Фізико-хімічні методи підвищення нафтовіддачі пластів

 

Нафтонасиченість і характер розподілу нафти в зонах пласта, що не охоплені заводнен­ням та в промитих водою, істотно різняться.

У зонах, які обійшла вода, початкові насиченості та розподіл нафти і води залишаються практично незмінними. Нафта є неперервною фазою, яка за умови проникнення в цю зону витисного агента (вода, газ) стає рухомою. В зонах, що промиті водою, нафтонасиченість низька, і залишкова нафта при градієнтах тиску, що існують в пластових умовах, є нерухо­мою.

Гідродинамічні розрахунки, як і результати експериментальних досліджень, показу­ють, що для приведення залишкової нафти в рухомий стан при пластових градієнтах тиску необхідне зниження капілярних сил на кілька порядків. Так, коли міжфазний поверхневий натяг на межі нафти і води в більшості випадків становить 20 — 25 мН/м і більше, то для приведення залишкової нафти в рухомий стан при градієнтах тиску в гранулярних пористих середовищах проникністю

 

0,5 • 10^-12 м² необхідно зниження цієї величини до 0,001 — 0,005 мН/м.

Фізико-хімічні методи підвищення нафтовіддачі залежно від того, на нафту в якому стані воні діють, можуть бути поділені на дві групи:

1) методи підвищення ефективності (поліпшення) заводнення;

2) методи вилучення залишкової нафти із пластів, що промиті водою, або методи збільшення нафтовіддачі.

Перша група методів базується в основному на зміні співвідношення рухливості нафти і води, в результаті чого збільшується коефіцієнт охоплення пласта заводненням. При цьому коефіцієнт нафтовитиснення підвищується незначно. Застосування цих методів повинно давати найбільший ефект на ранній стадії розробки родовищ, а також на родовищах, де при високій обводненості спостерігається низька нафтовіддача.

Методи вилучення залишкової нафти застосовуються з метою різкого підвищення ко­ефіцієнта нафтовитиснення в зонах пласта, що охоплені дією води. Необхідною умовою їх застосування є значне зниження міжфазного поверхневого натягу між нафтою і агентом, що ії витісняє. Застосування цих методів найбільш доцільне на пізній стадії розробки.

Поліпшення заводнення. Сюди відносять методи, що призводять до зниження рухли­вості води в зоні ії просування, а також методи, що пов'язані зі зміною змочуваності в сис­темі порода-нафта-вода і ведуть до інтенсифікації процесу капілярного просочування. Се­ред них можна назвати:

- заводнення розчинами ПАР;

- полімерне заводнення;

- лужне і кислотне заводнення.

Іноді сюди відносять використання пін, емульсій і газоводяних сумішей.

Застосування ПАР. Метод базується на здатності ПАР після розчинення їх у воді знижувати міжфазний натяг на межі розділу нафта-вода, змінювати змочуваність у системі нафта-вода-поверхня породи і властивості адсорбційних шарів, що утворюються на межі розділу вода-нафта і нафта- поверхня породи. При цьому використовуються розведеш роз­чини неіоногенних ПАР і, зокрема, розчини оксіетильованих алкілфенолів, жирних кислот або спиртів, продуктів конденсації окислу етилену й окислу пропілену.

Міжфазний натяг на межі розділу нафти і водних розчинів ПАР цього типу при концен­трації їх в розчинах 0,05 - 0,5 % знижується від 25 — 45 до 4 — 7 мН/м.

Однією з важливих влистивостей ПАР, що визначають їх малу ефективність при витис­ненні нафти, є здатність адсорбуватися на межах розподілу фаз. Внаслідок цього відбувається відставання фронту розчину ПАР із робочою концентарцією від фронту витис­нення, так що розчин ПАР діє фактично на нерухому залишкову нафту. Пам'ятаючи про те, що при вказаному вище (або навіть меншому) міжфазному натягу розчин ПАР не може перевести залишкову нафту в рухомий стан, не слід очікувати суттєвого впливу розчинів цих ПАР на коефіцієнт витиснення нафти в однорідному пласті. Проте в неоднорідному ко­лекторі, в якому можуть виявитись цілики нафти, що були обминуті водою, зниження міжфазного натягу може сприяти витисненню з них нафти.

