Щелочное заводнение

Рис. 6. Зависимость концентрации С хлористого натрия (1) и полимера (2) в выходящей жидкости от относитель­ного отбора.

Раствора ПАА fр в зависимости от насыщенно­сти S.

Фазовая проницаемость для нефти (1, 2) и воды (3, 4) при вытеснении:

1, 3 - водой; 2, 4 - раствором воды + 0,05 % ПАА

Рис. 5. Влияние температуры T на отношение вязкостей раствора поли­мера и воды μ_p/μ_в при различных концентрациях раствора.

Концентрация, %: 1 - 0,1; 2 - 0,05; 5 - 0,03; 4 - 0,015

Влияние этих свойств полимерных растворов на эффективность вытеснения нефти пока еще изучено слабо. Но установлено, что с повышением скорости фильтрации и с уменьшением размеров поровых каналов кажущаяся вязкость полимерных растворов уве­личивается, т. е. сопротивление пористой среды фильтрации рас­твора возрастает. Это явление обусловливается удержанием поли­мера пористой средой и эластичными свойствами растворенного в воде полимера.

Адсорбция полимера пористой средой. Взаимо­действие растворенного вещества с породой и пластовой водой приводит к тому, что концентрация полимера в растворе умень­шается и перед фронтом полимера образуется вал пластовой воды, а затем воды, лишенной части полимера. На рис. 6 показаны результаты вытеснения дистиллированной воды раствором NaCl (несорбирующегося агента) и полимерным раствором. С увели­чением солености и уменьшением проницаемости пласта адсорб­ция возрастает.

Оценка адсорбции полимерного вещества по промысловым дан­ным при обычных концентрациях полимера (0,03-0,05 %) показы­вает, что адсорбция полимера может составлять 30-150 г/м3 по­роды или 0,15-0,75 кг/м3 пористой среды. Это примерно в 15 - 30 раз меньше, чем адсорбция неионогенных ПАВ в пористой среде. Обычно одним из основных требований, предъявляемых к полимерам, является минимальная адсорбция их на поверхности пористой среды, так как это уменьшает его потери и расход. Однако это упрощенное представление об эффективности вытес­нения нефти полимерным раствором.

λ - отставание полимера от фронта вытес­нения

Проведенные во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследова­тельском институте (А. М. Полищук, Е. М. Суркова) численные расчеты показали, что этот вопрос значительно сложнее. При вы­теснении нефти из однородных и слоистых пластов полимерными растворами существует оптимальный диапазон адсорбции, соответствующий наилучшим показателям заводнения. При нулевой адсорбции от применения полимеров получается минимальный эффект (рис. 7). Это объясняется тем, что при движении несорбирующегося полимерного раствора в нефтенасыщенной пористой среде, содержащей связанную воду, полимерный раствор переме­шивается с ней и разрушается, а его вязкость уменьшается. В ре­зультате перед фронтом полимера образуется зона неактивной воды и снижается эффективность. Основная же специфика фильт­рации полимерного раствора, как отмечалось, состоит не только в повышении вязкости воды, но и в снижении ее подвижности, в повышении фактора сопротивления в пористой среде при малых скоростях фильтрации раствора, причиной которого является адсорбция полимера в пористой среде. Уменьшение адсорбции полимера снижает фактор сопротивления пласта для воды и охват пласта заводнением.

Рис. 7. Зависимость коэффициента вы­теснения βв от относительного отбора при разной сорбируемости полимера в пористой среде.

Вытеснение: 1 - водой; 2, 3, 4 – полимерный раствор с коэффициентом десорбции 0; 1 и 0,5 соответственно

Ухудшение нефтеотдачи пласта при большой адсорбции объяс­няется тем, что фронт полимера сильно отстает от фронта вытес­нения нефти водой. Вследствие этого значительная часть нефти вытесняется неактивной водой, что и приводит к меньшей нефте­отдаче пласта.

Поэтому для эффективного вытеснения нефти полимерным рас­твором желательно иметь умеренную оптимальную адсорбцию полимера в пласте.

Деструкция молекул полимера. Полимерные моле­кулы в водном растворе под действием различных факторов могут необратимо разрушаться вследствие их деструкции или деграда­ции. Деструкция уменьшает молекулярную массу полимера и, как следствие, загущающую способность - основу эффективности его применения в качестве вытесняющего агента.

Деструкция может быть химической, термической, механиче­ской или сдвиговой и микробиологической. Химическая деструкция происходит вследствие взаимодействия кислорода воздуха с поли­мерными молекулами. Поэтому в воде, используемой для приго­товления полимерного раствора, не должно быть кислорода. При температуре выше 130 °С наступает термическая деструкция. Меха­ническая деструкция обусловлена разрывом макромолекул поли­мера или их агрегатов при высоких скоростях движения, т. е. при движении растворов полимеров по трубам, насосам и в призабойной зоне пласта. Микробиологическая деструкция полимерных молекул может происходить под действием аэробных бактерий, которые развиваются в пласте при закачке их с водой вследствие окисления нефти.

Технология процесса. Полимерные растворы обычно применяются в виде оторочек размером до 40 - 50 % от объема пор. Размер оторочки, концентрация раствора и тип полимера должны выбираться исходя из неоднородности пласта, микронеоднородно­сти пористой среды и солевого состава пластовой (связанной) воды. При перемешивании полимерных растворов с пластовой со­леной водой происходит разрушение структуры раствора (молекул) в снижение его вязкости. В случае высокой минерализации воды концентрация раствора должна быть в 2 - 3 раза выше.

