Содержание к диссертации
Введение
1. Гидродинамические и физико-химические методы увеличения конечной нефтеотдачи пластов при заводнении нефтяных залежей 10
1.1. Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи пластов 10
1.2. Методы увеличения конечной нефтеотдачи пластов на поздней стадии заводнения 25
1.2.1. Общая характеристика методов и их классификация 25
1.2.2. Методы, основанные на увеличении коэффициента вытеснения нефти из пористой среды 27
1.2.3. Методы, основанные на комплексном воздействии на залежь 33
1.2.4. Методы, основанные на увеличении коэффициента охвата пласта заводнением 38
Выводы 51
2. Исследование механизма флокуляции глинистых суспензий полиакриламидом в присутствии различных модифицирующих добавок 53
2.1. Постановка задач исследований 53
2.2. Исследование коллоидно-химических свойств глинопорошков и сус- пензий на их основе 54
2.3. Исследование связывания модифицирующих добавок с частицами глинистых суспензий аналитическими методами 63
2.4. Флокуляция дисперсных систем добавками водорастворимых полимеров 65
2.5. Исследование процессов флокуляции глинистой суспензии в режимах стесненного оседания 73
Выводы 87
3. Реологические и структурно-механические свойства пдс и мпдс в пористой среде 87
3,1 . Реологические и структурно-механические свойства осадков и ком- понентов ПДС и МПДС92
3.2. Экспериментальные исследования образования ПДС и МПДС в по ристой среде 103
3.3. Математическая модель заводнения послойно-неоднородных пла стов с применением ПДС и МПДС 109
Выводы 115
4. Методика и аппаратура для исследования процессов вытеснения нефти из моделей неоднородных пластов водой и с использованием полимер дисперсных систем 117
4.1. Общие положения 117
4.2. Выбор моделей пористых сред 117
4.3. Подготовка модели нефти для проведения исследований 127
4.4. Моделирование связанной воды 131
4.5. Установка по моделированию процессов нефтевытеснения 133
4.6. Основные параметры процессов нефтевытеснения, определяемые при подготовке и проведении исследований 137
4.7. Обоснование параметров процесса вытеснения нефти из моделей не- однородных пористых сред 142
Выводы 154
5. Исследование процессов вытеснения нефти из моделей неоднородных пористых сред с применением осадкогелеобразующих составов 155
5.1. Экспериментальные исследования эффективности вытеснения нефти из моделей неоднородных пластов с применением ПДС 155
5.2. Физические основы процессов вытеснения остаточной нефти из моделей послойно неоднородных пластов с применением модифицированных полимерных систем 175
5.3. Экспериментальные исследования вытеснения остаточной нефти из моделей пористых сред с применением модифицированных ПДС 186
Выводы 211
6. Разработка и научно-техническое обоснование технологий увеличения нефтеотдачи пластов на основе алюмохлорида и щелочных реагентов 213
6.1. Выбор реагентов и исследование их физико-химических свойств 213
6.2. Гелеобразование при взаимодействии алюмохлорида со щелочными реагентами в присутствии пластовых вод 218
6.3. Исследование взаимодействия алюмохлорида со щелочными стоками производства капролактама 223
6.4. Лабораторные исследования эффективности вытеснения остаточной нефти из моделей неоднородных пластов с применением алюмохлорида и щелочных реагентов 227
Выводы 243
7 . Промысловые исследования эффективности новых мун на основе модифицированных пдс и гелеобра-зующих композиций на основе алюмохлорида и щелочей 244
7.1. Задачи промысловых исследований 244
7.2. Промысловые испытания на месторождениях, приуроченных к девонскому горизонту
7.3. Промысловые испытания эффективности технологий УНП на основе МПДС в нефтяных залежах, приуроченных к терригенным коллекторам нижнего карбона 261
7.4. Подготовка и проведение промыслового эксперимента по закачке МПДС на Ильмовском месторождении высоковязкой нефти 269
7.5. Промысловые испытания методов УНП на основе применения МПДС (ПАВ + ПДС) на Самотлорском месторождении 273
7.6. Промысловые испытания новых технологий УНП на основе приме- нения МПДС (ПАВ + ПДС) в карбонатных коллекторах 274
7.7. Промысловые исследования эффективности технологий УНП на основе использования композиций алюмохлорида и щелочных реагентов 277
Выводы 292
Основные выводы 293
Список использованных источников 295
- Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи пластов
- Постановка задач исследований
- . Реологические и структурно-механические свойства осадков и ком- понентов ПДС и МПДС92
- Подготовка модели нефти для проведения исследований
Введение к работе
Актуальность работы
Важной задачей, стоящей перед нефтяниками страны, является наиболее полное использование нефтяных ресурсов недр. При современных способах разработки нефтяных месторождений более половины начальных геологических запасов нефти остаются не извлеченными из пласта. По данным, опубликованным в технической литературе, среднее значение конечной нефтеотдачи пластов месторождений мира составляет 34-36 %. Среднее значение проектной конечной нефтеотдачи по месторождениям России не превышает 40-43 %.
Опыт разработки нефтяных месторождений показывает, что со временем происходит ухудшение структуры запасов нефти - новые месторождения часто приурочены к сложнопостроенным коллекторам и жестким климатическим условиям. Освоение и разработка таких месторождений связана с крупными инвестициями, часто практически невозможными в силу определенных экономических ситуаций. При существующих ценах и уровне рентабельности добычи нефти основным источником углеводородного сырья остаются уже разрабатываемые объекты, в большинстве своем вступившие в позднюю стадию разработки.