Водні розчини ПАР концентрацією 0,05 — 0,1 % при початковій нафтонасиченості пластів можуть витисняти до 5 — 7 % нафти. Витиснення нафти розчинами ПАР такої ж концентрації з пластів, в які вже здійснювалось нагнітання води, знижує ефективність їх за­стосування; із повністю промитих водою моделей пласта вдавалось витиснити лише до 2 % нафти.

Значно впливають на ефективність витиснення нафти розчинами ПАР високі темпера­тури і підвищений вміст солей лужно-земельних елементів.

Застосування полімерів. Метод базується на здатності високомолекулярних хімічних реагентів-полімерів при розчиненні їх у воді навіть у малих концентраціях суттєво

підвищувати ії в'язкість, зменшувати ії рухливість і завдяки цьому підвищувати охоплення пластів заводненням. При концентрації їх у розчині 0,01 — 0,1 % в'язкість його збільшується до 3 — 4 мПа • с. Це спричинюється до значного зменшення співвідношення в'язкості нафти і води в пласті та придушення умов прориву води. В процесі фільтрації полімерних розчинів через пористе середовище їх в'язкість може зменшуватися на порядок і більше. Тому полімерні розчини найбільш придатні для використання в неоднорідних пла­стах, а також застосовуються у разі підвищеної в'язкості нафти з метою збільшення охоп­лення їх заводненням.

Окрім цього, полімерні розчини,маючи підвищену в'язкість, краще витісняють не тільки нафту, але і зв'язану пластову воду, тому вони вступаК5ть у взаємодію зі скелетом по­роди і цементуючою речовиною. Це викликає адсорбцію молекул полімерів, які перекрива­ють канали або погіршують фільтрацію води в них. Зате на фронті витіснення утворюється вал неактивної води. Ці два фактори приводять до зменшення динамічної неоднорідності потоків рідини і, як наслідок, до збільшення охоплення пластів заводненням.

Відомо, що полімерним розчинам притаманні в'язкопластичні (неньютонівські) власти­вості, внаслідок чого їх фільтрація можлива тільки після подолання початкового градієнта зсуву і може поліпшуватись або погіршуватись залежно від швидкості фільтрації і молеку­лярної маси полімеру.

При полімерному заводненні додаткова нафтовіддача може зростати на 7 — 8 %, а пи­томий додатковий видобуток нафти становить 200 — 300 т/т полімеру.

Застосування лугів. Під терміном лужне заводнення розуміють нагнітання в пласт реагентів, розчини яких мають лужну реакцію. Концентрація розчинів, що при цьо­му використовуються, становить, переважно, 0,05 — 5 %, та в деяких випадках може дося­гати 25 — ЗО %. Найбільш сильну лужну реакцію мають розчини їдкого натрію і силікату натрію. Саме ці речовини рекомендуються як основні реагенти для підвищення наф­товіддачі пластів. Вони обидві активно взаємодіють із кислотними компонентами нафт, іонами жорсткості, що їх містять в собі води (пластова і яка нагнітається), породою колекто­ра. Проте дослідження останніх років свідчать про перевагу силікату натрію і його суміші із їдким натрієм.

Застосування методу лужної дії грунтується на взаємодії лугу з рідинами (пластовими і тими, що нагнітаються) та породою пласта, в результаті якої відбувається зміна поверхне­вих характеристик системи нафта-водна фаза - порода, а отже і умов витиснення нафти во­дою. Основними факторами, що визначають підвищення нафтовіддачі, є зниження міжфазного натягу, емульгування нафти і змочуваність породи.

