Лекция: Повышение нефтеотдачи пластов

1 мНм²/кмоль=1Гиббс=1Дин/см/(моль/дм³)

Наиболее подходящими для обработки нагнетаемых вод считаются ПАВ, значительно снижающие поверхностное натяжение на границе с нефтью при небольших концентрациях, улучшающие смачиваемость поверхности породы, малоадсорбирующиеся на ней и разрушающие водонефтяные эмульсии. Кроме того, они должны быть дешевыми, полностью растворимыми в пресной и пластовой воде, устойчивыми по отношению к солям пластовых вод. Лучшими показателями обычно обладают смеси различных ПАВ. В связи с этим основной задачей лабораторных исследований становится подбор наилучших композиций для конкретных условий залегания нефти. Огромный объем исследований требует больших затрат времени и средств и поэтому мало где реализуется в полной мере.

Применение ПАВ в промышленных объемах для увеличения нефтеотдачи встречает значительные трудности вследствие адсорбции их огромной поверхностью каналов фильтрации. Следует, однако, учитывать, что в результате фильтрации воды вслед за оторочкой раствора химреагента происходит частичная десорбция вещества, и перенос его в другие части пласта. С другой стороны, если бы адсорбция не происходила, тогда и механизм действия ПАВ не мог бы реализоваться в полной мере. Известны результаты исследований эффективности полимерного заводнения с использованием веществ, понижающих адсорбцию активного реагента на поверхности породы, свидетельствующие об отсутствии технологического эффекта.

4. Щелочное заводнение

Растворы щелочей нагнетают в пласты в виде оторочек, продвигаемых пресной водой. Механизм действия щелочных оторочек связан с образованием поверхностно-активных веществ в результате взаимодействия щелочи с нефтью, приводящим к снижению поверхностного натяжения на границе раствора с нефтью, гидрофилизации поверхности пород (терригенных в большей степени). За счет эмульгирования нефти создаются дополнительные гидродинамические сопротивления, способствующие увеличению микро- и макроохвата пласта заводнением. В настоящее время проводятся промысловые испытания щелочного заводнения и его модификаций, выражающихся в создании смесей щелочей с различными типами ПАВ, термощелочное заводнение и др. Эффективность щелочного заводнения тесно связана с активностью нефтей, зависящей от содержания в них кислотных компонентов, реагирующих со щелочами. Чем более активны нефти, тем сильнее снижается поверхностное натяжение на их границе с раствором щелочи.

5. Полимерное заводнение

Загущение воды путем добавки к ней водорастворимых полимеров преследует цель выровнять фронт вытеснения за счет устранения или снижения вязкостной неустойчивости и предотвращения преждевременного прорыва нагнетаемой воды в добывающие скважины. При этом реализуется основное свойство полимерных растворов сопротивляться усилию, которое прилагается к ним. Чем выше скорость фильтрации раствора полимера при прочих равных условиях, тем выше фактор сопротивления. Величина фактора сопротивления определяется отношением подвижности раствора полимера к подвижности воды. Другим важным показателем вероятной эффективности метода является остаточный фактор сопротивления, который определяется после промывки пористой среды водой и десорбции или разрушения закачанного ранее полимера. В связи с тем, что в реальных условиях полимерное заводнение малоэффективно из-за резкого снижения скоростей фильтрации по мере удаления оторочки от нагнетательной скважины, в чистом виде технологию нигде не используют. Ее применяют в сочетании с нагнетанием композиций химреагентов с саморегулирующейся вязкостью. Такие реагенты снижают свою вязкость при контакте с нефтью и повышают ее при контакте с водой, что позволяет наиболее эффективно вытеснять нефть в реальных условиях залегания углеводородов, когда геологическое строение и коллекторские свойства пород резко изменяются в пределах залежи.

6. Применение углекислоты для увеличения нефтеотдачи пластов

Углекислый газ, растворенный в воде или введенный в пласт в жидком виде, благоприятно воздействует на физико-химические свойства нефти, воды и коллектора, что способствует увеличению нефтеотдачи пластов.

