Исследования по оценке потерь, разрушения и распределения ПАВ при вытеснении нефти из терригенных и карбонатных пород

Одной из важнейших причин низкой эффективности применения ПАВ являются большие потери активного реагента в призабойной зоне пласта.

Исходя из современных представлений о процессах, происходящих в пласте при закачке растворов ПАВ, потери ПАВ связаны со следующими явлениями:

- осаждение в результате взаимодействия с поливалентными ионами пластовой воды, входящими в состав глин и других минералов;

- переход в неподвижную нефть;

- адсорбция на породе;

- химическое, биологическое и механическое разрушения (деструкция).

Если проявления первых двух факторов можно устранить простым подбором компонентов композиции, то на процессы адсорбции оказывать влияние значительно сложнее. Для снижения адсорбции требуются особые технологические приемы.

Адсорбция зависит от следующих факторов, характеризующих пластовую систему и состав закачиваемой рабочей композиции [[86], [87], 64,76]: химический состав породы-коллектора; средняя молекулярная масса ПАВ; рН пластовой воды и содержание двухвалентных ионов (кальций, магний); тип и химический состав ПАВ, состав пластовой нефти.

Для снижения адсорбции ПАВ в пласте могут быть использованы следующие технологические приемы:

- правильный подбор средней молекулярной массы ПАВ;

- изменение рН рабочей композиции с ПАВ;

- предварительное подавление центров адсорбции на породе за счет закачки «жертвенных» реагентов.

Далее следует уточнить понятие адсорбции ПАВ в пласте. Под адсорбцией понимают процесс перехода растворенного вещества из объемной фазы в поверхностный слой, связанный с изменением поверхностной энергии слоя. Значение адсорбции определяет избыток массы (молекул) адсорбированного вещества на единицу поверхности слоя по сравнению с объемом [76]. Слой, образованный на поверхности раздела раствора ПАВ с другой средой - воздухом, жидкостью или твердым телом, состоящий из адсорбированных молекул ПАВ и характеризующийся повышенной концентрацией по сравнению с их концентрацией в объемах обеих фаз, называется адсорбционным.

Вопросы адсорбции ПАВ весьма широко освещены во многих работах [2, 76, 86, [88], [89], [90], [91], [92], [93]и др.]. Изучение процессов адсорбции ПАВ в разное время проводили многие видные ученые: из отечественных - П. А. Ребиндер, И. И. Кравченко, Г. А. Бабалян, А. Н. Фрумкин, Б. В. Ильин, П. Д. Шилов, из зарубежных - Нернст, Гаруа, Лангмюр и др. Адсорбционные явления представляют собой сложную совокупность физических, химических и физико-химических процессов. Природу адсорбции пытались описать многими теориями. Наиболее известны следующие: теория с позиций электрохимии, основанная на адсорбции полярных молекул, теория капиллярной конденсации; теория Юре - Гаркинса; теория молекулярной адсорбции Ленгмюра и др.

Известно, что на поверхности раздела между жидкостью и газом или несмешивающимися жидкостями происходит адсорбция благодаря тому, что ПАВ состоит из водо- и нефтерастворимой групп. Так как гидрофильная группа характеризуется большей растворимостью в воде, чем гидрофобная, молекулы ПАВ ориентируются на поверхности воздух - вода на нефтерастворимую группу в воздухе и водорастворимую в воде. В зависимости от эффективности ПАВ межфазовая поверхность превращается в контакт воздух - вода и нефть. При этом уменьшаются силы молекулярного притяжения и в итоге поверхностное натяжение.

Способность ПАВ к адсорбции на границе раздела между жидкостью и твердым веществом влияет существенным образом на смачиваемость породы. Этому факту можно дать следующее, достаточно широко распространенное объяснение. При воздействии катионных ПАВ положительная растворимая группа адсорбируется отрицательными частицами силикатов, при этом нефтерастворимой группе обеспечивается смачивание. При использовании анионных ПАВ отрицательно заряженная водорастворимая группа отталкивается отрицательно заряженными частицами силиката, в этом случае ПАВ незначительно адсорбируется на силикате (песок, глина).

Для карбонатных пород картина совершенно иная. Известняк характеризуется положительным зарядом поверхности при рН от 0 до 8 и отрицательным при рН > 9,5. Поэтому в основном известняки и доломиты имеют положительный поверхностный заряд. В случае применения анионоактивных ПАВ, имеющих отрицательный поверхностный заряд, водорастворимая группа должна адсорбироваться положительно заряженными карбонатными частицами. В результате нефтерастворимая группа оказывает влияние на смачиваемость.