В настоящее время при обосновании системы разработки часто не учитывается, что природные ресурсы углеводородного сырья не беспредельны, а на поиски и освоение каждого месторождения и увеличение добычи нефти на каждую тонну расходуется все больше и больше сил, средств и времени. В связи с этим разработка теоретических основ увеличения конечной нефтеотдачи пластов и ограничения добычи попутной воды при разработке месторождений на поздней стадии имеет важное народнохозяйственное значение.
Определенные возможности увеличения степени извлечения начальных запасов нефти отмечаются в трудах К.Б.Аширова, Л.К.Алтуниной, Р.Х.Алмаева, В.Е.Андреева, Г.А.Бабаляна, Б.Т.Баишева, К.С.Басниева, Ю.П.Борисова, Д.В.Булыгина, Г.Г.Вахитова, А.Т.Горбунова, Е.Е.Гавуры, А.Ш.Газизова, В.В.Девликамова, Р.Н.Дияшева, С.А.Жданова, Ю.П.Желтова, С.Н.Закирова, Ю.В.Зейгмана, М.М.Ивановой, Р.Р.Ибатуллина, А.П. Крылова, В.И.Кудинова, Е.В.Лозина, В.Д.Лысенко, И.Т.Мищенко, Н.Н.Михайлова, Р.Х.Муслимова, В.Ш.Мухаметшина, Б.М.Орлинского, МЛ.Сургучева, С.А.Султанова, М.А.Токарева, А.П.Телкова, Р.Т.Фазлыева, Р.С.Хисамова, Э.М.Халимова, Н.Ш.Хайрединова, Н.И.Хисамутдинова, В.А.Щвецова, В.Н.Щелкачева, Э.М.Юлбарисова и др.
ах приводит к преждевре-прекращению вытеснения
Как показал опыт разработки нефтяных месторождений заводнением,
прорыв закачиваемых вод в неоднородных плас
менному обводнению добываемой жидкости и
нефти из малопроницаемых объемов пласта. Одніой их главных задач повы
шения эффективности заводнения при этом является создание благоприят
ных условий для использования энергии закачиваемой воды для вытеснения
нефти из малопроницаемых зон путем ограничения движения воды в промытых зонах коллектора.
Для ограничения добычи попутной воды и увеличения конечной нефтеотдачи неоднородных пластов в настоящее время получили широкое применение так называемые осадкогелеобразующие технологии, позволяющие управлять фильтрационными потоками в заводненных объемах пласта.
Обзор работ в области применения технологий ограничения водоприто-ков и снижения объема попутно-добываемой воды показывает не только заметные успехи в данном вопросе, но и в большей степени очерчивает круг проблем, связанных с поиском водоизолирующих составов на основе экологически безопасных продуктов, доступных и дешевых реагентов, обладающих регулируемым временем осадкогелеобразования.
В диссертации изложены результаты теоретических, лабораторных и промысловых исследований по созданию новых энергосберегающих технологий увеличения нефтеотдачи пластов (УНП) на основе малоконцентрированных полимерсодержащих глинистых суспензий с добавлением специальных реагентов - модификаторов, а также композиционных систем на основе алюмохлорида и щелочных реагентов, эффективных на поздней стадии разработки высокообводненных неоднородных нефтяных месторождений.
Цель работы
Научное обоснование, разработка и промысловое испытание энергосберегающих технологий регулирования заводнения нефтяных залежей и УНП с трудноизвлекаемыми запасами с использованием новых осадкогелеобразую-щих композиций химических реагентов.
Проведение промысловых экспериментов в различных геолого-физическйх и технологических условиях 7ІДЯ уточнения, обоснования оптимальных параметров разработанных технологий и оценки технологической и экономической эффективности.
Задачи исследований
Для достижения поставленной цели были сформированы и решены следующие задачи:
анализ результатов внедрения технологий УНП в различных геолого-физических условиях на поздней стадии разработки и обоснование необходимости новых эффективных способов извлечения остаточной нефти из слабопроницаемых высокообводненных залежей неоднородного пласта;
экспериментальное изучение факторов, влияющих на водоизолирую-щие свойства полимер дисперсных систем (ПДС) в различных геолого-физических и технологических условиях ее применения; обоснование путей повышения эффективности технологий увеличения конечной нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных залежей;
выполнение комплекса исследований по изучению механизма образования, коллоидно-химических и структурно-механических свойств полимерсодержащих глинистых суспензий с модифицирующими добавками, влияющими на водоизолирующие свойства образующихся осадков;
4) исследование эффективной вязкости и других реологических характеристик модифицированных ПДС (МПДС) при различных составах и концентрациях компонентов в технологических жидкостях, обоснование оптимальных составов, обеспечивающих более полное извлечение остаточной нефти;
исследование процессов вытеснения нефти из моделей послойно-неоднородных пластов для поздней стадии разработки месторождений с использованием МПДС, обоснование оптимальных параметров модифицированных технологий увеличения нефтеотдачи пластов;
научно-техническое обоснование применения композиционных систем на основе алюмохлорида и щелочных реагентов для увеличения нефтеотдачи на конечной стадии разработки нефтяных месторождений;
разработка программы проведения широкомасштабных промысловых испытаний для оценки технологической и экономической эффективности предложенных в работе технологий и проведение промысловых экспериментов в различных геолого-физических условиях;
составление руководящих документов по применению методов увеличения нефтеотдачи (МУН) неоднородных пластов на основе использования новых осадкогелеобразующих технологий.
