Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Политехнический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Амосова"

Горный факультет

Кафедра Горного и нефтегазового дела

ДОКЛАД

по дисциплине: "Методы увеличения нефти"

на тему: "Физико-химические методы увеличения нефти"

Работу выполнил: ст. гр. ДН 12-5

Гуляев А.И.

Работу проверил: доц. каф. ГиНД

Томская Л.А.

Мирный 2016 г.

Содержание

• 1. Физико-химические методы увеличения нефтеотдачи пластов
• 2. Нагнетания водных растворов ПАВ
• 3. Механизм действия ПАВ
• 4. Технологии физико-химического воздействия на каналы холостой циркуляции нагнетаемой воды
• 5. Дисперсные изоляционные реагенты
• 6. Физико-химические основы адсорбционных процессов

1. Физико-химические методы увеличения нефтеотдачи пластов

2. Нагнетания водных растворов ПАВ

Сущность метода состоит в нагнетании в пласт водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) или их композиций для снижения межфазного натяжения на границе фаз нефть-вода и нефть-коллектор.

ПАВ - это вещества с ассиметричной структурой, в которой молекул состоят из одной или нескольких гидрофильных групп и содержит один или нескольких гидрофобных радикалов.

Гидрофильная группа - это активная полярная составляющая молекулы ПАВ. Она обладает насыщенной вторичной валентностью и на границе нефть-вода погружается в водную фазу.

Гидрофильная группа (радикал) - это инактивная неполярная составляющая молекулы ПАВ, не имеет валентности и тяготеет к нефтяной фазе. Она представляет собой цепочку углеводородных радикалов.

Такая структура молекулы называется дефильной. Это позволяет полярной составляющей растворяться в воде, а неполярной - ориентироваться в сторону нефти. Результатом является снижение поверхностного натяжения между нефтью и водной до 7-10 мин/м.

В связи с этим добавка ПАВ к закачиваемой воде делает пробу более смачиваемой водой, т.е. гидрофильной. Это позволяет глобулам нефти, находящихся в сужениях поровых каналов, начать двигаться по пласту.

В качестве ПАВ используется различные химические реагенты. В нефтепромысловом деле используется следующие типы ПАВ:

· анионные, активная составляющая которых в результате ионизации в растворе имеет отрицательно зараженные органические ионы (сульфонат, сульфирол и др.);

· катионные, активная составляющая которых имеет положительно зараженные ионы (катапин А, марвелан К и др.);

· неионогенные, которые в одном растворе не образуют зараженных ионов (ОП-7, ОП-10 и др.);

· амфолитные, которые в зависимости от свойств растворителя и условий растворения и условий растворения могут выступать как анионные или катионные;

· полимерные, имеют многочисленные звенья, содержание полярные и неполярные составляющие (КМЦ, проксакол 146, триэтилен и др.).

Концентрации ПАВ в закачиваемых в пласт в растворах обычно составляет 0,05-0,1 %.

Механизм ПАВ в продуктивном пласте связан с отмывающим и гидрофобизирующим эффектами. При поступлении ПАВ в поровом объем, содержащий нефть, образуется эмульсия. Нефтеводяная эмульсия образуется, если ПАВ в основном, водорастворимое вещество, в противном случае образуется водонефтяная эмульсия (если ПАВ преимущественно нефтерастворимое вещество). Водонефтяная эмульсия при движении по пласту впитывает нефтяные капли, и возникает связанный слой нефти. Возникновение связанного слоя нефти происходит при определенном пороговом значении температуры, которое называется температурой инверсии фаз. При пороговом значении температуры межфазное натяжение достигает минимума, при котором ПАВ мигрируют из водной фазы в нефтяную и образуют тем самым водонефтяную эмульсию. Вязкость водонефтяной фазы выше вязкости нефтеводяной эмульсии и чистой воды, т.е. эта фаза, обладает свойствами, характерными для раствора полимера. Ионогенные ПАВ имеют более высокую температуру инверсии фаз чем неионогенные, в силу более высокой гидрофильности.

Другим механизмом вытеснения нефти водным раствором ПАВ является адсорбция молекул ПАВ на стенках поровых каналов, что приводит из-за образования более гидрофобной поверхностной пленки, чем первоначальная, а также диспергирования гетерогенных систем и стабилизации дисперсных систем. Диспергирование гетерогенных систем зависит от понижения поверхностного натяжения. Защитное действие пленок ПАВ характеризуется работой адсорбции по удержанию моно-слоя на поверхности раздела фаз. Краевой угол смачивания увеличивается при этом с 18 до 27 є. Все эти процессы уменьшают величину поверхностного натяжения на границе смачивания фаз в 8-10 раз.

