В этой связи исследование альтернативных технологий разработки, таких как закачка азота и использование внутрипластового горения с закачкой воздуха, становится все более актуальным [4,5]. Эти методы позволяют как поддерживать необходимый уровень пластового давления, так и стимулировать химические реакции в пласте, приводящие к дополнительной добыче ресурсов. Особый интерес представляет возможность производства водорода – чистого энергоносителя, который становится все более востребованным в мировой энергетике [2, 6].
Целью данной работы является проведение сравнительного анализа трех методов разработки газоконденсатных месторождений, а также оценка их эффективности в условиях современных вызовов нефтегазовой отрасли.Цели и задачи научной работы
Основная цель исследования – анализ и сравнение трех методов разработки газоконденсатного месторождения с целью определения наиболее эффективного метода, способного увеличить коэффициент извлечения углеводородов и оценить перспективы получения водорода. Для достижения поставленной цели в ходе исследования были определены следующие задачи:- Изучение традиционного метода разработки газоконденсатных месторождений в режиме истощения пластовой энергии.
- Анализ метода закачки азота для поддержания пластового давления.
- Рассмотрение новой технологии закачки воздуха и внутрипластового горения, с акцентом на получение водорода в пластовых условиях.
- Оценка эффективности каждого метода с точки зрения увеличения коэффициента извлечения углеводородов.
Анализ перспективных направлений дальнейших исследований и возможности их внедрения в практику нефтегазовой отрасли.
Объект и методы исследования
Объектом исследования является газоконденсатное месторождение в Западной Сибири, которое характеризуется значительным потенциалом для увеличения добычи углеводородов благодаря применению новых технологий, таких как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта. Характеристика пласта включает активную подстилающую воду и сложную геологическую структуру, что требует тщательного моделирования и подбора оптимальных методов разработки.
Для анализа эффективности различных методов разработки была создана гидродинамическая модель, включающая сектор залежи размером 5 x 3 км. Модель охватывала 15 эксплуатационных и три нагнетательные скважины. Все добывающие скважины управлялись в режиме поддержания давления на уровне 51 бар, в то время как в нагнетательных скважинах поддерживалось давление 231 бар. Это обеспечивало равномерное распределение нагнетаемого агента и поддержание пластового давления выше точки росы.
Классический метод разработки в режиме истощения пластовой энергии
Большинство газоконденсатных месторождений разрабатываются по схеме истощения пластовой энергии, что приводит к постепенному снижению пластового давления. В результате этого снижения происходит выпадение конденсата в пласте, что приводит к значительным потерям углеводородов, до 70 % от потенциально возможного объема. На рис. 1 представлена зависимость содержания тяжелых углеводородов от давления, что наглядно демонстрирует влияние истощения пластовой энергии на процесс добычи
Для проведения моделирования был выбран сектор залежи с начальными запасами газа 3,679 млрд м³ и конденсата 1,247 млн тонн. Модель включала многокомпозиционные параметры и активную подстилающую воду, что способствовало более точному прогнозированию изменения параметров в пласте.
Модель является многокомпозиционной с активной подстилающей водой.
В результате 17-летней разработки в режиме истощения было добыто 1907 млн м³ газа и 168 тыс. тонн конденсата, при этом значительное количество ресурсов было извлечено в первые пять лет разработки. На рис. 2 можно увидеть динамику изменения накопленной добычи, а на рис. 3 – падение пластового давления, которое на момент завершения расчета составило всего 84 бар.
Метод закачки азота для поддержания пластового давления
Одним из наиболее эффективных методов поддержания пластового давления является закачка азота. Азот благодаря своей инертности не вступает в химические реакции с компонентами углеводородного пласта, что позволяет сохранить качество добываемых углеводородов и избежать образования побочных продуктов. Азот обладает низкой растворимостью в нефти и воде, что делает его идеальным агентом для поддержания пластового давления.
Моделирование показало, что закачка азота позволила увеличить добычу газа до 2050 млн м³, что на 141 млн м³ больше по сравнению с базовым сценарием. Добыча конденсата также значительно возросла и составила 340 тыс. тонн. На рис. 4 и 5 представлены результаты накопленной добычи газа и конденсата при использовании метода закачки азота.