Методы решения поставленных задач
При анализе эффективности применения новых осадкогелеобразующих технологий на поздней стадии разработки использованы лабораторные методы анализа с применения современных программных продуктов.
Исследования по изучению механизма процессов осадкогелеобразо-вания выполнены с использованием современных методов коллоидной химии и лабораторного оборудования.
Лабораторные эксперименты по изучению закономерностей вытеснения нефти водой с применением различных технологических жидкостей выполнены с соблюдением требований и основных положений теории моделирования.
При оценке эффективности применения МУН на месторождениях использованы результаты гидродинамических, геофизических исследований скважин и промысловых наблюдений.
Научная новизна
Научно обоснован способ регулирования процессов заводнения неоднородных пластов путем применения водоизолирующих составов на основе малоконцентрированных полимерсодержащих глинистых суспензий и модифицирующих реагентов (СаС12, А1С13, К2Сг207, щелочи и неионогенные ПАВ (НПАВ)).
Экспериментально установлено, что применение МПДС позволяет вытеснить из моделей пластов дополнительное количество остаточной нефти за счет увеличения коэффициента охвата пласта воздействием закачиваемой воды на поздней стадии заводнения. Определены оптимальные составы технологических жидкостей для образования модифицированных полимердис-персных систем (ПДС+СаС12, ПДС+А1С13, ПДС+К2Сг207, ПДС+ ЩСПК (ще-
лочной сток производства капролактама) и ПДС+НПАВ) в полимиктовых коллекторах месторождений Западной Сибири, в терригенных и карбонатных коллекторах месторождений ОАО «Татнефть», ОАО «Башнефть» и ОАО «Удмуртнефть».
3. Разработаны и защищены патентами (патенты РФ № 2060375,
2042031, 2039225, 2063745, 2078917) новые водоизолирующие составы на
основе глинистой суспензии, полимеров и модифицирующих химических
реагентов, позволяющие уменьшить объемы попутно-добываемой воды на
поздней стадии разработки нефтяных залежей путем регулирования фильт
рационных сопротивлений обводненных объемов пласта для воды на позд
ней стадии разработки нефтяных залежей.
Установлено, что в условиях нефтеводосодержащих пластов в результате взаимодействия алюмохлорида со щелочными реагентами происходит управляемое гелеобразование. Физические свойства образующих гелеобраз-ных масс зависят от концентрации исходных химических продуктов, степени минерализации и химического состава пластовых вод, рН среды, температуры и пластового давления.
Научно обоснованы, разработаны и внедрены в промысловых условиях новые технологии довытеснения остаточной нефти из водонефтяных зон неоднородных пластов комплексного воздействия на основе алюмохлорида и щелочных реагентов, обеспечивающих как увеличение охвата заводнением, так и прирост коэффициента вытеснения нефти из пористой среды (патенты № 1800868,2090746).
Практическая ценность работы и реализация в промышленности
В промысловых условиях доказана технологическая и экономическая эффективность применения технологий увеличения нефтеотдачи высокооб-водненных неоднородных пластов, приуроченных к терригенным и карбонатным коллекторам месторождений ОАО «Татнефть» и Западной Сибири с использованием МПДС и гелеобразующих композиций на основе алюмохлорида и щелочей. Внедрение технологий УНП в ОАО «Татнефть» под научным руководством автора позволило дополнительно добыть из категории трудноизвлекаемых запасов 198,4 тысяч тонн нефти. Чистая прибыль составила 131,4 миллионов рублей (в ценах 2000 года).
Основные положения работы были использованы при разработке следующих руководящих документов: РД 153-39.0-268-02, Казань, 2002 г., РД 153-39.0-266-02, Казань, 2002 г., РД 153-39.0-267-02, Казань, 2002 г., РД 39-0147585-188-99, Казань, 1998 г., РД 39-202-2-94, Казань, 1998 г.
Внедрено в учебный процесс кафедры РНГМ УГНТУ разработанное с соавторами учебное пособие «Анализ эффективности применения методов повышения нефтеотдачи на крупных объектах разработки», Уфа, УГНТУ, 2001 г.
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось на совещании «Концепция развития методов увеличения нефтеизвлечения» в г. Бугульме (1996 г.), на 9-м Европейском симпозиуме по повышению нефтеотдачи пластов в г. Гааге
(1997г,), на научно-технической конференции «Повышение уровня добычи нефти на месторождениях ОАО «Ноябрьскнефтегаз» в 1997-2005 гг.» в г. Но-ябрьске (1997 г.), на международном симпозиуме «Новые высокие технологии для нефтяной и газовой промышленности» в г. Казани (1998 г.), на научно-технической конференции «50 лет Ромашкинскому месторождению» в г.Бугульме (1998 г.), на научно-технической конференции нефтяной компании «Сиданко» «Увеличение нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти из скважин» в г.Радужном (1998 г.), на научно-практической конференции VI Международной специализированной выставки «Нефть, газ - 99» «Высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефти разрабатываемых месторождений» в г. Казани (1999 г.), на Всероссийском совещании по разработке нефтяных месторождений «Контроль и регулирование разработки, методы повышения нефтеотдачи пластов - основа рациональной разработки нефтяных месторождений» в г. Альметьевске (2000 г.), на IV международной конференции «Химия нефти и газа» в г. Томске (2000 г.), на научно-практической конференции «Новые идеи в поиске, разведке и разработке нефтяных месторождений» в г. Казани (2000 г.), на IV тематической научно-производственной конференции «Состояние и перспективы работ по повышению нефтеотдачи пластов» в г. Самаре (2000 г.), на научно-практической конференции VIII Международной специализированной выставки «Нефть, газ. Нефтехимия - 2001» в г. Казани (2001 г.), на конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы» в г.Альметьевске (2001г.), на научно-практической конференции «Проблема нефтегазового комплекса Западной Сибири и пути повышения его эффективности» в г.Когалыме (2001 г.), на Российской научно-практической конференции «Эффективность разработки трудноизвлекаемых запасов нефти» в г.Ижевске (2002 г.), на 1-й Международной конференции «Современные проблемы нефтеотдачи пластов Нефтеотдача- 2003», на ежегодных научно-технических конференциях НИИ-нефтепромхима, на заседаниях технических советов НГДУ в Татарстане, Западной Сибири и др.
