовою емульсією кернів рідкими та газоподібними продуктами реакцій, що утворюються в реакторі під час різних за характером протікання ХТП. Експериментально встановлено, що ХТП КВТБХВ з активацією полімерним нітрилом параціану та ГРР на основі алюмінію та натрію є найефективнішим оскільки коефіцієнт відновлення проникності обробленого керну за зазначеним ХТП склав 1,05, що свідчить не лише про відновлення проникності, але й про її збільшення в порівнянні з початковою. Розроблені методи та методики можуть використовуватися для покращення керованості водневих стадій ХТП та визначення ефективності впровадження технології КВТБХВ на свердловинах з різними конструктивними та геолого-технічними характеристиками, а також причинами зменшення продуктивності. З метою подальшого підвищення ефективності впровадження технології запропоновано методику удосконалення якості комп’ютерного 3D моделювання КВТБХВ. Модель ґрунтується на розв’язанні системи рівнянь Нав’є-Стокса, яку описують закони збереження імпульсу, маси та енергії, що дає змогу описувати складні задачі фільтрації, в тому числі моделювати процес КВТБХВ на реальних об’єктах. Закон збереження імпульсу в задачах фільтрації залежно від характеру фільтрації представлено у вигляді законів Дарсі, Форхгеймера та Дарсі з урахуванням дифузії (закон Фіка). В усі рівняння системи, які описують закони фільтрації, входять коефіцієнти проникності. На відміну від більшості задач фільтрації, в яких коефіцієнти проникності є константами, створено методику уточнення комп’ютерної 3D моделі процесу водневого термобарохімічного впливу на продуктивні горизонти свердловин, в якій в математичній моделі ураховуються результати експериментальних досліджень нестаціонарного процесу відновлення проникності гірської породи внаслідок комплексного водневого термобарохімічного впливу. В математичну модель фільтрації замість розрахункових значень або констант проникності додається функція зміни коефіцієнта відновлення проникності від відносного об’єму продуктів реакції ХТП. Експериментальна верифікація удосконаленої комп’ютерної моделі, яка здійснювалася шляхом проведення порівняльного аналізу результатів чисельного моделювання процесу фільтрації продуктів реакції на водневих стадіях КВТБХВ та результатів експериментальних досліджень, проведених на реальних кернах гірської породи, підтвердила суттєве підвищення точності моделювання. Використання удосконаленої й верифікованої моделі дозволяє з високою точністю описувати протікання фільтраційно-дифузійних та тепломасообмінних процесів реальних ХТП під час обробки продуктивних пластів, дає можливість робити прогнозні оцінки щодо результатів обробки. Удосконалену математичну модель покладено в основу комп’ютерної 3D моделі для постадійного комп’ютерного моделювання КВТБХВ з урахуванням кінетики ХТП. Такий підхід набув особливої актуальності за умов, коли завдяки розробленим методам з’явилася можливість керування стадіями, особливо водневими, за тривалістю та температурними рівнями. Розроблено алгоритм підготовки до імплементації технології з урахуванням результатів фізичного й математичного моделювання. Розроблений алгоритм дозволяє визначати кількісні та якісні показники хімічних складів робочих технологічних рідин, які впливають на характер протікання ХТП КВТБХВ, особливо його водневих стадій, та необхідні для створення дизайну обробки кожної окремої свердловини з урахуванням її індивідуальних конструктивних та геолого-технічних характеристик та причин кольматації. За розробленим алгоритмом створено дизайни обробок, за якими виконано дослідно-промислові впровадження технології на свердловинах України, Індії, Грузії та Туреччини. Результати підтвердили високу ефективність удосконалених та використаних ХТП як у вертикальних, так і у горизонтальних свердловинах.The thesis for scientific Degree of the Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.17.08 – Processes & Equipment of Chemical Technology (16 – Сhemical and bioengineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. Analysis of modern technologies for increasing the production of hydrocarbons has shown that the most effective and promising techniques are those that have an integral effect on the production horizon by combining effective thermal, chemical and mechanical actions. One of the most promising technologies with an integral effect on the reservoir is that of complex hydrogen thermobaric-chemical effect (CHTBCE). Its chemical-technological process (CTP) is based on the effect of hydrogen activation of the processes of diffusion and fluid filtration in the rock porous medium of the production horizon during the complex exothermal reaction in the well. The objective of the dissertation is to improve the effectiveness of the IHTBCA chemical-technological process, in particular, its hydrogen stages by using physical and mathematical simulation. An experimental complex was developed to study the kinetics of thermobaric processes, and for physical simulation of the integral action, including the hydrogen one, on the alteration of rock porosity-permeability properties. The complex recreates the technological features of the chemical-technological process of the CHTBCE technology. The complex ensures its flow in conditions most closely approximating actual reservoir ones. It helps study not only the kinetics of the complex heterogeneous chemical reaction during CTP flow, but also allows determining the thermobaric and chemical effect of liquid and gaseous products of the reactions of combustible-oxidation compositions and hydroreacting substances (COC-HRS), including hydrogen, on the change of the filtration properties of rock core samples. A technique was developed for experimental research into CTP kinetics. It is based on mixing two process fluids in sequence in a reactor, and measuring and registering the basic parameters of the thermobaric-chemical process to recreate it most closely to the actual one in the well. Analysis of the experimental graphs of the key kinetic parameters of the CTP created by the process fluids with