В основі названих факторів лежить реакція нейтралізації кислотних компонентів нафти з утворенням солей лужних металів, що є ПАР. Утворення ПАР супроводжується ад-сорбційно-десорбційними процесами і масопереносом продуктів взаємодії з нафтової фази у водну.

Зниження міжфазного натягу відбувається у вузькому інтервалі концентрацій лугу, який є характерним для кожної нафти. Причому присутність у воді дивалентних металів підвищує мінімальне значення міжфазного натягу, а наявність хлористого натрію до 2 % знижує його.

Будь-які зміни поверхневих величин (і в першу чергу міжфазного натягу) в часі зумов­люються тільки адсорбцією. Час встановлення рівноваги залежить передусім від розміру мо­лекул або колоїдних частинок.

Найкращі результати дає застосування лужного заводнення на родовищах із високоак­тивними нафтами (вміст органічних кислот перевищує 2,5 мг КОН/г).

Застосування кислот. Метод застосування сірчаної кислоти полягає в нагнітанні в пласт невеликих (приблизно 0,15 порового об'єму) облямівок у концентрованому вигляді, що проштовхуються по пласту технічною водою.

 

Для цього застосовують технічну кислоту з концентрацією до 96 %, а також алкільовану сірчану кислоту.

Кислота вступає в реакцію з пластовою нафтою. При цьому відбувається су-льфування ароматичних сполук, які вміщує нафта, і утворення поверхнево-актив-них сульфокислот, що є розчинними у воді. Розчиняючись у воді, що нагнітається в пласт після сірчаної кисло­ти, вони зумовлюють зниження міжфазного натягу на межі нафта - вода до 3-4 мН/м. Про­те в разі такого зниження міжфазного натягу не слід очікувати суттєвого зниження залиш­кової нафтонасиченості.

Паралельно з утворенням сульфокислот тут відбувається утворення кислого гудрону (в'язкої смолистої маси), який впливає на водопроникність (ії рухливість). Цей процес по­винен поліпшувати ступінь охоплення пласта заводненням.

Застосування пін та емульсій при заводненні знижує рухливість води, яка витісняє нафту, внаслідок чого змінюється напрям ії потоку. Основним результа-том нагнітання піни в промите водою пористе середовище є значне зменшення водопроникності. Тільки в разі використання суміші ПАР, що знижують міжфазний натяг на межі нафта-во-да до дуже низьких значень, нагнітання піни в пористе середовище може привести до ви­тиснення залишкової нафти.

Підвищення нафтовіддачі застосуванням емульсій нафти в розчині лугу чи в розведено­му розчині ПАР грунтується також на досягненні рівномірності просування фронту витис­нення шляхом створення підвищеного опору в зонах, де вода, що нагнітається, має найбільшу рухливість.

Вилучення залишкової нафти. Після заводнення нафтових родовищ за звичайною тех­нологією або з ії поліпшенням в надрах залишаються невилученими ЗО — 70 % початкових запасів нафти. Залишкову нафту здатні витиснити лише ті робочі агенти, що змішуються з нафтою та водою або мають надто низький міжфазний натяг на контакті. Такі умови вини­кають у разі витиснення нафти міцелярними розчинами та двоокисом вуглецю. Ці методи відносяться до найбільш високопотенційних і перспективних, здатних значно знижувати залишкову нафтонасиченість.

Застосування міцелярних розчинів (МР). Залишкова нафта в заводне­них пластах утримується в нерухомому стані поверхнево-молекулярними, капілярними си­лами в масштабі окремих пор і малопроникних включень, а також силами в'язкості в масш­табі слабопроникних різновидів і шарів пласта. Змусити рухатись залишкову нафту в завод­нених пластах можна тільки тоді, коли повністю позбутися дії капілярних сил або якщо знизити їх (настільки, щоб вони стали меншими від гідродинамічних сил, що створюються перепадом тиску) і вирівняти рухливість в різних шарах (пластах).