При работе над диссертацией автор использовал как самостоятельные исследования, так и результаты работ, выполненных с сотрудниками УГНТУ.
Автор считает своим долгом поблагодарить всех сотрудников кафедры РНГМ за помощь, научные консультации и участие в обсуждении результатов работ. Автор благодарен руководителям и главным специалистам нефтегазодобывающих предприятий, оказавшим неоценимую помощь в организации и проведении широкомасштабных промысловых экспериментов по испытанию новых технологий увеличения конечной нефтеотдачи пластов.
Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи пластов
На современном этапе развития науки и техники наиболее эффективным методом разработки нефтяных месторождений является метод заводнения продуктивных пластов - метод вытеснения нефти водой. При всех достоинствах метода заводнения нефтяных залежей как способа наиболее полного извлечения нефти, он тем не менее не обеспечивает необходимую конечную степень извлечения нефти из пластов, особенно в условиях неоднородных пористых сред и повышенной вязкости нефти, когда достигается относительно низкий охват пластов заводнением. После окончания разработки нефтяных месторождений в недрах остается значительное количество остаточной нефти. Остаточная нефть в основном находится в таком состоянии, что доизвлечение ее обычными методами разработки затруднительно или экономически нецелесообразно.
Системы разработки нефтяных скважин с заводнением должны соответствовать ряду требований, основные из которых следующие [1, 15, 53, 70, 82, 120, 166, 187, 194]: - обеспечение оптимальных темпов отбора разведанных запасов нефти; - достижение максимально возможной конечной нефтеотдачи продуктивных пластов при экономически оправданных затратах; - минимальные объемы нагнетаемой воды и затраты энергии на вытеснение нефти из пористой среды. Поэтому эффективные показатели процесса разработки нефтяных залежей и высокую конечную нефтеотдачу можно получить только при соответствующем действенном и эффективном регулировании. Изучение опыта разработки нефтяных залежей, а также теоретические и экспериментальные исследования показали, что ход процесса заводнения зависит от следующих факторов: - степени макро- и микронеоднородности; - степени вскрытия пластов скважинами; - различия вязкости нефти и воды; - начальной нефтенасыщенности пород пласта; - степени проявления капиллярных сил при фильтрации нефти водой; - наличия и размеров водонефтяных зон; - особенностей движения жидкостей в системе трещин; - системы воздействия на пласт; - проявления аномалий вязкости нефти и др. При систематизации и анализе эффективности гидродинамические методы воздействия на продуктивные пласты подразделяются на две группы [120, 187, 175, 195 и др.]: 1. Группы гидродинамического воздействия, осуществляемые только пу тем изменения режима работы скважин, направленные на вовлечение в активную разработку слабодренируемых запасов и объединенные под названием «неста ционарное заводнение». Эти методы предполагают осуществление воздействия через систему нагнетательных скважин путем: - повышения и снижения давления нагнетания; - циклического заводнения, т.е. импульсного снижения (прекращения) закачки воды; - перераспределения расходов по группам нагнетательных скважин (перемены направлений фильтрационных потоков); - одновременно-раздельной закачки воды в разные пласты через одну скважину; - избирательной закачки воды в низкопроницаемые пласты. По добывающим скважинам воздействие осуществляется путем: - изменения отборов жидкости в целом по объекту разработки, отдельному пласту, блоку, зоне, участку или группе добывающих скважин; - форсированного отбора жидкости из группы скважин или из отдельных скважин данного участка, зоны, блока; - периодической (временной) остановки и пуска группы скважин или отдельных скважин; - одновременно-раздельной эксплуатации скважин в многопластовых объектах; - оптимизации перепадов давления между пластом и забоями скважин; - многообъемного внутрипластового воздействия по ограничению водо притоков (изоляционные работы); - системной обработки призабойной зоны скважин. 2. Методы, направленные на вовлечение в разработку ранее не дренируе мых или слабодренируемых запасов (участков, зон и пропластков) неоднородно го прерывистого пласта. Они отличаются большим разнообразием по технологии воздействия на пласты и степенью влияния на технико-экономические показате ли разработки. Эти методы предполагают применение различных технологий со вершенствования систем заводнения: перенос фронта нагнетания воды; приме нение различных модификаций внутриконтурного заводнения для различных геологических условий и вовлечение в разработку запасов нефти путем бурения дополнительных скважин; разукрупнения объектов разработки; выделение зон и полей самостоятельной разработки. Как видно из приведенных определений, гидродинамические методы регулирования разработки включают огромный комплекс работ, выполняемых в процессе их разработки. Основной принцип регулирования разработки - целенаправленное регулирование движением флюидов в пласте в различных стадиях разработки - имеют определенные и более конкретные задачи. В начальных стадиях разработки ос 12 новная задача регулирования - достижение оптимальных темпов отбора нефти и обеспечение возможного длительного периода времени стабильной добычи нефти, а на поздней стадии - замедление падения добычи и достижение утвержденного коэффициента нефтеотдачи с наименьшими затратами, применением методов увеличения охвата пласта воздействием.
