Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальные исследования физико-химических явлений при участии CO2 в фильтрационных и обменных процессах

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования физико-химических явлений при участии CO2 в фильтрационных и обменных процессах"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАУКИ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ II ГАЗА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (НПНГ РАН)

На правах рукописи УДК 622.276

Климов Дмитрий Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ УЧАСТИИ С02 В ФИЛЬТРАЦИОННЫХ И

ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

Специальность 25.00Л7 "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений"

1 1 ляг 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Москва, 2015

005561393

005561393

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки - Институте проблем нефти и газа Российской Академии наук (ИПНГ РАН)

Научный руководитель: Закиров Эрнест Сумбатович

доктор технических наук, заведующий лабораторией газонефтеконденсатоотдачи пластов ИПНГ РАН

Официальные оппоненты: Шахвердиев Азиз Ханович

доктор технических наук, вице-президент Российской Академии Естественных Наук

Ненартович Татьяна Львовна

кандидат технических наук, главный специалист лаборатории физико-химических МУН Центра гидродинамических и физико-химических МУН («ВНИИнефть»)

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский Государственный Университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Защита состоится «30» сентября 2015 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д.002.076.01 ИПНГ РАН в зале Учёного Совета по адресу: 119333, г. Москва, ул. Губкина, 3, ИПНГ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться у ученого секретаря и на сайте ИПНГ РАН http://www.ipng.ru/.

Автореферат разослан «Ь<,» <3 О/УЬЛ2015 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

кандидат технических наук М.Н. Баганова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тематики исследований

В последние годы диоксид углерода (СОг) упоминается в возрастающем количестве публикаций. Так, одна из технологий увеличения коэффициента извлечения нефти (КИН) основывается на закачке в пласт карбонизированной воды (воды с растворенным С02) в разных модификациях. В ряде стран, вследствие экологических проблем, реализуются опытно-промышленные исследования по захоронению С02 в истощенные месторождения газа и нефти. Развиваемая в ИПНГ РАН биосферная концепция образования нефти и газа также базируется на идее фильтрации в недрах Земли метеогенных (карбонизированных) вод. Поэтому актуальной представляется проблема экспериментального изучения физико-химических явлений применительно к перечисленным научно-техническим, прикладным технологиям и процессам при участии в них С02. Так как в предшествующих исследованиях предполагаемые сопутствующие физико-химические процессы при фильтрации С02 или не исследовались, или рассматривались в недостаточном объеме.

Цель работы

Провести лабораторные исследования предполагаемых физико-химических процессов в недрах Земли при наличии или отсутствии фильтрации карбонизированной воды в присутствии природных катализаторов применительно к разработке месторождений нефти и газа, созданию подземных хранилищ газа, а также генезису природных углеводородов.

Основные задачи исследований

1. Сконструировать, создать и отладить специализированную лабораторную установку для изучения физико-химических процессов в пласте в присутствии карбонизированной воды в динамическом и стационарном (статическом) режимах.

2. Исследовать количественные и качественные особенности физико-химических явлений при распаде карбонизированной воды в фильтрационных и обменных процессах в пласте.

3. Подтвердить достоверность результатов исследований в стационарном режиме на сертифицированной каталитической лабораторной установке.

4. Экспериментально измерить темп разложения и количество разлагающейся карбонизированной воды в стационарном режиме.

5. На основе компьютерного моделирования оценить перспективы использования С02 при разработке залежей нефти в низкопроницаемых пластах.

Научная новизна выполненных исследований

• Впервые доказана реалистичность разложения карбонизированной воды в породах осадочного чехла земной коры при низких термобарических условиях и без сторонних механических, сейсмических или иных воздействий в условиях динамического, а также стационарного режима, сопровождающаяся образованием водорода и углеводородов.

• Впервые исследовано влияние на количество образующихся водорода и газообразных углеводородов различных факторов - давления, времени, температуры, солености, степени насыщенности СОг воды, типа модели пористой

среды, скорости фильтрации.

• Проведенные эксперименты впервые позволили рассчитать динамику и количество разлагающейся воды применительно к физико-химическим процессам при взаимодействии модели пористой среды с карбонизированной водой в стационарном режиме.

• Компьютерными расчетами обоснована целесообразность поддержания пластового давления в низкопроницаемых нефтенасыщенных коллекторах путем закачки в пласт СОг, что может сопровождаться привнесением в добываемые углеводороды синтезируемых гомологов метана, а также водорода.

Практическая значимость выполненных исследований

• Результаты экспериментальных исследований могут повысить эффективность проектов по захоронению диоксида углерода в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, вследствие возможности получения гомологов метана и водорода в качестве побочных продуктов.

• Установлен ранее неизвестный фактор в технологии повышения нефтеотдачи пластов на основе закачки в них карбонизированной воды, связанный с дополнительным образованием УВ и водорода при разрушении воды.

• Компьютерные расчеты указывают на целесообразность поддержания пластового давления в низкопроницаемых нефтеносных коллекторах на основе закачки СОг в разных модификациях.

• Экспериментально подтверждена реальность низкотемпературной реакции поликонденсационного синтеза УВ с участием Н20 и С02.

Защищаемые положения

• Выявление сопутствующих закачке СО2 и карбонизированной воды в пласт в целях повышения нефтеотдачи, захоронения С02 в истощенных месторождениях нефти и газа физико-химических процессов с дополнительным образованием УВ и водорода при разложении воды.

• Результаты исследований влияния различных факторов (температуры, давления, скорости фильтрации и др.) на количество образующегося водорода и гомологов метана применительно к разработке месторождений нефти на основе закачки карбонизированной воды, захоронению С02 в истощенных месторождениях нефти и газа, а также фильтрации метеогенных вод в недрах Земли.

• Технология разработки месторождений нефти в низкопроницаемых пластах с поддержанием пластового давления на основе закачки С02 в различных модификациях.

Степень авторства соискателя

• Внесение изменений в конструкцию лабораторной установки и методику исследований применительно к динамическим экспериментам.

• Участие в разработке и отладке лабораторной установки и методики исследований с карбонизированной водой в стационарном режиме.

• Исследование влияния различных факторов на изучаемые физико-химические процессы в динамических и стационарных режимах с и без участия С02.

• Выполнение контрольных экспериментов на сертифицированной лабораторной установке в стационарном режиме.

• Обработка и анализ результатов экспериментов.

• Соавторство в обосновании технологии разработки месторождений нефти с низкопроницаемыми коллекторами на уровне патентной новизны.

Степень достоверности результатов исследований

Выполненные исследования опираются на:

1) опыт и результаты теоретических и экспериментальных работ с участием СО2 в качестве рабочего агента; 2) публикации в области физики пласта, теории и практики разработки месторождений нефти с использованием технологий закачки в пласт СОг и карбонизированной водой, захоронения С02 в истощенных месторождениях нефти; 3) проводящиеся в ИПНГ РАН исследования по разработке биосферной концепции нефтегазообразования.

В основу авторских выводов и рекомендаций легли проведенные многочисленные экспериментальные исследования по тематике диссертации.