Давление для нагнетания полимерных растворов всегда тре­буется значительно более высокое, чем при обычном заводнении, чтобы обеспечить необходимые или аналогичные темпы разработки, вследствие увеличения вязкости вытесняющего агента и возникно­вения дополнительного сопротивления пористой среды, а также вследствие проявления кажущейся вязкости раствора,аналогичного (по эффекту) снижению фазовой проницаемости для воды. По этой причине полимерное заводнение может оказаться технически неосуществимым в слабопроницаемых пластах. Система размеще­ния скважин для полимерного заводнения может не отличаться от систем для обычного заводнения, если обеспечиваются необходи­мые давления нагнетания, градиенты давления и темпы отбора нефти. Но вполне логично применение более плотных сеток сква­жин для полимерного заводнения, которое, естественно, может быть только внутриконтурным.

Реализуемые проекты. Испытания полимерных растворов для увеличения нефтеотдачи пластов проводились на нескольких месторождениях в Куйбышевской области, Башкирии, Татарии и Казахстане. Однако наиболее представительными из них явля­ются опыты на Орлянском месторождении и на Ново-Хазинской площади Арланского месторождения.

Будущее метода. Применение метода полимерного завод­нения в будущем будет определяться объемом производста водо­растворимых полимеров, особенно солестойких, для нефтяной про­мышленности. Потребность в полимерах для увеличения нефтеот­дачи пластов выражается десятками тысяч тонн. Как показали исследования, представляется перспективным использование поли­меров в сочетании с другими методами увеличения нефтеотдачи пластов (щелочное заводнение, вытеснение нефти паром, горячей водой, ПАВ, углекислым газом), что позволяет достигать лучшего эффекта.

Большой эффект можно ожидать от создания полимерных мате­риалов новых типов (биополимеров, производимых с помощью микроорганизмов), обладающих требуемыми для нефтяной отрасли свойствами в большей мере, чем полиакриламиды. Эти полимеры должны быть стойкими к деградации, легко растворимыми в воде, малочувствительными к действию солей, должны существенно снижать подвижность воды и быть недорогими.

Особенно широкая область применения полимеров намечается в связи с использованием их для создания буфера подвижности как составного элемента технологии мицеллярных растворов, кото­рая будет рассмотрена ниже. Будущее полимерного заводнения во многом будет зависеть от стоимости полимеров (требуется суще­ственное ее снижение). С этой целью в будущем, возможно, будет применяться внутрипластовая полимеризация, а в пласты будет закачиваться мономер с соответствующим катализатором при определенных давлениях и температуре. И, естественно, масштабы применения полимерного заводнения будут зависеть от цен на нефть. Так как метод относится к дорогим, то экономическая эф­фективность его применения может быть возможна только при вы­соких ценах на нефть.

Влияние щелочи на межфазные свойства нефти, воды и породы известно давно. Более высокая вытесняющая способность щелоч­ной воды отмечалась еще при разработке бакинских нефтяных месторождений в 40-х годах. В последние годы к щелочному завод­нению вновь проявляется интерес в связи с обнаружением в не­которых нефтях значительного содержания активных полярных компонентов.

Механизм процесса. Метод щелочного заводнения нефтя­ных пластов основан на взаимодействии щелочей с пластовыми нефтью и породой. Практически все природные нефти содержат в своем составе активные компоненты - органические кислоты, но количество и состав их различны. При контакте щелочи с нефтью происходит ее взаимодействие с органическими кисло­тами, в результате чего образуются поверхностно-активные веще­ства, снижающие межфазное натяжение на границе раздела фаз нефть - раствор щелочи и увеличивающие смачиваемость породы водой. Лабораторные исследования показали, что степень сниже­ния межфазного натяжения возрастает с увеличением количества органических кислот в нефти и может составлять 0,001 мН/м и менее в узком диапазоне концентраций щелочи в рас­творе (рис. 10).

Рис. 10. Изменение поверхностного натяжения σ на границе раздела нефть-водный раствор NaOH в за­висимости от массового содержания NaOH (С).

Нефть: 1 - малоактивная; 2 - активная; 3 - высокоактивная

При контакте щелочных растворов с нефтями, особо активно взаимодействующими с щелочью из-за низкого межфазного натя­жения, образуются мелкодисперсные эмульсии типа «нефть в воде», а с малоактивными нефтями - типа «вода в нефти». За­висимость вязкости эмульсий, образуемых нефтями различной активности с щелочными растворами, от содержания воды пока­зана на рис. 11. Нефти, неактивно взаимодействующие с щелочью, не образуют стойких эмульсий с щелочными растворами, и с повы­шением содержания воды в них вязкость возрастает. Эмульсии с активными нефтями при увеличении в них содержания воды резко уменьшают свою вязкость.

Проведенные опыты показали высокие нефтевытесняющие свойства эмульсии: при одинаковых объемах количество вытеснен­ной нефти в случае применения эмульсии на основе активной нефти было практически таким же, как и в случае закачки раствора акустической соды с низким межфазным натяжением, и суще­ственно выше, чем при вытеснении водой.