СО₂-бесцветный газ тяжелее воздуха с относительной плотностью 1,529. Критическая температура 31,1С; критическое давление-7,29 МПа; критическая плотность-468 кг/м³. При температуре 20С под давлением 5,85 МПа превращается в бесцветную жидкость с плотностью 770 кг/м³. При сильном охлаждении СО₂ застывает в белую снегообразную массу с плотностью 1650 кг/м³, которая возгоняется при температуре -78,5С и атмосферном давлении. Поверхностное натяжение жидкого углекислого газа снижается с ростом температуры

Растворимость углекислого газа в воде с увеличением давления быстро возрастает. Повышение температуры и минерализации воды сопровождается уменьшением растворимости СО₂. С увеличением концентрации углекислого газа вязкость воды возрастает. Например, при температуре 20С и давлении 11,7 МПа вязкость карбонизированной воды равна 1,21 мПас. Растворимость углекислого газа в нефтях является функцией давления, температуры, молекулярной массы и состава нефти. С уменьшением молекулярной массы углеводородов растворимость СО₂ в них возрастает. С очень легкими нефтями СО₂ смешивается полностью при давлениях 5,6-7 МПа. Тяжелые нефти в жидкой углекислоте растворяются не полностью. Нерастворимый остаток состоит из смол, парафинов и других тяжелых углеводородов. С увеличением соотношения объема жидкой углекислоты к объему нефти в смеси растворимость нефти возрастает.

Для увеличения нефтеотдачи углекислый газ в сжиженном виде нагнетается в виде оторочки и проталкивается карбонизированной водой. При этом происходит взаимное растворение углекислоты в нефти и углеводородов в жидком углекислом газе с соответствующими изменениями их свойств. Вязкость нефти уменьшается, а ее объем увеличивается, снижается поверхностное натяжение на границе нефти с водой. Например, увеличение объема Арланской нефти при концентрации СО₂, равной 25% по массе, достигает 30% при температуре 24С и давлении 12 МПа, а вязкость ее уменьшается с 13,7 мПас до 2,3 мПас. Значительная экстракция легких углеводородов из нефти наблюдается при температуре и давлении выше критических для СО₂ и поэтому процесс сходен с процессом ретроградного испарения легких фракций нефти в фазу, обогащенную углекислым газом.

По результатам лабораторных исследований при объеме оторочки жидкой углекислоты 4-5% от объема пор, нефтеотдача возрастает более чем на 50% по сравнению с обычным заводнением. Нагнетание карбонизированной воды позволяет при благоприятных условиях увеличить коэффициент нефтевытеснения относительно обычного заводнения почти на 30%. Углекислый газ является эффективным средством увеличения нефтеотдачи карбонатных и терригенных пластов в которых пластовое давление составляет 5,6 МПа и более, а температура изменяется в пределах 24 -71С. Положительное влияние углекислоты на нефтеотдачу является также следствием активного химического взаимодействия ее с породой. В результате такого взаимодействия проницаемость породы может увеличиться. Под воздействием углекислоты повышается кислотность глинистых минералов, что способствует их сжатию и предотвращает набухание. Промышленные опыты по закачке СО₂ в продуктивные пласты дали обнадеживающие результаты.

7. Термические способы увеличения нефтеотдачи

Впервые опыты по тепловому воздействию на пласт в России были начаты в 30-е годы. При нагнетании в пласт горячей воды повышение температуры вызывает понижение вязкости нефти, изменение молекулярно-поверхностных сил, расширение нефти и горных пород, улучшение смачивающих свойств воды. В начале процесса горячая вода, нагнетаемая в пласт, быстро отдает тепло породе, остывает до пластовой температуры и поэтому между вытесняемой нефтью и последующими порциями теплоносителя образуется зона остывшей воды. Следовательно, нефть практически вытесняется водой, имеющей пластовую температуру. Влияние теплоносителя на эффективность вытеснения нефти начинает сказываться в более поздний водный период разработки залежи. Движение горячей воды в пласте сопровождается уменьшением фильтрационных сопротивлений в прогретой зоне. Улучшается смачиваемость поверхности, возрастают интенсивность и роль капиллярного перераспределения жидкостей. Если уменьшение вязкости нефти способствует увеличению нефтеотдачи, то интенсификация капиллярных процессов на фронте вытеснения может оказать существенное отрицательное влияние на нефтеотдачу. Эти явления могут возникать при низкой температуре теплоносителя в пласте (до 80-85С).

Если в пласт нагнетается перегретый водяной пар, то нагрев пласта вначале происходит за счет теплоты перегрева. При этом температура снижается до температуры насыщенного пара т.е. до точки кипения воды в пластовых условиях. Далее на нагрев пласта расходуется скрытая теплота парообразования и затем пар конденсируется. В этой зоне температура пароводяной смеси и пласта будут равны температуре насыщенного пара до тех пор, пока вся скрытая теплота парообразования не будет израсходована. Затем пласт будет нагреваться за счет температуры горячей воды до тех пор, пока ее температура не упадет до начальной пластовой.