Соответствие тематики диссертации паспорту специальности

В своих исследованиях автор выполнял лабораторные эксперименты в рамках физики нефтегазоносных пластов. Область исследований включает также компьютерное моделирование процесса поддержания пластового давления в низкопроницаемых нефтеносных коллекторах на основе закачки С02 в качестве рабочего агента.

Диссертационное исследование соответствует пункту 2 - «Геолого-физические и физико-химические процессы, протекающие в пластовых резервуарах и окружающей геологической среде ...» и пункту 5 - «Научные основы компьютерных технологий проектирования, исследования...» паспорта специальности 25.00.17 - «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений». Следовательно, тематика диссертации полностью соответствует профилю специальности.

Апробация результатов исследований

Результаты работы докладывались на семинарах в ИПНГ РАН, а также на 3-х представительных научных конференциях.

• Международном научном симпозиуме «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов» (ВНИИнефть, 2013 г),

• Международном симпозиуме «Передовые технологии разработки, повышения нефтегазоотдачи месторождений и исследования скважин» (РАНХиГС при Президенте РФ, 2013 г).

• Всероссийском ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ГЕОХИ РАН, 2015)

Публикации

Основные положения работы изложены в 5-ти статьях, 3 из которых входят в список ВАК. Отдельные результаты исследований послужили основой для 2-х патентов на изобретения.

Структура работы

Диссертация изложена на 127 страницах, включает 41 рисунок, 9 таблиц. Список цитируемых работ составляет 97 единицы, в том числе зарубежных - 37.

Бл агодар н ости

Работа не могла быть выполнена без постоянной помощи и поддержки со стороны научного руководителя, докт. техн. наук. Э.С. Закирова, канд. физ.-мат. наук A.A. Баренбаума и проф. С.Н. Закирова. Важными были доброжелательное и стимулирующее отношение коллег по лаборатории газонефтеконденсатоотдачи: А.Д. Лысенко, И.М. Индрупского, Д.П. Аникеева, а также докт. техн. наук. A.B. Орешенкова. Всем им автор выражает искреннюю признательность. Автор благодарен заведующему кафедрой РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, проф. В.А. Винокурову и к.т.н. А.П. Семенову за возможность проведения контрольных экспериментов и помощь в процессе исследований. Автор также благодарит д.г.-м.н. Б.И. Писоцкого (ИПНГ РАН) и доцента МГУ Н.В. Пронину за предоставленные для экспериментов образцы сланцевых пород.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении акцентируется внимание на актуальности темы диссертационной работы, отражается научная и практическая значимость работы, защищаемые положения, степень достоверности выводов и рекомендаций, а также соответствие тематики исследований паспорту специальности. Дается обоснование тематики диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору предшествующих исследований в области

• применения СОг в технологиях повышения нефтеотдачи пластов,

• захоронения СОг в истощенных залежах нефти и газа,

• разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами.

В первой области выделяются исследования:

а) В. Балинта, А. Бана, Г.А. Бабаляна, М.А. Геймана, В.Р. Джонсона, Ш. Долешала, Т.П. Жузе, П.И. Забродина, Б.И. Леви, Дж.В. Мартина, Д. Менсая, Р.Ф. Нильсона, В.Г. Пантелеева, С. Пирсона, A.B. Радаева, А.О. Солодовникова, М.Л Сургучева, П.Д. Торрея, А.Б.Тумасяна, Л.П. Уортона и др. по определению свойств С02, растворимости С02 в воде и нефти, физико-химических эффектов при взаимодействии диоксида углерода с нефтенасыщенными пластами, по экспериментальному определению коэффициентов вытеснения нефти карбонизированной водой, оторочками С02;

б) по применению С02 в качестве рабочего агента в технологиях повышения КИН на месторождениях Гейдельберг Уэст, Кренфилд, Лейзи Крик, Мид-Стоун, Сассекс в США; Джофре Викинг, Жоффр и Пембина Вейбёрн в Канаде, Будафа в Венгрии, Бурасика и Рио Пожука в Бразилии, Туймазинском месторождении в СССР, Иванич в Хорватии.

Во второй области закачка СОг в истощенные месторождения рассматривается с позиций:

а) захоронения СОг как технологии сокращения выбросов его в атмосферу (проекты SACROC и North Cross в США, Weyburn в Канаде, In Salah в Алжире, Sleipner и Snohvit в Норвегии и т.д.);

б) третичной технологии повышения КИН в истощенных, обводненных нефтяных месторождениях (Рэнжли Уебер Сэнд Юнит) и газовых месторождениях.

Третья область исследований связана с разработкой месторождений нефти и газа в баженовских, сланцевых и иных низкопроницаемых коллекторах.

Также рассматривается концепция полигенеза нефти и газа, выдвинутая акад. А.Н. Дмитриевским и развиваемая A.A. Баренбаумом в варианте биосферной концепции генезиса нефти и газа. Их публикации явились побудительным стимулом для экспериментальных исследований автора.

Ранее эксперименты по изучению механизма низкотемпературного поликонденсационного синтеза УВ были выполнены В.И. Молчановым, акад. Н.В. Черским и В.П. Царевым. Ими доказано, что реакции синтеза УВ из окислов углерода (СО, СОг) и воды, термодинамически возможные при высоких температурах (свыше 200-400°С), могут протекать и при низких термобарических условиях. Однако ими вводились внешние механические воздействия, имитирующие сейсмические, тектонические процессы. Так, в экспериментах В.И. Молчанова активацию процессов создавали дроблением и истиранием твердых углеродсодержащих веществ, а в экспериментах Н.В. Черского и В.П. Царева -вращением насыпных модельных сред и пропусканием через них воды.

Выполненный анализ предшествующих исследований привел к целесообразности постановки соответствующих адекватных лабораторных экспериментов. Их отличие от предыдущих исследований состояло в:

• проведении динамических и стационарных экспериментов при низких термобарических условиях без внешних механических или иных воздействий,

• проведении экспериментов с СО2 на сланцах в динамических (проточных) и стационарных (застойных) режимах.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований применительно к динамическому режиму.

1 - баллон с СО2, 2 - баллон с аргоном, 3 - смеситель, 4 - реактор, 5 - сепаратор, 6 — емкость с раствором щелочи, 7 - хроматограф, 8 -регулировочный вентиль, 9 — манометр, 10 - соединительные трубки

При динамических экспериментах, сопровождавшихся хроматографическим анализом получаемых газообразных продуктов, исследовались физико-химические процессы при фильтрации карбонизированной воды с определенной скоростью через реакторную колонку, заполненную моделью пористой среды.

Эксперименты проводились на специализированной лабораторной установке, схема которой приводится на рис. 1.

Для насыщения диоксидом углерода воды использовались газовый баллон с СОг (40 л) (1) и баллон-смеситель (3) объемом 25 литров. Баллон с СОг (1) соединялся со смесительным баллоном (3) трубками (10). Наличие манометра и регулировочного вентиля на баллоне (1) позволяло поддерживать требуемое давление насыщения диоксидом углерода колодезной воды в смесителе (3). Рабочее (избыточное) давление варьировалось от 1 до 15 ат, что обусловливалось техническими причинами.