Новый метод закачки воздуха для запуска реакций внутрипластового горения
Технология внутрипластового горения (ВПГ) представляет собой инновационный метод, который позволяет значительно увеличить извлечение углеводородов за счет химических реакций, протекающих в пласте. Закачка воздуха вызывает горение углеводородов, что сопровождается образованием тепла и повышением температуры в пласте. Это приводит к дополнительному извлечению углеводородов, а также образованию водорода, который может быть использован в качестве альтернативного источника энергии.
Водород образуется в процессе каталитических реакций, таких как паровой риформинг метана, водяной газовый сдвиг и парциальное окисление метана. На рис. 6 и 7 представлена концентрация воздуха в ячейках модели и схема процесса внутрипластового горения [1].
Химические реакции, характеризующие внутрипластовое горение:
· Паровая конверсия метана (SMR):
CH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,1 кДж
– эндотермическая реакция, обеспечивающая генерацию водорода и монооксида углерода, требующая внешнего источника тепла [7].
· Водяной газовый сдвиг (WGS):
CO + H2O = H2 + CO2 – 206,4 кДж
– экзотермическая реакция, приводящая к образованию дополнительного водорода и диоксида углерода.
· Термический крекинг метана:
CH4 = C + 2H2 – 206,4 кДж
– процесс разложения метана на твердый углерод и водород при высоких температурах.
· Парциальное окисление метана:
CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж
– реакция, в которой кислород, поступающий с воздухом, способствует образованию монооксида углерода и водорода.
· Углекислотная конверсия метана (DRM):
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 – 247кДж
– реакция метана с диоксидом углерода, ведущая к формированию монооксида углерода и водорода.
Закачка воздуха позволила увеличить добычу газа до 2076 млн м³ и конденсата до 317 тыс. тонн. Полученный в результате реакции водород можно использовать для дальнейших целей, что делает этот метод еще более привлекательным с экологической точки зрения.
Технология реализации внутрипластового горения
Инициализация процесса внутрипластового горения может быть выполнена с помощью глубинных электронагревателей, способных обеспечивать нагрев до 750 °C. Это способствует успешному запуску горения внутри пласта. Для поддержания данного процесса необходимо вводить в пласт смесь пара и воздуха. Стационарные парогенераторные установки способны производить до 2550 кг пара в час. В качестве топлива для работы парогенератора можно использовать метан, который может быть извлечен из водородсодержащего газа.
Для внедрения технологии внутрипластового горения рекомендуется проводить бурение боковых стволов нагнетательных скважин с целью контроля фронта горения и его инициализации. Запуск горения осуществляется на расстоянии от забоя с использованием нагревателя, расположенного в боковом стволе. В результате прорыв метана в основной ствол нагнетательной скважины сокращается (см. рисунок 8). Паровоздушная смесь с добавлением катализатора подается через основной ствол нагнетательной скважины. Катализатор, растворенный в воде, попадает в пласт, где вместе с метаном и породой нагревается до температуры, достаточной для протекания экзотермических реакций. Эти реакции затем поддерживают температуру самостоятельно. В пласте образуются четыре зоны: зона нагнетательной скважины (1), где присутствует переизбыток воздуха и пара, что не позволяет метановоздушной смеси воспламениться; зона катализатора (3), где концентрация кислорода и метана достаточна для химических реакций, зона горения (2) и зона, где реакции не могут происходить из-за недостаточной концентрации воздуха и низкой температуры (4) (см. рисунок 9).
После запуска горения продолжается закачка сжатого воздуха и перегретого пара с катализатором. Контроль над подачей осуществляют специализированные устройства, обеспечивающие точное регулирование расхода и давления. Через месяц закачки перегретого пара температурные условия в удаленных зонах пласта поддерживаются за счет экзотермических реакций и работы катализатора, после чего подача пара может быть прекращена. В качестве катализаторов применяют эмульсии на основе минеральных масел с добавлением субмикронных частиц оксидов металлов, таких как железо, никель или кобальт, что уже использовалось в нефтяной промышленности. Эти катализаторы содержат никелевую соль (20–50 %) и углеводороды (50–80 %). Они помогают разрушать длинные углеводородные цепи, облегчая их переработку. Основная реакция термического крекинга метана приводит к образованию углерода и водорода. Изучение применения таких катализаторов на газовых месторождениях является важным направлением для дальнейшего исследования внутрипластового горения.