the basic chemical composition demonstrated the ineffectiveness of the CTP’s hydrogen stages and the need to conduct follow-up research to solve this problem. Techniques were suggested for influencing the character of the flow of the multistage CTP thermobaric-chemical action, in particular, its hydrogen stages. The continuance of the low-temperature stage was achieved by using a mixture of up to 50 % of passivated granules of the total amount of ammonium nitrate in the base COC-HRS system. The main types of fast-reacting HRS based on alkali metals, aluminium and sodium were determined. With account of the high chemical activity of these HRS, methods were suggested and developed for their practical application with the use of protective sheaths. Experiments confirmed that adding hydroreacting substances based on aluminium and sodium to basic process fluids produces hydrogen at the low-temperature stage of the process. This hydrogen acts as an activator of diffusion and filtration of the fluid in the rock. Using 0,7-0,95 % of polymer nitrile paracyanogen synthesised by a refined technology as an activator of the combustion process increases the temperature and duration of the flow of the high-temperature CTP stage to a level at which, with the presence of activated hydrogen, partial hydrocracking of heavy hydrocarbons occurs directly in the reservoir. A process line was restored for synthesis of paracyanogen from oxamide. Parameters of its synthesis were found that ensure the improvement of the chemical purity and specific amount of the final product. The synthesis process regulations were refined. A CTP effectiveness assessment method was developed. It is based on determining the impact of CHTBCE technologies with different CTP flow on the recovery of porosity and permeability properties of colmataged natural rock core samples. This method helps determine the most effective chemical-technological process for usage in wells whose productivity has dropped due to different reasons. In conditions close to reservoir ones, the experimental complex developed was used to treat core samples, preliminarily colmataged with a decompositionresistant water-petroleum emulsion, with liquid and gaseous reaction products formed in the reactor with different CTP flow profiles. Experiments established that the CHTBCE CTP, with activation by the polymer nitrile paracyanogen and HRS based on aluminium and sodium, is most effective because the return permeability of the treated core for the specific CTP was 1,05. This is indicative not only of permeability recovery, but also of its increase as compared to the initial one. The developed methods and techniques can be used for improving the controllability of CTP hydrogen stages. They can also be used for determining the effectiveness of introducing the CHTBCE technology at wells with different structural and geological-engineering characteristics, and for identifying the causes of production decrease. To increase technology introduction effectiveness, a method was suggested for refining the quality of computer 3D CHTBCE simulation. The model is based on solving a system of Navier-Stokes equations that describe the laws of conservation of momentum, mass and energy. This helps describe complex filtration problems and enables simulating the CHTBCE process in actual objects. The law of conservation of momentum in filtration problems, depending on the character of filtration, is presented as the Darcy law, the Forchheimer law and the Darcy law with account of diffusion (Fick’s law). All the equations of the system that describe filtration laws include the permeability coefficient. In contrast to the majority of filtration problems, in which permeability coefficients are constants, a technique was developed for refining the 3D computer model of the process of hydrogen thermobaric-chemical action on the well production horizons. The mathematical model accounts for the results of experimental research into the unsteady process of recovery of rock permeability due to the integral hydrogen thermobaric-chemical action. The computational values or the permeability constants in the mathematical model of filtration are replaced with the return permeability change function depending on the relative volume of CTP reaction products. The refined computer model was verified experimentally by comparative analysis of the following: the results of numerical simulation of the reaction products filtration process at the CHTBCE hydrogen stages; and the results of experimental research conducted with actual rock cores. The verification confirmed a significant increase in simulation accuracy. The refined and verified model describes with high accuracy the flow of filtration-diffusion and heat-andmass transfer processes in the actual CTP during the treatment of production formations, and helps estimating treatment results. The refined mathematical model served as the basis of the computer 3D model for stepwise CHTBCE computer simulation with account of CTP kinetics. Such an approach became especially relevant under the condition when, owing to the developed methods, it became possible to control the stages, especially the hydrogen ones, for duration and temperatures. A procedure was developed for preparing to implement the technology with account of physical and mathematical simulation results. The developed procedure enables determining the quantitative and qualitative indicators of the chemical compositions of process fluids that affect the CHTBCE CTP flow, especially those of its hydrogen stages, and the treatment designs required the treatment of each well with account of its individual structural and geological-engineering characteristics and colmatation causes. The developed procedure was applied to creating the treatment design used for pilot industrial implementation of the technology on wells in Ukraine, India, Georgia, and Turkey. The results have confirmed the high effectiveness of the refined and used CTP in both vertical and horizontal wells.