Для приготовления жидкого рабочего агента использовалась артезианская (колодезная) вода после процедуры аэрации. В опытах применялись также дистиллированная вода и модель морской воды, приготовленная на основе морской аквариумной соли.

После насыщения С02 карбонизированная вода из баллона (3), в результате открытия нижнего регулировочного вентиля (8), с некоторой постоянной скоростью поступала в реактор (4). В большинстве экспериментов реакционная колонка (4) заполнялась измельченной железной стружкой марки СТ.З в количестве 250 - 400 г, имитировавшей модель пористой среды, так как образцы горных пород автору были недоступны в силу их конфиденциальности.

Выбор железа в качестве наполнителя объясняется его нахождением в составе многих горных пород. В дальнейшем изложении железную стружку будем называть катализатором, хотя в ходе экспериментов было выявлено, что она проявляла себя и в качестве рабочего агента. В оправдание отметим, что железосодержащие соединения в реакции Фишера-Тропша традиционно рассматриваются в качестве катализаторов, несмотря на то, что являются и рабочими агентами. Также мы воспользовались тем обстоятельством, что, реагируя с водой, дисперсное железо и его окислы могут генерировать водород, вытесняя его из воды даже при комнатной температуре и атмосферном давлении, согласно расположению в электрохимическом ряду активности металлов.

Реакционная колонка (4) выполнена из металлопластиковой трубы со следующими характеристиками: высотой 1 м при внутреннем диаметре 19 мм и высотой 0,5 м при диаметре 32 мм. Реактор (4) оснащен регулировочными вентилями (8) для задания расхода карбонизированной воды. Замер текущего давления в реакторе осуществлялся манометром (9).

Карбонизированная вода с продуктами реакции из реактора (4) поступала в сепаратор (5) - проградуированную бутыль Вульфа. Сепаратор (5) служил для разделения газообразных продуктов и карбонизированной воды. После сепаратора (5) газообразная фаза подвергалась дополнительной очистке от непрореагировавшего С02 в бутыль Вульфа (6) со слабым раствором щелочи. После этого газообразные продукты подавались на хроматограф (7) «Хромопласт-001». Для продувки подводящих трубок (10), реакционной колонки (4), смесителя (3),

емкостей (5) и (6), а также процедур проверки герметичности системы использовался баллон с аргоном (2).

При изучении в динамическом режиме состава образованных газовых продуктов и сопутствующих физико-химических процессов были проведены серии исследований по влиянию на их показатели темпа прокачки, начального давления, состава наполнителя реактора.

В качестве примера, в таблице 1 приводятся результаты хроматографического анализа газов на выходе из реактора с железной стружкой после их щелочной доочистки для давления на входе реактора 10 ат, комнатной температуры и темпа прокачки карбонизированной воды 1 л/ч.

Таблица 1. Химический состав газовой фазы после её доочистки щелочью

Компонент Водород Азот Кислород Метан Этан Пропан Бутан со2 СО

Содержание, % 95,562 3,688 0,657 0,039 0,018 0,012 0,0004 0,007 0,017

Видно, что в газовой фазе содержатся газы, которых первоначально не было в карбонизированной воде. Это водород, метан и его гомологи, а также оксид углерода. Причем водород значительно преобладает. Присутствие азота мы объясняем попаданием в систему воздуха при отборе газовой пробы, а также некоторым его содержанием в колодезной воде. При этом уменьшение в 1,5 раза (0,18) соотношения кислорода к азоту в воздухе (02/N2 = 0,27) мы связываем с его расходом на окисление Fe в реакторе.

В диссертации к объяснению получаемых хроматографических результатов привлекаются идеи В.И. Молчанова, Н.В. Черского и В.П. Царева, а также предложенная на основе теоретического анализа A.A. Баренбаумом предполагаемая формула искомой реакции:

п • С02+(п+р+1) • Н20 + asFe = СпН2„+2+цН2+ Ee(FeO) + (^(Зп+ц+Ьае) • 02 (где ае и ц - стехиометрические коэффициенты).

Одной из задач экспериментальных исследований было изучение содержания водорода в продукции в зависимости от продолжительности прокачки карбонизированной воды, а также щелочной доочистки продуктов реакции от непрореагировавшего С02 (рис. 2). В изначальных экспериментах нередко наблюдался значительный разброс в концентрациях водорода.

Эксперименты с продолжительной прокачкой карбонизированной воды выявили наличие диапазона относительной стабилизации концентраций водорода с и без использования щелочного раствора для удаления непрореагировавшего С02. Стабилизация концентрации водорода устанавливалась после 4-5 часов экспериментирования. Соответствующие зависимости без очистки и с очисткой газов от С02 при давлении на входе реактора 3 ат и скорости прокачки 1 л/ч приводятся на рис. 2. Этот результат учтен в методике дальнейших экспериментов.

Рис. 2. Изменения во времени

содержания водорода в газовой фазе без доочистки (1) и с доочисткой от СОг

(2)

Отдельная серия экспериментов посвящена изучению влияния давления и скорости прокачки карбонизированной воды на интенсивность образования водорода. На рис. 3 представлены результаты исследований зависимости объемного содержания Нг в газовой фазе от рабочего давления в реакторе и скорости ее прокачки через реактор. Разброс точек вызван как нестабильностью течения карбонизированной воды через наполнитель реактора, так и непостоянством отношений объемов в сепараторной бутыли дегазирующегося СОг и образующегося водорода.

2 3 4

Время, ч.

Рис.3.Зависимости объемного содержания Н2 в газовой фазе без доочистки от давления в реакторе и скорости прокачки через реактор

1 — давление в реакторе

3 ат,

2 - давление в реакторе

6 ат

На результаты, представленные на рис. 3, оказывали влияние скорость прокачки, газонасыщенность воды и особенности процесса дегазации в сепараторе, что затрудняет выделение роли каждого фактора. Поэтому отдельная серия экспериментов была проведена для определения влияния давлений на интенсивность процесса распада воды в реакторе.

Карбонизированная вода в смесителе готовилась соответственно при давлениях 3, 6, 9 и 12 ат. Далее насыщенная С02 вода при заданном давлении пропускалась через реактор, откуда поступала в сепаратор. Затем продукты реакции доочищались от С02 и подвергались хроматографическому анализу.

На рис. 4 дается зависимости концентрации Н2 в продуктах реакции, как функция рабочего давления в реакторе. Замеры содержания водорода производились после 5-6 часов работы установки. Средняя скорость прокачки во всех экспериментах составляла 1л/ч. При каждом исследуемом давлении производилось несколько независимых экспериментов. Поэтому на рис. 4 показаны погрешности измерений, которые на основании 4-ех серий экспериментов составили ~3% отн.

Согласно рис. 4, с увеличением насыщения воды С02 содержание водорода в образованных газах возрастает с 81 до 93±3 объемных %. При давлениях выше 9 ат объемная доля водорода достигает значения около 95%.