Представляют интерес исследования, выполненные Т. Н. Максимовой с целью определения зависимости адсорбции НПАВ от длины пористой среды [[94]]. Опыты проводились на насыпных водонасыщенных пористых средах с диаметром 1 см и длиной 1 и 3 м. В первой серии экспериментов использовался молотый кварцевый песок и ПАВ ОП-10, во второй - экстрагированный дезинтегрированный песчаник с размером зерен менее 0,22 мм, приготовленный из обломков кернового материала нескольких скважин Николо-Березовской площади и ПАВ Неонол АФ₉-12.

Растворы НПАВ нужной концентрации готовились на модели воды с плотностью 1,10 г/см3. Объемный расход фильтрующейся жидкости составлял 6 см3/ч, температура опыта 23-25 °С. После достижения на выходе из пористой среды исходной концентрации НПАВ продолжали фильтрацию воды с целью изучения десорбции ПАВ.

Данные по адсорбции НПАВ, заимствованные из этой работы, приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Результаты определения адсорбции НПАВ [[95]]

В обеих сериях опытов с увеличением длины пористой среды адсорбция НПАВ несколько снизилась. Передний фронт оторочки НПАВ проходит через более длинные пористые среды с некоторым опережением. Это, очевидно, свидетельствует о том, что на водонасыщенных пористых средах при небольших скоростях фильтрации процесс адсорбции НПАВ протекает в условиях, близких к равновесным, и длина пористой среды не играет существенной роли. Значение адсорбции, определенное при лабораторных исследованиях, будет значительно выше, чем в промысловых условиях.

Опыт закачки раствора ПАВ в пласты показывает, что фронт адсорбции реагента в пластах растянут. В этих условиях концентрация раствора ПАВ в скважинах будет возрастать медленно. Лабораторные исследования показывают, что при скоростях фильтрации, поддерживаемых при заводнении нефтяных залежей, зона адсорбции превышает область предельной адсорбции в 10 раз и более. В промысловых условиях зону адсорбции можно определить, пробурив оценочную скважину рядом с нагнетательной. Наблюдая за концентрацией раствора в оценочной и следующей за ней добывающей скважинах, можно по трем точкам установить изменения во времени концентрации ПАВ в водном растворе.

Провести специальные промысловые исследования по адсорбции весьма затруднительно, в этой связи представляют огромный научный интерес все материалы по данному вопросу.

Первые промысловые исследования адсорбции и десорбции ПАВ в промысловых условиях были проведены на Нагаевском Куполе Арланского месторождения в 1964 г. Здесь был создан очаг из пяти скважин, в центре - нагнетательная, добывающие находились от нее на расстоянии 100 м. Перед началом закачки 0,05%-ного водного раствора ПАВ ОП-10 скважины давали практически чистую нефть [76]. В первых же пробах воды было зафиксировано наличие ПАВ концентрацией до 5% от исходной, т. е. 0,0025%. После прокачки раствора ПАВ в количестве 2,4 объема пор заводняемого пласта концентрация достигла 10-30% от исходной. По этим данным расчетное значение адсорбции на породе не превышало 0,07 мг/г. Проведенные в 1968-1972 гг. промысловые эксперименты на Николо-Березовской площади в условиях более редкой сетки скважин показали содержание ПАВ в продукции добывающих скважин опытных участков до 2% от исходной концентрации. В отдельных случаях выходная концентрация ПАВ в продукции добывающих скважин составляет 30% от исходной. Расчетное значение адсорбции изменялось в пределах 0,01-0,02 мг/г породы [76, 88]. Приведенные сведения о раннем появлении ПАВ в добываемой продукции эксплуатационных скважин некоторые исследователи связывали с незначительным значением адсорбции ПАВ в пластовых условиях, не принимая во внимание многочисленные экспериментальные исследования, свидетельствующие о значительных потерях ПАВ за счет адсорбционных процессов, происходящих на керновой породе в моделированных условиях пласта [65, 73, 87, [96], [97], [98], и др.]. Хотя вышеизложенное явление может иметь и другое объяснение, связанное со структурой и неоднородностью коллекторов, диффузией ПАВ в нефть и др.

При промысловом эксперименте по закачке ПАВ на Николо-Березовской и Вятской площадях Арланского месторождения в 1981 -1983 гг. осуществлялся постоянный контроль за концентрацией ПАВ в добываемой продукции скважин. За это время заметных выходных концентраций ПАВ по опытным скважинам зафиксировано не было. Максимальная массовая доля ПАВ, которую удалось обнаружить на одной из скважин, составляла 0,01 и 0,008 %. В грандиозном эксперименте, проводимом в 1967-1983 гг. на Арланском месторождении, было выполнено 4992 анализа по выявлению ПАВ в воде добывающих скважин, причем ежегодно их количество возрастало. Так, в 1967 г. было сделано 123, в 1980г. - 602 анализа, а в 1982 г. - 929 анализов. Результаты анализа этих материалов показали, что обнаруженная концентрация ПАВ в добываемой продукции добывающих скважин не превышала фоновых значений.