При закачке растворов ПАВ в пласте происходит следующие процессы:

· Смачивание поверхности поровых каналов вытесняющей водой;

· Уменьшение поверхностного натяжения на границе нефть-вода;

· Вытеснение нефти с поверхности поровых каналов;

· Диспергирование нефти потоком вод (т.е. переходом связанной с породой нефти в свободное состояние).

При нагнетании растворов ПАВ в пласт как правило используется оторочки объемом 3-10 % от порового объема пласта. Это метод повышения нефтеотдачи применяется на месторождениях с невысокой вязкостью нефти (до 20 мПа•с), а также при умеренном минерализации пластовых вод (до 20 мг/л). Эффективность применения метода по данным разных авторов составляет порядка 2-5 % и др.

Основной недостаток ПАВ как нефтевытесняющего агента - недостаточное снижение межфазного натяжения между нефтью и растворов ПАВ. Для доизвлечения остаточной нефти в некоторых случаях необходимо снижать межфазное натяжение до 0,001 мН/н и ниже. Кроме того, ПАВы, в большинстве случаев, имеют достаточно высокую адсорбцию, снижает эффективность их применения.

3. Механизм действия ПАВ

нефтеотдача нагнетание реагент адсорбционный

Сегодня уже нет никаких сомнений в том, что применение ПАВ в различных технологиях повышения нефтеотдачи пластов является наиболее предпочтительным с точки зрения сохранения коллекторских свойств продуктивных пластов, влияния на процесс подготовки и транспортирования нефти. Это определяется многоплановым механизмом действия ПАВ:

1. Добавка ПАВ в воду снижает межфазное натяжение воды на границе с нефтью. При низком межфазном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте. К тому же при концентрации ПАВ выше ККМ (критической концентрации мицеллообразования) низкое значение межфазного натяжения на границе "раствор-нефть" будет способствовать солюбилизации нефтяных компонентов в растворе ПАВ.

2. Добавка ПАВ в воду за счет снижения поверхностного натяжения уменьшает краевые углы смачивания, т.е. увеличивает смачиваемость породы водой. Гидрофилизация в совокупности со снижением межфазного натяжения приводит к сильному ослаблению адгезионных взаимодействий нефти с поверхностью породы.

3. Водные растворы ПАВ проявляют моющее действие по отношению к нефти, покрывающей поверхность породы тонкой пленкой, способствуя разрыву пленки нефти. Адсорбируясь на поверхности раздела нефти с водой и вытесняя активные компоненты нефти, создающие на поверхности раздела адсорбционные слои с высокой прочностью, ПАВ облегчают деформацию менисков в порах - капиллярах пласта.

4. Лучшее вытеснение нефти водой, содержащей ПАВ, связано также с сильным влиянием ПАВ на реологические свойства нефти. Введение ПАВ в нефть приводит к изолированию микрокристаллов парафинов и разрушению пространственной структуры, образуемой ими, а также к внедрению ПАВ в ассоциаты асфальто-смолистых веществ.

4. Технологии физико-химического воздействия на каналы холостой циркуляции нагнетаемой воды

При изоляции холостой циркуляции нагнетаемой воды наиболее рентабельными являются технологии с закачкой водоизолирующих составов в водонасыщенные интервалы продуктивного пласта. К настоящему времени предложено и запатентовано несколько сотен реагентов и композиций для водоизоляции, которые могут быть классифицированы по разным принципам: по химической природе реагента, по их физико-химическим свойствам. Например, достаточно удобна классификация по химической природе используемых для этих целей реагентов:

1. Составы на основе органических материалов:

· вязкоупругие составы (ВУС) и сшитые полимерные составы;

· водонабухающие полимеры (Ритин, Темпоскрин, FS-305, АК-639);

· полимеры акриловой кислоты;

· оксиэтил и карбоксимстилцеллюлоза;

· технологии на основе органических формальдегидных смол.

2. Составы на основе элементоорганических соединений:

· кремний, органические (AKOP, АКОР-2, АКОР-4, АКОР-ЮО, продукт 119-204, ГКЖ-11);

· алюмоорганические;

· титанорганические и т.д.