Рис. 4. Зависимость объемного содержания 1Ь в газовой фазе продуктов

реакции от давления в реакторе после доочистки щелочью

К исследованиям второй главы соискатель относит следующие выводы.

• Эксперименты показывают, что наличие С02 в карбонизированной воде в присутствии природных катализаторов интенсифицирует генерацию углеводородов даже при низких термобарических условиях и при отсутствии каких-либо сторонних воздействий. Исследования показали, что способность Ре вытеснять водород из НгО существенно зависит от содержания СОг, растворенного в карбонизированной воде.

• Следовательно, эффективность использования СОг в технологиях повышения нефтеотдачи сегодня недооценивается, так как допустимо рассчитывать на неучитываемый ещё и незамеченный в промысловой практике эффект от попутной добычи углеводородов и водорода в качестве побочных продуктов.

• Ситуация с проектами по захоронению С02 аналогична. Подчас проектанты не учитывают возможное сокращение затрат на захоронение СОг в истощенных месторождениях за счет генерации, даже на этапе закачки, гомологов метана и водорода, в первую очередь.

• Результаты экспериментов востребованы в биосферной и неорганической концепциях 'генезиса нефти и газа. Они подтверждают справедливость и причастность для этих концепций реакции поликонденсационного синтеза.

Автор не абсолютизирует результаты экспериментов. Ведь водород требует учета его нетривиальных свойств, связанных и с его всепроникающей способностью. Кроме того, не всегда можно рассчитывать на воспроизводимость

предыдущих экспериментов, о чем будет сказано в следующей главе. Важно, что привнесение в физику нефтегазового пласта хроматографического анализа открывает немалые перспективы, прежде всего в экспериментах с диоксидом углерода. Соответственно отсюда начнет формироваться новое отношение к процессам, в которых участвует диоксид углерода.

В третьей главе освещаются результаты исследований при стационарном режиме функционирования установки. Такой режим присущ, например, месторождениям, которые консервируются или забрасываются. Известно, что в них после операций по повышению КИН на основе закачки С02 с или без воды остаются ещё нефть и карбонизированная вода с непрореагировавшим С02. То есть, в данной работе диапазон в скоростях фильтрации находится в пределах от нуля (в стационарном режиме) до весьма больших значений в динамическом режиме.

Автору не известны специализированные эксперименты в стационарном режиме. Это не случайно, так как практика не подталкивала к соответствующим исследованиям. Именно практика и теория последнего времени привели нас к идее исследований при стационарном режиме. Схематичный вид соответствующей установки претерпел изменения по составу элементов от схемы установки в динамических исследованиях (рис.5).

Рис. 5. Схема лабораторной установки в стационарных экспериментах.

Обозначения: 1 - баллон с СО2, 2 — баллон с аргоном, 3 — смеситель, 4 - реактор, 5 — сепаратор, 6 - регулировочный вентиль, 7 — манометр, 8 - соединительные трубки

В установке при непроточном режиме не задействована щелочная емкость, так как щелочная доочистка увеличивала вероятность попадания в пробу атмосферного воздуха. В данной схеме установки реактор (4) отличался своими размерами. Внутренний диаметр полипропиленовой трубы реактора (4) составлял 32 мм, а высота ограничивалась 1 м.

Стационарный режим в экспериментах заключался в следующем. В смесительном баллоне (3) осуществлялась подготовка карбонизированной воды. В стационарных экспериментах ограничивались начальным давлением 2-5 ат. В реактор (4) закачивалась карбонизированная вода при заданном давлении. После этого вентили (6) на входе и выходе из реактора (4) перекрывались. Далее по манометру (7) производились замеры во времени давления в реакторе (4). С погрешностью около 0,1 ат после окончания эксперимента газообразные продукты реактора (4) сепарировались или сразу из реактора подвергались

хроматографическому анализу.

То есть, в отличие от динамических в стационарных экспериментах осуществлялись наблюдения как за динамикой давления, так и составом продуктов реакции.

На рис. 6 даются зависимости нарастания давления в реакторе при двух начальных давлениях. Заметно, что с повышением начального давления растет и интенсивность протекания исследуемого процесса. Объяснение этому в том, что с ростом давления в смесителе возрастает концентрация С02 в рабочем агенте. Это и влияет на интенсивность распада воды с выделением водорода, который предопределяет различие в давлениях и в темпах их изменения.

О 5 10 15 20 25

Время,Ч.

Рис. 6. Динамики давления в реакторе в экспериментах при начальном давлении 2 ат (1) и 4 ат (2)

Со временем рост давления в реакторе замедляется, и кривые выполаживаются. Этот эффект может быть объяснен ухудшением каталитической активности наполнителя реактора вследствие экранирования ее поверхности продуктами разных возможных реакций. Анализы ИОФХ КНЦ РАН показывают, что на наполнителе реактора осаждаются как более тяжелых УВ, так и окислы железа (БеО, Ре20з, Рез04 и БеСОз), частично попадающие в жидкую фазу.

В стационарных условиях проведены исследования по определению температурного режима реакции. На рис. 7 прослеживается рост температуры в реакторе по сравнению с внешней температурой, колебания которой находились в пределах 1°С.

Рис. 7. Поведение температуры в стационарном эксперименте с

железной стружкой. 1 — температура в реакторе, 2 — внешняя температура

0 12 3 4

Время, ч.

В стационарном режиме исследованы различные факторы, способные влиять на интенсивность каталитического процесса. Так, отдельный цикл экспериментов посвящен влиянию состава закачиваемой жидкой фазы на интенсивность роста давления. Поэтому помимо насыщенной СОг колодезной воды использовались также модели жидкого флюида на основе дистиллированной воды и морской с аквариумной солью. Целесообразность различных вариантов по составу воды связана с их разнообразием в процессах разработки нефтяных месторождений.

На рис. 8 представлены некоторые результаты сравнительных стационарных экспериментов со стальной стружкой и с разными моделями рабочего флюида без процедуры насыщения диоксидом углерода. Показателен факт роста давления на всех вариантах моделей жидкого флюида. Правдоподобная гипотеза объяснения более интенсивного роста, наблюдаемого в экспериментах с колодезной водой, состояла в наличии в ней некоторого количества растворенного СОг, что делало её, по сути, слабо карбонизированной. Это подтвердили анализы химического состава колодезной воды, в которых содержание С02 составило 35,1 мг/л. Также по данным стандартного стороннего лабораторного анализа колодезная вода содержала в своем составе ионы: гидрокарбоната - 412-428 мг/л, кальция - 40-50 мг/л, магния - 10-13 мг/л, натрия - 2-4 мг/л.

Рис.8. Зависимости давления от времени в экспериментах со стальной стружкой, на разных моделях воды без насыщения диоксидом

углерода. 1,2 — колодезная вода, 3 - дистиллированная вода, 4 - модель морской воды

Рост давления в экспериментах с дистиллированной и морской водой является следствием низкоинтенсивного характера протекания реакции выделения водорода за счет распада воды при низких термобарических условиях.