Другим методом термовоздействия является осуществление процесса внутрипластового горения. Вытеснение нефти происходит горячими газообразными продуктами сгорания части нефти, нагретой водой и паром. Суммарный результат воздействия движущегося очага горения в пласте складывается из многочисленных эффектов, способствующих увеличению нефтеотдачи. В первую очередь выделяются легкие углеводороды, конденсирующиеся в ненагретой зоне пласта впереди фронта горения и уменьшающие вязкость нефти. Затем конденсирующаяся влага образует зону повышенной водонасыщенности; происходит термическое расширение жидкостей и пород, увеличиваются проницаемость и пористость за счет растворения цементирующих материалов; углекислый газ, образующийся при горении, растворяется в воде и в нефти, повышая их подвижность; тяжелые остатки нефти подвергаются пиролизу и крекингу, что увеличивает выход углеводородов из пласта.

Успешному осуществлению процесса способствует равномерность распределения нефти в пласте, высокая проницаемость и пористость пород. Более устойчивые очаги горения возникают в пластах, содержащих тяжелые нефти, обладающие повышенным содержанием коксового остатка. Повышенная водонасыщенность пласта затрудняет течение процесса. Тепловая волна, образующаяся при горении, характеризуется температурной кривой, имеющей два ниспадающих крыла с максимумом между ними, соответствующим температуре очага горения. По лабораторным данным ее величина достигает 550-600 С. Фронтальное крыло температурной кривой возникает в процессе горения кокса и частично нефти вследствие распространения тепла конвективным его переносом продуктами горения и конденсации паров углеводородов и воды за счет теплопроводности. После движущегося очага горения остается нагретая порода, постепенно охлаждающаяся движущимся здесь окислителем. По данным лабораторных экспериментов длина тепловой волны достигает нескольких десятков сантиметров. Скорость движения волны зависит от плотности потока окислителя и концентрации в нем кислорода и может изменяться от единиц до десятков метров в сутки. Считается, что при осуществлении описанной технологии нефтеотдача может достигать 70-85%.

8. Вытеснение нефти из пласта растворителями

Основой механизма вытеснения нефти растворителями является отсутствие поверхностного натяжения на границе раздела с нефтью, которой, в сущности, нет. Растворитель, например, пропан проталкивается более дешевым агентом. При движении оторочки растворителя она размывается с одного края нефтью, а с другого - вытесняющим агентом. Степень перемешивания жидкости характеризуется коэффициентом дисперсии D, который называют коэффициентом конвективной диффузии или коэффициентом перемешивания. Этот коэффициент зависит от скорости движения и на несколько порядков может превосходить коэффициент молекулярной диффузии. Большое влияние на процесс оказывает различие плотностей нефти и растворителя вследствие искривления поверхности контактов и образования гравитационных языков. Оптимальный размер оторочки, необходимой для сохранения ее сплошности до подхода фронта вытеснения к эксплуатационным скважинам, для различных условий следует определять специальными исследованиями, учитывающими специфику залежи. На практике размеры оторочек растворителя колеблются от 4 до 12% от объема пор.

Большое влияние на эффективность процесса оказывает состав нефти и насыщенность порового пространства различными фазами. При наличии свободного газа в нефтяной части пласта процесс замедляется вследствие смешивания пропана с газом и ухудшения его качеств как растворителя. Значительное снижение эффективности процесса наблюдается при большом количестве воды в пористой среде. Вода блокирует часть нефти, которая при этом теряет контакт с жидким пропаном. В таких условиях можно применять растворители, смешивающиеся и с водой, и с нефть, например, спирты. Вслед за оторочкой наиболее рационально нагнетать в пласт газ, хорошо растворяющийся в растворителе. Если оторочка продвигается по пласту газом, то в качестве растворителя обычно используются сжиженные пропан-бутановые смеси и другие более тяжелые углеводороды. Состав растворителя необходимо выбирать так, чтобы наблюдалась неограниченная взаимная растворимость оторочки в нефти и газе. При этом условии в пористой среде не возникают границы раздела фаз и вытеснение нефти осуществляется более эффективно. Для осуществления смесимого вытеснения нефти оторочкой необходимо выбрать такой состав углеводородов растворителя, при котором они в пластовых условиях находятся в жидком состоянии.