3. Составы на основе неорганических материалов:

· цементы;

· силикаты (жидкое стекло, силикатно-щелочные растворы, сплином) и алюмосиликаты (нефелин, цеолитсодержащий компонент);

· соли алюминия (хлорид, сульфат алюминия, алюмокалиевые квасцы со щелочами);

· термогелеобразующие композиции (реагенты ГАЛКА, Термогель).

4. Комбинированные технологии, технологии на основе глинистых суспензий с водорастворимыми полимерами (ПДС), волокнисто-дисперсные системы.

5. Обратные эмульсии.

Широко используется классификация материалов для ограничения водопритоков, основанная на различиях в физико-химических процессах, происходящих в пласте. В частности, в соответствии с этой классификацией выделяют:

1. Технологии, заключающиеся в перекрытии движения фильтрационных потоков воды по промытым участкам пласта благодаря изменению реологических свойств нагнетаемого реагента. Таким реагентам можно дать условное название "реоизоляционные реагенты". В первую очередь, это сшитые полимерные системы (СПС), поверхностно-активные полимерсодержащие составы.

2. Технологии, приводящие к снижению проницаемости промытых интервалов пласта за счет закачки дисперсных систем с различной степенью дисперсности и стабильности "дисперсные изоляционные реагенты": полимер-дисперсные и волокнисто-дисперсные системы, эмульсионные и эмульсионно-суспензионные составы, эмульсионно-полимер-дисперсные составы.

3. Технологии, использующие пластовые условия (температура, минерализация воды) либо специальные добавки для генерации изолирующих систем органической и неорганической природы непосредственно в пласте "изоляционные реагенты, генерируемые in situ".

5. Дисперсные изоляционные реагенты

Для реагентов, относящихся к данному типу, существует ряд общих закономерностей поведения в пласте: глубина проникновения реагента в пласт зависит от размеров частиц дисперсной фазы, кинетики седиментации взвеси, агрегативной устойчивости эмульсий и множества других факторов, связанных со стабилизацией дисперсных систем в пористой среде, а также с природой структурой порового пространства пласта-коллектора.

Одним из решений задачи ограничения движения пластовых вод в промытых пропластках неоднородного пласта является метод, закачки в обводненные интервалы полимердисперсных систем (НДС). Основными компонентами этой системы являются ионогенные полимеры с флокулирующими свойствами (главным образом, полиакриламид) и дисперсные частицы глины. Путем выбора концентрации полимера и глины в глинистой суспензии создаются условия для полного связывания глинистых час тип, (флокуляции) (рис.1), в результате чего образуют глинополимерные частицы.

Рис.1. Флокуляция глинистых частиц в присутствии полиакриламида

Оптимальная концентрация полимерного раствора для терригенных пород, обеспечивающая создание ПДС, по результатам исследований, составляет 0,05-0,08 % мас. Добавка полимера к дисперсии минеральных частиц позволяет увеличить объем осадка и улучшить сцепление минеральных частиц между собой и поверхности породы. В качестве минеральных частиц могут быть, использованы глина, мелко раздробленные известняк, мергель, и песок. При взаимодействии глинистых частиц размером 2-6 мкм с ПАА образуются глинополимерные комплексы размером 100-150 мкм. Физическое моделирование пластовых процессов с применением ПДС показало, что остаточные факторы сопротивления, создаваемые ПДС в пористой среде, возрастают с увеличением проницаемости.

К дисперсным изоляционным материалам относятся волокнисто-дисперсных систем (ВДС). Технология заключается в последовательной или одновременной закачке в нагнетательные скважины дисперсии древесной муки и глинистого раствора. Принцип работы волокнисто-дисперсных систем заключается в следующем: частицы древесной муки, поступающие в высокопроницаемые прослои неоднородного пласта, благодаря наличию на своей поверхности тончайших волокнистых ответвлений закрепляются на стенках пор. При последующей закачке суспензии глины, мелкие частицы задерживаются фибриллами древесной муки, в результате чего образуется стойкая к вымыванию структурированная волокнисто-дисперсная система и уменьшается сечение промытых каналов породы пласта. С течением времени частицы древесной муки и глинистого материала предельно набухают, усиливая закупоривающий эффект, что приводит к отклонению закачиваемой воды.