Эксперименты показывают, что С02 в них выступает не только в качестве рабочего агента (донора углерода), он также способствует интенсификации протекания реакции разложения воды. То есть, разложение воды происходит и без участия СОг - в контакте с железным катализатором и водой при стационарном режиме и низких термобарических условиях.

Для более детального изучения реакционных свойств железного катализатора с участием ненасыщенной С02 колодезной воды проведена отдельная серия опытов. Для исключения влияния многочисленных факторов эксперименты ограничились закачкой в реактор (3) обычной негазированной воды. Схема установки (рис. 9) состояла из реакторной колонки (3), заполненной железосодержащим наполнителем

Время, ч.

СТ.З, и оборудования (фильтры и насосы) системы бытовой водоподготовки (1 и 2). Реактор (3) представлял собой фторопластовую трубу с внутренним диаметром 40 мм и высотой 1 м.

На входе и выходе реактор оснащен регулировочными вентилями (4) для осуществления герметизации и общетехническим манометром (5). После прокачки через реактор (3) колодезной воды в количестве его 15-20-ти поровых объемов, он перекрывался регулировочными вентилями (4). При этом начальное давление равнялось 2 ат. Далее с момента герметизации реактора проводились наблюдения за поведением в нем давления в течение 50 - 55 часов, что фиксировалось манометром (5).

Рис. 9. Схема лабораторной установки для исследования каталитических особенностей железного наполнителя в стационарных

экспериментах. 1,2 — оборудование (фильтры и насосы) системы бытовой водоподготовки скважинной

воды, 3 - реактор, 4 - регулировочные вентили, 5 - манометр

По прошествии 50-ти часов наблюдений, когда рост давления уже не отмечался, текущий эксперимент из серии считался оконченным. К концу эксперимента давление в реакторе возрастало в несколько раз. Из-за относительно малого (по сравнению с экспериментами на насыщенной С02 воде) роста давления, в этой серии опытов отобрать на анализ газообразные продукты реакции не представлялось возможным из-за преобладания жидкой фазы.

Особенность всего эксперимента состояла в том, что без замены железной стружки он в общей сложности продолжался почти 1500 часов. В течение этого времени было выполнено 17 "мини-экспериментов", ограниченных 50 часами (рис.10). Между каждыми мини-экспериментами через стружку прокачивалась вода, чтобы исключить «эффект наложения» результатов предыдущего опыта.

Соответствующая динамика достигнутых конечных давлений в каждом из мини-экспериментов приводится на рис. 10. Отсюда напрашивается вывод о том, что активность одного и того же образца наполнителя реактора в процессе образования преимущественно водорода меняется при ее нахождении в водной среде. При этом наблюдается затруднительный для объяснения рост во времени каталитической активности железного наполнителя в течение почти 400 часов, после чего она постепенно уменьшается за счет коррозионных процессов и экранирования поверхности наполнителя продуктами разных возможных реакций.

Рис. 10. Обобщенный график динамики конечных давлений в последовательных 50-ти часовых стационарных экспериментах с колодезной водой и железной стружкой

Важный вывод здесь в том, что Fe в рассматриваемых исследованиях играет роль не только катализатора, но является и рабочим агентом. Поэтому затруднительно проведение дублирующих экспериментов и получение идентичных результатов на одном и том же наполнителе. С другой стороны, полученные результаты нужно учитывать при обосновании варианта формулы протекающей каталитической реакции.

Результаты экспериментов, выполненных на авторских лабораторных установках, удалось продублировать и подтвердить на лабораторной многоячеистой каталитической установке «Parr Multiple Reactor Heater System 5000 Series» (рис. 11), любезно предоставленной нам профессором В.А. Винокуровым (РГУ

нефти и газа им. И.М. Губкина).

Рис. 11. Общий вид многоячеистой

каталитической установки «Parr Multiple Reactor Heater System 5000 Series»

Установка содержала шесть независимых ячеек-реакторов, рассчитанных на диапазон давлений и температур до 350 °С и 200 ат при погрешности замера давлений - 0,01 ат, температуры - 0,1 °С.

Управление установкой и сбор измеряемых параметров проводился через процессор-контроллер. Каждая из ячеек представляла собой цилиндрический стакан из нержавеющей стали объемом 45 мл. Контрольные и дополнительные исследования заключались в изучении интенсивности протекания физико-химических процессов в стационарном режиме при контакте СТ.З или дробленой

сланцевой породы с карбонизированной или дистиллированной водой. Реализация динамического режима на установке не была конструктивно предусмотрена.

Насыщение воды диоксидом углерода осуществлялось в отдельном смесительном баллоне объемом 5 л под избыточным давлением от 2 до 5 ат. В некоторых экспериментах реализовывалась возможность дополнительной подачи порции С02 из баллона в уже герметизированный реактор через обратный клапан. В результате в реакторе достигались давления порядка 60 ат.

Из комбинации составов жидкой фазы и используемых наполнителей реакторных ячеек для сравнительного анализа сложились следующие серии экспериментов: карбонизированная вода и стальная стружка (СТ.З), карбонизированная вода и чугунная дробь (ДЧЛ-3,6), дистиллированная вода и стальная стружка (СТ.З), карбонизированная вода без твердой фазы (наполнителя). После протекания реакции в течение 20 - 150 ч проводился хроматографический анализ газовой фазы на хроматографе "Хроматэк - Кристалл 5000.2".

Результаты экспериментов подтверждают приведенные ранее результаты на авторской лабораторной установке. Эксперимент с Fe и карбонизированной водой характеризуется наибольшим выходом водорода и ростом давления. Использование дистиллированной воды вместо карбонизированной характеризуется небольшим приростом давления, но газовые пробы свидетельствуют, что и здесь имеет место низкоинтенсивный процесс образования водорода.

Обращают на себя внимание опыты с чугунной дробью, где при малом приросте давления (всего примерно в 1,3 раза от начального) получились повышенные выходы и широкий спектр углеводородов. Это объясняется различием в удельной поверхности и компонентном составе между чугунной дробью и стальной стружкой.

Опыты с карбонизированной водой без наполнителя из СТ.З, с одной стороны, подтвердили необходимость наличия железного катализатора для интенсификации процесса распада воды. С другой стороны, они показали возможность протекания низкоинтенсивного процесса образования водорода (в размере 0,014 % за 95 часов) за счет вступления в реакцию железа, входящего в состав самой ячейки.

В рамках изучения изменения состава газовой фазы реактора в зависимости от времени контакта железной стружки с карбонизированной водой под избыточным давлением были получены довольно неожиданные и интересные результаты. Например, в экспериментах с Fe и карбонизированной водой при температуре 25°С начальное давление в реакционной ячейке составляло 4,10 ат. За 144 ч давление в одном из экспериментов возросло до 20,8 ат, после чего из ячейки последовательно были отобраны четыре пробы газа для анализа на хроматографе, то есть, при снижающемся давлении. Согласно анализам газа, здесь наблюдается преобладание объемной доли водорода в конечных продуктах реакции, повышающееся по мере извлечения газа с 84% до 95,8%. Содержание же С02 при этом снижается и не превышает в анализируемых пробах 3%. То есть, здесь сказывается хоть и замедленная, но непрерывная во времени физико-химическая реакция, связанная как с распадом воды, так и с расходом углерода на образование FeC03.