Рост обводненности добываемой жидкости, снижение уровня и увеличение себестоимости добычи нефти, сопровождающиеся в поздней стадии уменьшением действующего фонда скважин, ухудшением структуры запасов нефти, особенно для расчлененных, неоднородных объектов разработки, усложняют процесс регулирования. Основными направлениями регулирования в поздней стадии являются: - ввод всех утвержденных запасов нефти в основную разработку; - стабилизация и обеспечение рентабельности добычи нефти при оптимальных темпах отбора жидкости и закачки воды; - достижение максимально возможного коэффициента нефтеотдачи пластов на месторождениях при минимальных затратах. На месторождениях ОАО «Татнефть» и ОАО «Башнефть» применяется очень широкий спектр гидродинамических методов регулирования разработки, осуществляемых как в рамках принятых систем разработки, так и с изменением системы разработки [1, 52, 104, 120, 187, 194 и др.]. Добыча нефти производится в разнообразных геолого-физических условиях, что и предопределяет применение различных методов заводнения: законтурного, внутриконтурного, блочного, очагового, избирательного, площадного и др. В каждом отдельном случае в зависимости от геолого-физических характеристик нефтяного месторождения выбирается определенная система поддержания пластового давления, в том числе и система заводнения. Каждая из приведенных систем заводнения имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому регулирование процесса разработки нефтяной залежи с целью изменения темпа разработки, динамики обводнения добываемой жидкости и достижения приемлемого коэффициента нефтеотдачи возможно путем изменения системы заводнения. К недостаткам законтурного заводнения можно отнести: менее активное вовлечение в разработку центральных частей пласта; значительный отток нагнетаемой воды за контур нефтеносности и не использование энергии законтурной зоны, возрастание вероятности попадания ряда нагнетательных скважин далеко за контур нефтеносности или в зону ухудшенных коллекторских свойств пласта [82, 187, 194].
Постановка задач исследований
Как было показано в первом разделе, принцип действия ПДС на нефтево-донасыщенную породу основывается на повышении фильтрационного сопротивления обводненных зон коллектора. При взаимодействии полимеров и частиц глинистой суспензии, а также дисперсных частиц пород продуктивного пласта в пористой среде и трещинах с водой образуются полимерминеральные комплексы, обладающие водоизолирующими свойствами. Превращение дисперсных частиц в водоизолирующую массу приводит к значительному увеличению фильтрационного сопротивления обводненных зон коллектора, к снижению степени неоднородности пласта по проницаемости и росту охвата его заводнением.
Под воздействием ПДС в продуктивном пласте происходит перераспределение фильтрационных потоков как по разрезу, так и по площади залежи, подключение в процесс разработки неработающих прослоев, а в итоге - увеличение конечной нефтеотдачи на 1,5-5 % [34, 35, 227 и др.].
В технологическом отношении способ заключается в последовательном нагнетании в высокообводненный и промытый водой пласт слабоконцентрированных растворов полимеров и водной суспензии глины. В механизме образования ПДС в пластовых условиях важную роль играет полимер, под воздействием которого происходит флокуляция частиц глины с потерей гравитационной:— устойчивости. Наличие ионогенных групп в полимерной цепи обеспечивает достаточно высокую адгезионную связь ее не только с поверхностью пор и трещин, но и с твердыми частицами пород и частицами глинистой суспензии. Являясь полифункциональными, они оказывают различное воздействие на устойчивость твердых частиц.
Закономерности флокуляции в жидких дисперсных системах, изложенные в трудах С.С.Воюцкого, Ю.ИЗайцера, Д.Н.Минца, К.С.Ахмедова и других ученых, показывают, что оптимальная доза полимера, обеспечивающая образование наиболее крупных хлопьев и быструю седиментацию, обратно пропорциональны квадрату радиуса частиц. Расход полимера зависит от удельной поверхности дисперсной фазы и изменение этой поверхности с увеличением или уменьшением массовой концентрации коллоидных частиц приводит к изменению оптимальной дозы полимера. Существенное влияние на расход полимера могут оказать свойства поверхности дисперсной фазы, минерализация воды, температура среды и др. Однако эти задачи исследованы, главным образом, применительно к технологическим процессам очистки вод и структурирования почв. Закономерности процессов флокуляции глинистых суспензий в пластовых условиях нефтяных залежей в присутствии флокулянтов (полимеров), приводящих к образованию полимер-дисперсных систем, практически не изучены. В связи с этим основная задача лабораторных и теоретических исследований заключалась в изучении механизма образования ПДС и изыскании возможностей регулирования технологических параметров ее, для снижения подвижности воды в высокопроницаемых зонах неоднородного пласта. Экспериментальные исследования были направлены на решение следующих задач: а) оценку флокулирующих свойств известных и доступных для промысло вого применения полиакриламидов; б) определение оптимальных соотношений концентраций водных раство ров полимеров и глинистой суспензии; в) изучение зависимости флокуляционных процессов глинистой суспензии от минерализации воды, температуры среды и дисперсности глин; г) исследование физико-химических свойств полимерсодержащих дис персных систем; д) изучение влияния полимер-дисперсных систем на фильтрационную ха рактеристику пористых сред; е) изыскание способов регулирования характеристик ПДС с применением химических продуктов-модификаторов.Исследование коллоидно-химических свойств глинопорошков и суспензий на их основе Дисперсной фазой глинистых суспензий, которые используются при формировании ПДС, являются бентонитовые глинопорошки промышленного производства, которые применяются в процессах бурения скважин и добычи нефти. В связи с тем, что образование структурированной ПДС - сложныйг многое-стадийный, многофакторный процесс, включающий как элементарный акт взаимодействия полимер - поверхностные активные центры, так и кооперативное связывание агрегатов и флокул, была произведена оценка свойства исследуемых образцов глинопорошков как с точки зрения их химической и минералогической природы, так и с позиции классической коллоидной химии. Подобные характеристики, без сомнения, необходимы для интерпретации результатов исследований флокуляции и структурно-механических свойств ПДС, а также прогнозирования поведения различных глинопорошков в реальных пластовых условиях.