Міцелярно-полімерне заводнення якраз спрямоване на усунення капілярних сил в за­воднених пластах та витіснення залишкової нафти. МР являють собою колоїдні системи з вуглеводневої рідини і води, які стабілізовані сумішшю ПАР. Ці колоїдні системи високо­дисперсні, оптично майже прозорі. До складу МР входять основні ПАР (найчастіше нафтові сульфонати), допоміжні ПАР (аліфатичні спирти та ін.), вуглеводнева рідина і водна фаза.

Завдяки низькому міжфазному натягу між МР і пластовими рідинами усувається дія капілярних сил, і розчин витісняє нафту і воду. Перед фронтом витіснення МР окремі гло­були нафти зливаються в нерозривну фазу, нагромаджується вал нафти (зона підвищеної нафтонасиченості), а за ним - зона підвищеної водонасиченості. Для проштовхування об­лямівки МР по пласту в нього нагнітають полімерний розчин, а після цього - воду. Звідси і назва міцелярно-полімерне заводнення.

В результаті здійснення вказаних заходів у пласті утворюються: зона початкової (вихідної) нафтонасиченості пласта; нафтовий вал; водяний вал; облямівка МР; облямівка полімерного розчину (буферна мережка, буфер рухливості); зона технічної води.

 

При цьому спочатку з пористого середовища вилучається тільки вода, а за нею починає видобуватися рідина, частка нафти в якій становить 25 — 60%, а часом і більше (це нафто­вий вал). Після нафтового валу обводненість продукції різко зростає. Так виглядає процес в однорідному середовищі. В неоднорідних пластах механізм витиснення залишкової нафти міцелярним розчином більш складний.

Складність практичного застосування МР для вилучення нафти із заводнених пластів полягає в доборі для кожного пласта чи ділянки рецептів стійких МР, що нечутливі до солей кальцію і магнію і забезпечують бажаний механізм та ефективність витиснення залишкової нафти.

Залежно від величини облямівки МР і концентрації в ній відповідних ПАР можна доби­ватись практично повного витиснення нафти з однорідного пласта. Ви-сокої ефективності витиснення залишкової нафти досягають також застосуванням поверхнево-активних спо­лук, що вміщують полімери, - так званих ПАПС.

Застосування двоокису вуглецю С О ₂ грунтується на його розчинності в пла­стових флюїдах і розчиненні в ньому деяких компонентів нафти. Збільшення при цьому об'єму нафти і зменшення ії в'язкості сприяє підвищенню ії рухливості і поліпшенню умов її витиснення. Вирівнювання густини нафти і води зменшує інтенсивність їх гравітаційного поділу і сприяє більш рівномірному просуванню фронту витиснення.

Збільшення нафтовіддачі дією на пласт двоокисом вуглецю може зумовлюватись та­кими процесами, як режим розчиненого газу, режим витиснення в разі відсутності змішування фаз, режим витиснення зі змішуванням фаз. Останній із цих процесів найбільш ефективний, бо при цьому утворюється проміжна буферна зона з нафти і двоо­кису вуглецю.

Тиски, за яких досягається взаємна розчинність фаз при витисненні нафти двоокисом вуглецю, значно нижчі, ніж при витисненні сухим газом, збагаченим газом чи азотом. Тиск, при якому спостерігаєтьсся утворення взаєморозчинних фаз, залежить від складу нафти, пластової температури і домішок в двоокису вуглецю. Результати лабораторних досліджень показують, що існує оптимальний тиск, при якому досягається найбільш спри­ятливе співвідношення рухливостей нафти, проміжної зони і двоокису вуглецю, а отже і найбільш високий коефіцієнт нафтовилучення.

Слід зазначити, що співвідношення в'язкостей нафти і двоокису вуглецю в пластових умовах може досягати 10:1 і більше, що веде до швидкого прориву дво-окису вуглецю. Для запобігання цього ускладнення пропонують нагнітати в пласти поперемінне двоокис вугле­цю і воду. Підвищення нафтовіддачі порівняно зі звичайним заводненням при використанні двоокису вуглецю становить 10 — 15 %.