Наблюдаемый в стационарных экспериментах прирост давления свидетельствует о происходящем в реакторе разложении воды, массу которой

можно определить, измеряя объем образовавшегося водорода. Для этого потребовалась серия экспериментов по измерению количества и состава выделившейся газовой фазы из карбонизированной воды (при атмосферном давлении) в начале и в конце стационарного опыта.

Сущность методики экспериментов сводилась к тому, что реактор с железной стружкой многократно заполнялся насыщенной С02 водой, а объем выделяемого из него газа измерялся после разных времен экспозиции (время нахождения воды в реакторе), рассматривавшихся как «фоновые» и «информативные» замеры (рис. 12).

Замеры с экспозицией равной 1 мин считались фоновыми. Отобранный в них газ почти полностью состоял из С02, а его объем соответствовал тому, который выделялся из карбонизированной воды при уменьшении давления от начального до атмосферного, при котором проводились замеры. Опыты с экспозицией 20 часов и более считались информативными. В этом случае в газе наряду с С02 присутствовал

Рис 12. Объемы выделившегося газа в зависимости от начального давления карбонизированной воды. Кружки - фоновые замеры, квадраты — информативные измерения. Закрашенным цветом показаны измерения разных серий. Погрешности: фон -2,1 мл; информативные измерения — 3,8 мл

Измеряя разностный эффект между информативными и фоновыми замерами, мы находили объем образовавшегося Н2, и через него определяли количество распавшейся в реакторе воды.

В диапазоне начальных давлений 3.0^4.3 ат и времени экспозиции 20 часов указанная разность составляла VH = 25±5 мл. Этот объем VH создавал водород, который при атмосферном давлении имеет плотность рн = 110^ г/см3, а его масса равняется mH = VH'|>h = (2,5± 0,5)-10 3 г. Отсюда имеем массу распавшейся воды М = тн/0,11 = 2,3-10" г, что составляет M/40 ~ 8Т0"4 часть ее количества воды в реакторе. Переходя к оценке скорости распада воды, находим, что за 1 час в реакторе распадается ~4Т0"5 г/г Н20.

Это довольно важный вывод, но пока трудно реализуемый с точки зрения переноса результатов экспериментов в условия осадочного чехла земной коры с обилием Fe и его соединений, где большая масса подземных вод практически всегда содержит растворенный С02.

С целью приближения к природным процессам нами были проведены эксперименты на образцах сланца из Айпимского месторождения и обнаженных

водород, образовавшийся из воды.

Iii st * 1

/I

4h>

Л/

ф

Давление, ат

сланцевых отложений. В соответствующих сериях стационарных экспериментов на авторской и сертифицированной лабораторных установках реактор заполнялся измельченным сланцем. На авторской установке в качестве наполнителя реактора выступал измельченный сланец из обнаженных сланцевых отложений, а на сертифицированной лабораторной установке - из Айпимского месторождения. В качестве жидкой фазы использовалась модели вод разного состава (с и без насыщения С02).

Как показали стационарные исследования со сланцевыми образцами из обнаженных отложений, на всех моделях закачиваемого флюида происходит рост давления (рис. 13). Причем интенсивнее всего он происходит при закачке карбонизированной воды и колодезной воды, как и в экспериментах с железной стружкой. Опыты с дистиллированной водой и моделью морской воды отличаются более низкой интенсивностью процесса нарастания давления.

&

бремя, час

Рис. 13. Изменения во времени давления в реакторе, заполненном сланцем. Обозначения: 1 - дистиллированная вода, 2 - модель морской воды, 3 - колодезная вода, 4 - карбонизированная вода

В отличие от стационарных исследований с железным катализатором, прирост давления в опытах с природным сланцем характеризуется меньшим темпом изменения. Это объясняется тем, что в сланцевой породе содержание активных катализаторов (например, Ре) меньше, чем в используемой ранее железной стружке. Но даже минимального количества оказалось уже достаточно для активации процессов разложения воды и синтеза углеводородов.

Проведенный на кафедре физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина элементный анализ сланцевых образцов методом энергодисперсионной спектрометрии свидетельствует о наличии широкого спектра в них химических элементов, а также о неоднородности их состава. Содержания в разных образцах элементов изменялись в следующих пределах: С 37 - 65 % (% ат.), О 15 - 55 %, Ре 0,5 - 30,3 %, А1 0,3 - 4,92 %, 3,9 - 12,5 %, N3 < 0,5 %, 7\ < 0,32 %. Очевидно, что каждый компонент, входящий в состав сланцевой породы, может влиять на ее каталитические свойства, а значит привносить свой вклад в образование водорода и углеводородов.

В контрольных стационарных экспериментах на сертифицированной установке сланцевая порода из Айпимского месторождения также дробилась до получения окатанных обломков размером от 0,2 до 1 см. Затем молотым сланцем

заполнялось несколько реакторных ячеек. Внутри реактора помещалось до 35 гр. дробленой породы.

Одна из серий экспериментов была направлена на изучение прямого воздействия углекислого газа на сланцевую породу. Для этого вода из ячейки с раздробленным сланцем полностью удалялась. Затем реактор заполнялся диоксидом углерода под разным начальным давлением.

В данной серии экспериментов было проведено несколько параллельных опытов на двух разных ячейках при одинаковых начальных термобарических условиях (Р = 60 ат, Т=25 °С), но разной длительности. Каждый эксперимент заканчивался отбором пробы газа и определением его химического состава. Промежуток времени между отбором проб газа из реакторов составил 25 дней, а между началом опыта и отбором проб для каждого из реакторов 5 и 30 дней соответственно. Результаты хроматографического анализа показали довольно низкий, по сравнению с серией опытов с железной стружкой и карбонизированной водой, выход метана и водорода, ответственного за повышение давления в ячейке. В экспериментах на сланцевых образцах при больших давлениях оно практически незаметно. В целом закачка С02 без воды положительно сказалась на выходе более тяжелых компонентов широкой фракции лёгких углеводородов. Содержание ряда углеводородов после нахождения углекислого газа в контакте с породой в течение 30 дней увеличилось в 3-8 раз.

Одной из задач экспериментов также стало исследование влияния температурного фактора. Опыт состоял в нагреве дробленого сланца и С02 в реакторе до заданной температуры с поддержанием ее на постоянном уровне до окончания наблюдений. Опыты проводились при начальном давлении 10 ат и начальных температурах 50 и 100°С. Для сравнения полученных результатов предварительно был проведен эталонный эксперимент при комнатной температуре (25°С) без нагрева реактора.

Каждый опыт начинался с закачки С02 в ячейку под давлением 10 ат при комнатной температуре. С ростом температуры в ячейке давление в ней также возрастало до определенной величины и стабилизировалось. Поэтому в опытах с нагревом ячейки для наглядности за начальные значения давлений принимались показания давлений после выхода температуры на заданный экспериментом уровень (50°С или 100°С).