Процесс также включает мониторинг объема закачиваемого воздуха и состава добываемых газов для предотвращения возникновения взрывоопасных концентраций кислорода у забоя скважин.
Так же как и в случае закачки азота, объем воздуха регулируется таким образом, чтобы поддерживать пластовое давление выше точки росы. Важной частью процесса является очистка добытых газов от продуктов горения, таких как угарный и углекислый газ, для предотвращения коррозии и улучшения качества углеводородов.
Извлекаемый водородсодержащий газ имеет высокую коррозионную активность. Чтобы избежать разрушения оборудования, можно применять биметаллические трубы, устойчивые к коррозии и способные выдерживать высокие температуры. Важно учитывать, что температура водородсодержащего газа у забоя может быть очень высокой, что требует использования жаропрочных труб, таких как трубы, применяемые в процессах нефтяного крекинга, где температуры достигают 650 °C. Эти трубы легированы хромом, что увеличивает их жаропрочность и устойчивость к коррозии, особенно к воздействию углекислого газа, который образуется при горении. В процессе моделирования температура на скважине «G3» достигала 380 °C, что соответствует рабочему диапазону выбранных труб.
Для подготовки газа и конденсата, а также для получения товарного водорода требуются значительные инвестиции в инфраструктуру (см. рисунок 10). Ключевое оборудование включает установки короткоцикловой адсорбции (КЦА), которые позволяют достигать чистоты водорода до 99,99 %. В этих установках используются различные адсорбенты для удаления примесей: силикагель для удаления воды, активированный уголь для метана, цеолиты для углеводородов C2+ и оксид алюминия для азота.
Моделирование показало, что при закачке воздуха удалось добыть 2066 млн м³ газа и 316 тыс. тонн конденсата, что на 148 тыс. тонн больше базового варианта. При учете ограничения на концентрацию метана и воздуха добыча составила 1948 млн м³ газа и 281 тыс. тонн конденсата. Кроме того, при моделировании реакции горения в пласте было получено 6892 тонны водорода, из которых 2971 тонна была добыта с учетом остановки работы при достижении критических концентраций.
Результаты исследования показывают, что воздух является эффективным рабочим агентом для поддержания пластового давления, что видно на рис. 12.
Литература
1. Романов, К.А. Генерация водорода из метана в углеводородных пластах: перспективы и технологии // Нефтегазовые технологии. – 2021. – Т. 19, № 4. – С. 45–53. doi: 10.31089/2541-9185-2021-19-4-45-53.
2. Иванов, С.А., Сидоров, Д.В. Перспективы использования технологий внутрипластового горения для повышения коэффициента извлечения нефти // Вестник Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина. – 2023. – № 2. – С. 85–92. doi: 10.32500/2541-9583-2023-2-85-92.
3. Васильев, А.Н. Экспериментальное исследование внутрипластового горения для генерации водорода из газоконденсатных залежей // Российский химический журнал. – 2022. – Т. 66, № 1. – С. 123–130.
4. Kim, H., Lee, Y., Oh, J. Hydrogen production from underground in situ combustion processes in hydrocarbon reservoirs: A review // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2020. – Vol. 74. – P. 103142. doi: 10.1016/j.jngse.2020.103142.
5. Martinez, A., Santos, P., Alvarez, F. Potential of hydrogen production in porous media using in situ combustion technology // Energy & Fuels. – 2019. – Vol. 33, № 10. – P. 9123–9135. doi: 10.1021/acs.energyfuels.9b01789.
6. Петров, В.И., Кузнецов, М.Н. Использование азота и воздуха для закачки в пласт: сравнительный анализ для повышения нефтеотдачи // Технологии разведки и добычи. – 2021. – № 3. – С. 59–66.
7. Zhang, Y., Li, B., Yu, T. Evaluation of in situ hydrogen generation by catalytic steam reforming in natural gas reservoirs // Fuel. – 2022. – Vol. 309. – P. 122034. doi: 10.1016/j.fuel.2021.122034.