Для исследования были взяты два образца глинопорошков производства ЗАО «Керамзит» г. Серпухов (ППБ) и производства Альметьевского завода глинопорошков (ПБИ). Результаты определения минералогического состава образцов методом рентгенофазового анализа на приборе ДРОН-4-07 представлены в табл. 2.1. Очевидно, что сложный состав глинопорошков существенно отличается и в качественном, и в количественном отношении. Так, основным компонентом глинопорошка ПБИ является смешанослойный минерал, который представляет собой слои монтмориллонита и слюды с преобладанием монтмориллонита. Образец ППБ в качестве основного компонента содержит палыгор-скит - минерал подкласса цепочечных силикатов Mg[Si4Oio]2(OH)2(H20)4-4H20, который кристаллизуется в моноклинной сингонии. Его частицы представляют собой агрегаты кожистого, волокнистого строения. Образец ПБИ содержит каолинит - гидросиликат алюминия, а образец ППБ - долотомитовую известняковую породу.
. Реологические и структурно-механические свойства осадков и ком- понентов ПДС и МПДС92
Были исследованы зависимости напряжения и скорости сдвига, а также эффективной вязкости водных растворов ПАА от концентрации. Результаты опытов свидетельствуют, что даже в области малых концентраций течение уже носит неньютоновский характер. Резкое возрастание вязкости с ростом концентрации при малых скоростях сдвига указывает, по-видимому, на начало образования супрамолекулярных структур.
При контакте раствора ПАА с минерализованной пластовой водой (Миннибаевского месторождения) происходят известные процессы - экранирование зарядов макромолекулы, снижение полиэлектролитного набухания, компактизация и глобулизация макромолекулы, о чем уже было упомянуто ранее. Установлено изменение конформационного и реологического поведения ПАА в пластовой воде при различных температурах. В первую очередь обращают на себя внимание очень низкие значения эффективной вязкости, что указывает на сильную степень компактизации клубка, при этом л не так сильно зависит от скорости сдвига (рис. 3.3). При высоких температурах, превышающих 60 С, в пластовой воде раствор ПАА ведет себя как ньютоновская жидкость. При этом происходят сильное разрушение супрамолекулярных структур и ориентация макромолекул - для Т= 20 С и Т= 35 С получены полные реологические кривые, чего не удавалось получить для растворов ПАА в пресной воде. ц, мПа-с 80г— — — 1 100 200 300 у, с Рис. 3.3. Зависимость вязкости раствора ПАА с различными добавками от скорости сдвига: 1 - без добавок; 2 - ЩСПК; 3 - СаС12; 4 - АХ; 5 - квасцы; 6 - А1С13 Модифицирующие добавки в условиях концентрационного диапазона флокуляции оказывают заметное влияние на вязкость. Мы не зря подчеркиваем, что результаты получены для разбавленных растворов ПАА, поскольку при повышении концентрации в растворе в результате действия некоторых добавок - сшивающих и комплексообразующих агентов возможны структу-рообразование ПАА, явления гидролиза и межмолекулярные сшивки. Однако, поскольку основная задача - выявление механизма взаимодействия, то нас интересовали процессы, происходящие на молекулярном уровне. Представленные на рис. 3.4 данные (в пресной воде) показывают, что модифицирующие добавки оказывают влияние на вязкость, вызывая уменьшение размеров макромолекулярного клубка. При этом, на основании литературных данных, предыдущих исследований и наших предположений, снижение вязкости может иметь различную природу. Наибольшую компактизацию вызывают АХ, А1С13 и хромокалиевые квасцы, что, по-видимому, связано с образованием металл-полимерных комплексов. В меньшей степени связывание с катионом Са2+ оказывает влияние на этот процесс, что также коррелирует с предыдущими исследованиями. Во всех случаях наблюдается неньютоновское псевдопластическое течение. Меньшая компактизация макромолекул отмечена для ЩСПК. При введении этой добавки получена полная реологическая кривая, что свидетельствует о наличии прочной супрамолекулярнои структуры в системе. Это может быть связано с образованием комплекса по-лимер-ПАВ. т, мПа-с 5 6 С, % (по массе) Рис. 3.4. Зависимость вязкости суспензии глины в дистиллированной воде от концентрации дисперсной фазы. Глины ППБ: 1 - п=80; 2 - п=160; глины ПБИ: 3 - п=80; 4 - п-160 При анализе реологических свойств суспензий и осадков глинопорош-ков, на основании классических представлений о структурно-механических свойствах дисперсных систем, можно предположить, что межчастичные взаимодействия оказывают определяющую роль в процессах получения ПДС на основе ПАА и глинистых суспензий. Все коллоидные и микрогетерогенные системы можно разделить на свободнодисперсные и связнодисперсные. Из-за несвязанности друг с другом отдельных частиц в свободнодисперсных системах (концентрация дисперсной фазы в них не может быть большой) эти системы проявляют способность к вязкому течению. При этом их вязкость определяется в основном вязкостью дисперсионной среды. Такие системы ведут себя как ньютоновская жидкость и подчиняются уравнению Эйнштейна: Л = тіо(1 + 2,5ф), (3.1) где г)о - вязкость дисперсионной среды; ф - объемная концентрация частиц. В противоположность этому связнодисперсные системы, вследствие наличия сил взаимодействия междуих частицами, обладают структурой, которая разрушается при деформации, и такие системы приобретают способность к течению. В зависимости от преобладающего типа контактов между частицами структуры в связнодисперсных системах условно можно разделить на две основные группы: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные (структуры с фазовыми контактами).