По данным представленного в табл. 2 хроматографического анализа газовой фазы, отобранной после 24 ч нахождения сланца в контакте с нагретым диоксидом углерода, прослеживается только рост преимущественно содержания гомологов метана с повышением температуры. По сравнению с опытами с железной стружкой, в анализируемом газе высока доля и спектр представленных гомологов метана.

В случае экспериментов на сланце Айпимского месторождения исследования проводились при разных температурах, с присутствием С02, но без водной фазы. В этих опытах, естественно, водород себя не мог проявлять. Зато имеет место довольно широкий спектр гомологов метана. Полученные результаты есть следствие в большей степени экстрагирующих свойств С02. В случае справедливости такого вывода, значимость закачки С02, например, в истощенные месторождения может характеризоваться дополнительным положительным следствием.

Таблица 2. Результаты хроматографического анализа газовых проб после стационарных экспериментов со сланцем и С02 при 25°С и 100°С, Р=10 ат.

25 С. Р=10 пт 100 С, Р-10 ат

Проба Проба Л'«2 Проба №1 Проба

Компонент % мол. °о МОЛ. Ч о мол. °о МОЛ.

Н2 0.000 0.000 0,000 0.000

о2 0.249 0.373 0.315 0.445

N2 1.279 1.626 1.422 1.940

СО 0.0004 0.0005 0.0007 0.0009

ГН< 0.000 О.ОООЗ 0,004 0.004

со2 98.523 97.975 98.216 97.558

С2Н6 0.000 0.000 0.000 0.000

С3н8 0.0019 0.0017 0.0040 0.0038

П-С4Н10 0.00176 0.00174 0.00909 0.00920

н-С«Н10 0,0065 0,0068 0.0196 0.0194

||-С5Нц 0.0036 0.0038 0.0203 0.0200

н-С?Н12 0,0058 0.0062 0.0224 0,0225

С'«н14 0,0042 0.0044 0.0213 0.0212

с,н„ 0,0004 0.0007 0.0029 0,0031

Результатом исследований в третьей главе являются следующие выводы.

1. Исследования в стационарном режиме расширяют и дополняют понимание фактов, имеющих место в экспериментах при динамическом режиме. По результатам экспериментов можно утверждать о возможности протекания в недрах Земли низкотемпературного поликонденсационного синтеза УВ с образованием гомологов метана и водорода на основе разложения карбонизированной воды в присутствии природных катализаторов при низких термобарических условиях и без каких-либо сторонних механических и иных воздействий.

2. Такой вывод подтверждается поставленным Природой экспериментом на газохранилище ЬоЬосПсе в Чехии. Данное ПХГ было создано для хранения городского газа, получаемого из угля. В одном из циклов хранения были сделаны анализы закачиваемого газа и отбираемого для потребления. Закачанный в хранилище газ содержал 55% Н2, 20% СЮ2+СО и 20% СН4. После 7 месяцев хранения добываемая смесь характеризовалась уже другим компонентным составом. Она содержала 37% Н2, 12% С02+С0 и 40% СН4. То есть, за семь месяцев хранения содержание метана возросло в два раза, а суммарное содержание углекислого и угарного газа почти во столько же раз уменьшилось. Изотопный анализ показал, что часть добываемого СН4 изотопно отличалась от закачанного метана. Увеличение выхода метана и изменение его изотопного состава, с нашей точки зрения, могут быть объяснимы с позиций геосинтеза, а не воздействия метаногенных бактерий (по мнению авторов соответствующей публикации).

3. Рассматриваемые физико-химические процессы могут позволять увеличивать эффективность применения С02 для повышения КИН на разрабатываемых или истощенных месторождениях нефти. Они также могут объяснить механизм синтеза углеводородов в биосферной концепции образования

нефти и газа. К тому же в природных условиях не исключено наличие более эффективных катализаторов в горных породах, что, благодаря синергетическому фактору, может приводить к большей результативности технологий разработки и доразработки месторождений нефти на основе СОг, а также при захоронении С02 в соответствующих объектах и месторождениях.

4. Рассматриваемые процессы помимо проблемы генезиса углеводородов и водорода позволяют естественным образом объяснять известный механизм дегазации Земли и наличие водородного шлейфа за пределами поверхности нашей планеты.

5. Сланцевые породы в присутствии жидкой фазы также показали возможность протекания в них низкоинтенсивного поликонденсационного синтеза с выделением в газовую фазу большого спектра гомологов метана. Причем с повышением температуры закачиваемого С02 на сланцах проявляются процессы адсорбции и возможно экстракции. Низкая же интенсивность роста давления в стационарном режиме, по сравнению с железной стружкой, объясняется количеством присутствующих в сланцах каталитически активных элементов, в первую очередь железистых соединений. Соответственно, сланцы могут рассматриваться как объекты для захоронения С02 с сопутствующим дополнительным привносом углеводородов за счет адсорбционных процессов.

6. На основе проведенных исследований удалось оценить массу разрушающейся в экспериментальной ячейке воды, что представляет интерес применительно к доразработке месторождений нефти, утилизации диоксида углерода и получения экологически чистого носителя энергии.

7. Что касается других результатов исследований в стационарном режиме в данной главе, то они довольно подробно изложены по тексту.

В четвертой главе обосновывается технология разработки месторождений нефти с низкопроницаемыми коллекторами. К таким месторождениям мы относим те, у которых запасы нефти признаны нерентабельными на основе граничных значений пористости, проницаемости, нефтенасыщенности. Разрабатываемые же месторождения со сланцевой нефтью характеризуются проницаемостью коллекторов много меньшей традиционного граничного значения проницаемости в 1 мд.

Тем не менее, такие месторождения разрабатываются, но в режиме истощения пластовой энергии, что предопределяет низкие значения ожидаемых КИН. Тогда реалистичны следующие рассуждения. Если нефть все же притекает к добывающим скважинам, то, следовательно, речь может идти и о поддержании пластового давления.

Вследствие низкопроницаемости коллекторов в качестве рабочего агента целесообразно рассматривать, прежде всего, газообразные агенты. Поэтому согласно выполненным экспериментам в качестве рабочего агента рассматривается со2 в той или иной технологической модификации. Так как использование С02 будет способствовать не только поддержанию давления, вытеснению нефти к забоям добывающих скважин, но и генерировать некий объем гомологов метана, а также водород.

Очевидно, что природный геосинтез здесь будет повышать эффективность технологии разработки на основе СОг. Знание же механизма геосинтеза заставит недропользователя повышать степень герметичности не только скважин, но и промысловой инфраструктуры.

Реальные пласты характеризуются разнообразием и коллекторских свойств, и природных катализаторов. Поэтому в каждом конкретном случае будет отыскиваться наиболее адекватная модификация технологии разработки на основе СО2 в качестве рабочего агента.

Отсутствие у автора

• необходимого набора требуемой информации,

• а также программного продукта для учета в прогнозных расчетах выявленных физико-химических процессов привело к решению следующей синтетической задачи.