В общем случае, анализ экспериментальных и промысловых результатов по применению дисперсных составов свидетельствует о том, что серьезным технологическим затруднением, ограничивающим применение этой технологии, является необходимость оперативного приготовления на месте больших объемов многофазных систем (суспензии, эмульсии) и закачки их в пласт. Поэтому более перспективными, на наш взгляд, являются методы, в которых осадко- или гелеобразование происходит непосредственно в местах установки водоизолирующего экрана в промытых участках пласта.

6. Физико-химические основы адсорбционных процессов

Под адсорбцией понимают процесс концентрирования вещества на поверхности раздела фаз или в порах твердого тела. По типу сил, в результате которых осуществляется адсорбция, указанный процесс можно разбить на две группы: физическая адсорбция и процесс связывания вещества за счет химических взаимодействий - хемосорбция. Физическая адсорбция вызывается силами молекулярного взаимодействия (дисперсионные силы, электростатические силы - ориентационные и индукционные). Физическую и химическую адсорбцию можно различить по теплоте адсорбции. Теплота физической адсорбции соизмерима с теплотой конденсации веществ и не превышает 80-120 кДж/моль. Теплота хемосорбции одного моля вещества достигает нескольких сотен килоджоулей.

Одной из основных характеристик адсорбентов и адсорбционных взаимодействий является изотерма адсорбции. Брунауэром выделены пять основных типов изотерм адсорбции. Вид изотермы связан с пористой структурой адсорбента.

Существует несколько математических интерпретаций изотерм адсорбции. Наиболее распространенными являются следующие.

Простейшее уравнение изотермы адсорбции, называемое изотермой Генри, применимо при минимальных степенях заполнения поверхности адсорбатом при малых давлениях и имеет вид:

а = K • р

Величина адсорбции, а отнесена к единице поверхности. Коэффициент пропорциональности K - константа Генри - можно рассматривать как константу термодинамического равновесия. Представленное уравнение - предельная форма всех теоретических изотерм адсорбции при давлении р 0, и основа стандартизации термодинамических функций, характеризующих адсорбцию.

Первым фундаментальным уравнением изотермы адсорбции является уравнение Ленгмюра, применяемое для мономолекулярной адсорбции в области малых и средних насыщений (в отсутствие капиллярной конденсации):

где a - количество вещества, при давлении p; a₀ - предельная концентрация поглощенного компонента в адсорбенте; b - коэффициент, зависящий от температуры.

Изотерма Ленгмюра имеет вид кривой с насыщением (рис.2).

Рис.2. Изотермы уравнения Ленгмюра с убывающими (в ряду от 1 до 4) значениями константы равновесия b

В области больших давлений при bp1 величина, а = а₀, что соответствует заполнению монослоя. В области малых давлений уравнение Ленгмюра сводится к уравнению Генри. Для расчета значений а 0 и константы равновесия b уравнение мономолекулярной адсорбции записывают в линейном виде, например:

Уравнение Ленгмюра и его модификации описывают мономолекулярную адсорбцию на однородной поверхности, которая не осложнена взаимодействием адсорбированных компонентов между собой. При наличии подобного взаимодействия и тех же прочих условиях используют уравнение Фаулера-Гугенгейма:

В уравнении первый член перед экспонентой - уравнение Ленгмюра с константой b, характеризующей взаимодействие адсорбат-адсорбент, а константа b₁ в экспоненте характеризует межмолекулярное взаимодействие адсорбат-адсорбат в монослое.

Однако, до сих пор оценивают лишь влияние концентрации реагента на величину межфазного натяжения. Вопросы, связанные с влиянием температуры на свойства ПАВ, не изучаются. С каждым годом применение третичных методов увеличения нефтеотдачи сокращается. Ограниченное применение современных технологий повышения нефтеотдачи приводит к тому, что коэффициент извлечения нефти (КИН) сокращается за десятилетие на 3-4 %. Вместе с тем, рост КИН только на 1 % дал бы России прирост годовой добычи в объеме не менее 10-20 млн. т, что равносильно открытию нового месторождения. Потому уже сегодня необходимо интенсивно внедрять новые передовые технологии, направленные на вовлечение в разработку всех типов остаточных нефтей на месторождениях, вступивших в завершающую стадию эксплуатации, и эффективное освоение месторождений тяжелых высоковязких нефтей.

Размещено на Allbest.ru