Специфическим свойством коагуляционных структур является тиксо-тропия - способность структур после их разрушения в результате механического воздействия самопроизвольно восстанавливаться во времени. К тиксо-тропным системам относятся и суспензии бентонитовых глин [134]. Для таких суспензий при малых напряжениях сдвига наблюдается упругое последействие, связанное с взаимной ориентацией анизометричных частиц, способных участвовать в тепловом движении. Тиксотропные свойства бентонитовых глин обусловливают применение глинистых суспензий как основного компонента буровых растворов в добыче нефти. Тиксотропные свойства высокодисперсной глинистой суспензии обеспечивают возникновение коагуля-ционной структуры, удерживающей в своей сетке частицы породы и тем самым препятствующей их оседанию, Тиксотропные свойства глин необходимо учитывать при рассмотрении процессов получения МИД С. В пластовых водах под воздействием электролитов, катионы которых, как было показано ранее, способны внедряться в граничный слой, происходит структурообразо-вание, и ПАА как флокулянта имеет дело далеко не всегда с индивидуальной частицей. Однако, вследствие практической необратимости адсорбции ПАА на поверхности частиц глинистых суспензий, восстановление структур в полном объеме не происходит. Поскольку контакты между частицами - основные носители прочности дисперсных структур, исследование механизма формирования контактов в различных условиях служит научной основой разработки эффективных методов управления механическими свойствами ПДСиМПДС.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что вязкость осадков существенно выше, чем вязкость суспензий - почти на два порядка. С ростом ионной силы вязкость осадков изменяется экстремально - проходит через минимум и затем опять возрастает. По-видимому, в пластовой воде происходит образование коагуляционных структур, приводящих к росту вязкости при больших концентрациях. Снижение вязкости при невысоких значениях ионной силы обусловлено снижением агрегативной устойчивости частиц. При этом поведение осадков суспензий существенно зависит от типа глины. С ростом концентрации дисперсной фазы межчастичные взаимодействия растут, и вязкость возрастает при высокой ионной силе. Реологические свойства суспензий глин в пластовой воде показывают, что по сравнению с деминерализованной средой вязкость возрастает, что связано со структурообразовани-ем, а для суспензии глины 111 Lb (г. Серпухов) при высоких концентрациях дисперсной фазы отмечены дилатантные свойства, что интересно для практических целей повышения остаточного фактора сопротивления. Для суспензии этой глины полная реологическая кривая получена не была, в то "время как для бентонита ПБИ (г. Альметьевск) такая кривая была получена при достаточно высокой (5 %) концентрации дисперсной фазы, что свидетельствует о сильном структурообразовании. Возможно, эти результаты проясняют высокие значения параметра флокуляции для этих концентраций дисперсной фазы. На основании результатов опытов можно сделать вывод, что вязкость значительно зависит от концентрации для ПБИ и в меньшей степени для ППБ, что коррелирует с результатами флокуляции. По-видимому, флокулянт взаимодействует со структурированной суспензией глинопорошка.
Подготовка модели нефти для проведения исследований
При изучении процессов вытеснения нефти водой и другими вытесняющими агентами в лабораторных условиях, результаты которых можно было бы перенести непосредственно на реальный пласт, необходимо учитывать все факторы, определяющие величину коэффициентов вытеснения и охвата "пласта воздействием вытесняющим агентом.
Полнота извлечения нефти зависит от целого ряда характеристик: от характеристики модели пористой среды, скорости вытеснения, поверхностного натяжения на границах фаз, разности их плотностей, структуры порового пространства, угла смачивания твердой фазы, содержания и свойств связанной воды, а также химического состава нефти и вытесняющих ее жидкостей и др. Исследованиями последних лет установлено, что на полноту извлечения запасов нефти оказывают существенное влияние структурно-механические свойства нефтей, проявляющиеся при малых градиентах пластового давления [74, 112, 114].