При постановке задачи использовалась модель многомерной многофазной фильтрации, а в качестве коммерческого программного продукта - tNavigator компании RockFlowDynamics.

Продуктивный пласт является низкопроницаемым (1мд), нерентабельным по определению и относится к неколлекторам. Другие исходные данные следующие: начальное пластовое давление - 230 ат, вязкость нефти - 1 спз, объемный фактор -1,6 м3/м\ толщина пласта - 20 м.

В результате автором при поддержке научного руководителя были выполнены следующие сопоставительные альтернативные расчеты.

Пятиточечный элемент разработки имеет размеры 500x500 м, он разбурен горизонтальными скважинами с длинами стволов - 200 м. Вокруг горизонтальных стволов сетка в один слой измельчена и проницаемость этих слоев в 10 раз ■превосходит проницаемость самого пласта, что имитирует техногенную трещиноватость в результате многостадийного ГРП.

В вариантах I и III все скважины в элементе разработки являются добывающими, то есть, разработка реализуется в режиме истощения пластовой энергии, скважины эксплуатируются при забойном давлении 30 ат.

В вариантах II и IV одна из скважин становится нагнетательной. В неё осуществляется закачка карбонизированной воды с вязкостью 1 спз при забойном давлении 300 ат.

При этом в вариантах I и II характерным является то обстоятельство, что размеры элемента разработки составляют 400x400 м, а в вариантах III и IV -500x500 м.

Результаты расчетов в виде динамики КИН в сопоставляемых вариантах приводятся на рис.14.

Отсюда видна реальность исходной идеи о возможности поддержания давления в низкопроницаемых пластах, числящихся зачастую в разряде неколлекторов, не пригодных к разработке. Приведенные результаты расчетов соответствуют частному примеру. Очевидно, что здесь допустимо исследование большого числа вариантов, однако это не входило в цели данной работы. Так же очевидно, что будут возникать и неочевидные эффекты.

Время, ГОДЫ Время, годы

Рис. 14. Зависимости от времени КИН Рис. 15. Сопоставление динамик

в вариантах III и IV приемистости нагнетательной скважины

1 — вытеснение карбонизированной во времени

водой, в вариантах II и IV

2 - истощение 1 - расстояние 500x500 м

2 - расстояние 400x400 м

Приведем лишь один, который соответствует случаю, когда расстояние между скважинами составляет 500 м. На рис. 15 дается сопоставление динамик приемистости нагнетательной скважины для случаев расстояния между скважинами в 400 и 500 м. Отсюда видно, что низкая проницаемость при изменении расстояния между скважинами сказалась на необычной динамике приемистости нагнетательной скважины - начальном снижении и последующем росте приемистости нагнетательной скважины. Несмотря на то, что вязкость нефти и закачиваемой воды одинаковы.

Рассматриваемый подход к разработке является реалистичным не только применительно к нефтяным, но и к газоконденсатным, в ряде случаев и газовым месторождениям с низкопроницаемыми коллекторами. Так, если в газоконденсатной залежи не поддерживать пластовое давление, то конденсат будет выпадать в пласте, становясь неподвижным. То есть, в случае газоконденсатной залежи поддержание давления прежде всего решает проблему конденсатоотдачи. Поддержание же давления в газовой залежи, а также в газоконденсатной позволяет отодвигать во времени период компрессорной эксплуатации. Кроме того, в этих залежах при поддержании пластового давления будут сокращаться объемы низконапорного газа. Так, в идеале, если закачиваемый агент на основе С02 вытеснит весь природный газ, то практически никакого, в том числе низконапорного газа не останется в недрах земли.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Избегая повторений и учитывая ограничение на объем, можно отметить, что выводы по результатам исследований нашли отражения в каждой главе.

• Выявленный природный геосинтез свидетельствует о реальности генерации углеводородов, а также водорода и кислорода при низких термобарических условиях, без сторонних механических или иных воздействий, как

при динамических (фильтрационных), так и стационарных (застойных) условиях в результате разложения воды в присутствии СОг и природных катализаторов. Данный феномен востребован для практики разработки месторождений нефти и газа, для технологий захоронения СОг, биосферной и неорганической концепций генезиса нефти и газа, а также для объяснения некоторых природных явлений в виде дегазации Земли, шлейфа водорода за планетой Земля и др.

• Автор солидаризируется со своими помощниками и консультантами в том, что выполненные эксперименты приводят к целесообразности ориентации научной дисциплины «Физика пласта» в нефтегазовой науке на «Физико-химию пласта». Ведь даже привнесение только методов хроматографического анализа может позволить выявить целый ряд новых представлений. Очевидно, что дополнительные анализы жидкой фазы повысят роль и значение этой обновленной научной дисциплины. Именно отсутствие такой возможности у автора, научного руководителя и консультантов убедило нас в данной необходимости и целесообразности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1. Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум A.A., Климов Д.С., Лысенко А.Д., Орешенков A.B. Природный геосинтез углеводородов и его следствия. / Тр. IV Межд. Научного симпозиума "Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов". Том I..C.130 - 135, г. Москва, ВНИИнефть, 18-19 сентября 2013 г.

2. Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум A.A., Серебряков В.А., Климов Д.С., Лысенко А.Д. Геосинтез в проблеме происхождения нефти и газа. / Тр. VIII Международного симпозиума "Передовые технологии разработки, повышения нефтегазоотдачи месторождений и исследования скважин", с.43 - 46, г. Москва, РАНХиГС при Президенте РФ, 20-21 марта 2013 г.

3. Семенов А.П., Закиров Э.С., Климов Д.С. Взаимодействие сланцевых отложений с карбонизированной водой и диоксидом углерода. // Технологии нефти и газа, №3 (92), 2014, с. 47-52

4. Семенов А.П., Закиров Э.С., Климов Д.С. Сравнительные лабораторные исследования процессов геосинтеза на модельных образцах геологических сред. // Технологии нефти и газа, №4 (93), 2014, с. 33-37

5. Закиров Э.С., Климов Д.С., Лысенко А.Д. Некоторые особенности фильтрации карбонизированной воды на основе лабораторных экспериментов. // Нефтепромысловое дело,- №1, 2015, с. 30-35

6. Закиров С.Н., Закиров Э.С., Баренбаум A.A., Орешенков A.B., Климов Д.С., Лысенко А.Д. Способ разработки месторождений природных углеводородов в низкопроницаемых пластах /: Заявка РСТ RU 2013000344 от 22.04.2013.

7. Баренбаум A.A., Климов Д.С. Измерение скорости разрушения карбонизированной воды при геосинтезе. // Всероссийский ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ВЕСЭМПГ-2015) / Тезисы докладов. М.: 2015. ГЕОХИ РАН -ИЭМ РАН. 2015. с.13-14.

Подппсапо в печать 23.07.2015 Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат 60x90/16. Усл. печ. л.1. Заказ № 1112 Тираж 100 экз. Типография ООО «Навигатор» 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, д. 16, стр. 60 Тел.:+7 (495)971-30-02