В теории моделирования пластовых процессов предлагаются безразмерные параметры, учитывающие влияние только первых трех факторов. Для учета структурных особенностей порового пространства и его смачивающей характеристики рекомендуется в экспериментальных исследованиях пользоваться реальными пористыми средами. Однако использование образцов реальной нефтесодержащей породы в качестве моделей пористой среды в лабораторных опытах связано с большими трудностями. Дело в том, что реальные горные породы содержат в себе различные примеси, которые так же, как цементи 128
рующие материалы, при экстрагировании образца либо выносятся из порового пространства, либо растворяются. Наряду с изменениями структуры порового пространства изменяется также смачивающая характеристика твердой фазы.
Из-за отсутствия количественных характеристик, которые бы позволили учесть влияние химического состава нефти и вытесняющей жидкости, в теории моделирования вообще отсутствует соответствующий параметр подобия. Это связано с трудностью учета влияния на процесс вытеснения нефти из пористой среды и на конечный коэффициент вытеснения ряда свойств нефтей, проявляющихся одновременно.
Часто в экспериментах по вытеснению используют в качестве модели нефти бензин, керосин, различные масла и др. В ОСТ 39-070-76 приводится определение: «Моделью пластовой нефти называется изовискозная углеводородная жидкость, содержащая не менее 60 % нефти, фазовое состояние которой соответствует фазовому состоянию нефти в пластовых условиях». По ОСТ 39-070-78 при подготовке модели пластовой нефти из дегазированной нефти в качестве растворителя рекомендуется использовать петролейный эфир, бензин, керосин. Многочисленные исследования показывают, что такой упрощенный подход к подбору модели пластовой нефти существенно отдаляет от реальных пластовых условий.
В работах В.М.Лютина с соавторами показано, что экспериментальные данные, полученные при исследовании фильтрации дистиллятов нефти, не могут быть распространены на реальные нефти. Принципиальное отличие системы «нефть - вода» от системы «дистиллят - вода» заключается в образовании нефтями на границе с водой твердообразных пленок, физические свойства которых значительно влияют на закономерности вытеснения.
В работах Ш.К.Гиматудинова замечено снижение фильтрационных характеристик пород при движении в них дегазированной нефти. В результате окисления, изменения состава некоторых соединений и охлаждения появляются компоненты, не свойственные естественным нефтям. По рекомендациям Ш.К.Гиматудинова эксперименты по вытеснению следует проводить с естественными нефтями, хранившимися непродолжительное время при температурах не ниже 18 С, или рекомбинированными моделями нефти.
В исследованиях И.Л.Мархасина показано, что введение в нефть растворителей (керосина, в небольших количествах петролейного эфира) приводит к увеличению величины адсорбции асфальтенов. Большое влияние на адсорбцию оказывает добавка петролейного эфира к нефти с меньшим содержанием асфальтенов, очевидно, адсорбция породы различного количества асфальтенов приводит не только к гидрофобизации пород, но и к изменению структурно-механических свойств нефтей.
Усиление адсорбции асфальтенов может привести к замедлению процессов вытеснения нефти, а если оно сопровождается гидрофобизацией поверхности поровых каналов, то к уменьшению коэффициента вытеснения.
Исходя из своих исследований, И.Л.Мархасин приходит к выводу о том, что для получения достоверных результатов следует использовать только пластовую и, в крайнем случае, дегазированную без контакта с воздухом нефть.
Г.В.Рудаков установил связь между смачиваемостью, полярностью нефти и полнотой вытеснения нефти водой. Полярность нефтей косвенно связана с их способностью к мицеллообразованию и зависит от состава и их газонасыщенности. Отмечается, что нефти с малой полярностью практически не реагируют на улучшенный, в смысле вымывающей способности, тип воды. В противоположность этому для вытеснения полярных нефтей тип воды весьма существенен. Причем, как показывают исследования, полярность нефтей изменяется в широких пределах. В этом смысле при физико-химическом моделировании процесса нефтеотдачи должны соблюдаться основные количественные молекулярные и термодинамические характеристики пластовых флюидов, растворителей и т.д. Степень гидрофобности коллектора, полярность нефтей и содержание высокомолекулярных компонентов, являясь взаимосвязанными, должны контролировать нефтеотдачу. Следует отметить очевидное влияние этих факторов на нефтеотдачу.
Исследованиями ряда авторов установлено [74, 112, 114 и др.], что нефти многих месторождений обладают аномалиями вязкости, и это оказывает существенное влияние на процессы фильтрации и нефтеотдачу. Коэффициент конечной нефтеотдачи по месторождениям неньютоновских нефтей более чем в два раза меньше соответствующего коэффициента для нефтей, не проявляющих аномалии вязкости. На процессы вытеснения таких нефтей из пористой среды существенное влияние оказывает градиент давления вытеснения. Кроме того, показано, что "уменьшение коэффициента проницаемости породы приводит к усилению влияния аномалий вязкости нефтей на процесс фильтрации и вытеснения из пористой среды.
Приведенный краткий обзор работ различных авторов показывает, что наилучшим способом воспроизведения в опытах физико-химических свойств нефтей является использование проб пластовой нефти, поднятых из скважин с сохранением ее природных свойств. При этом, однако, чрезвычайно осложняется проведение экспериментов в связи с необходимостью применения аппаратуры высокого давления. Кроме того, на поздней стадии разработки практически не представляется возможным извлечь из пласта безводную нефть с помощью пробоотборников. Поэтому подавляющая часть опытов проводится при атмосферном давлении. В экспериментах, проводимых в атмосферных условиях, предпочитают использовать дегазированную нефть с добавлением различных растворителей.
