Файл: Лекция Введение. Основы применения методов увеличения нефтеотдачи.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.03.2024
Просмотров: 56
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Капиллярные силы. При наличии в пористой среде несмешивающихся жидкостей (нефти и воды) процесс их движения зависит от капиллярного давления, то есть от разности давлений в не смачивающей (нефти) и в смачивающей (воде) фазах, разделенных в поре мениском. Величина капиллярного давления зависит от межфазного натяжения на границе раздела нефти и воды, смачиваемости коллектора и размеров пор.
В гидрофильных коллекторах капиллярные силы совпадают по направлению с гидродинамическим перепадом давления, уменьшают неравномерность фронта внедрения воды в
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
14 крупные и мелкие поры и могут, при определенных условиях, вызывать противоточную пропитку водой малопроницаемых нефтенасыщенных слоев и вытеснение из них нефти при опережающем движении воды по высокопроницаемым слоям и трещинам.
В гидрофобных коллекторах капиллярные силы являются основной причиной удержания нефти в неоднородной пористой среде. Они обусловливают остаточную нефтенасыщенность при вытеснении нефти водой, а при повышенной водонасыщенности призабойных зон добывающих скважин препятствуют притоку нефти из пласта в скважину через водную блокаду. Отрицательное влияние капиллярных сил на вытеснение нефти водой из гидрофобных коллекторов возрастает с увеличением микронеоднородности пористой среды. При «устранении» действия капиллярных сил снижением межфазного натяжения с 25 – 35 до 0,001 – 0,010 мН/м можно достигнуть почти полного вытеснения нефти (95 – 98%). Практически все нефтяные коллекторы обладают частичной гидрофобностью.
Не вытесненная водой нефть (остаточная нефть) находится в пласте в виде:
– капиллярно удержанной нефти;
– пленочной нефти, покрывающей поверхность породы (эта нефть образует прочные слои, которые сложно разрушить) ( 30% вместе с капиллярно удержанной нефтью);
– нефти, остающейся в малопроницаемых зонах, не охваченных заводнением ( 35%);
– нефти в линзах, не вскрытых скважинами ( 20%);
– нефти в застойных зонах однородных пластов ( 15%).
70% остаточной нефти находится в малопроницаемых зонах, в застойных зонах и линзах, не охваченных заводнением. Вовлечение таких зон в разработку – главный резерв повышения нефтеотдачи при заводнении. Для их диагностирования необходимо детальное изучение геологического строения пластов различными методами: построение геологических разрезов, корреляционных схем, карт распространенности отдельных пропластков.
Коэффициент извлечения нефти при заводнении.
Полноту извлечения нефти при заводнении характеризуют коэффициентом извлечения нефти при заводнении К
И.З.
, который представляют как произведение двух коэффициентов – коэффициента вытеснения нефти водой (в общем случае – вытесняющим «агентом») и коэффициента охвата пласта заводнением К
И.З.
= K
выт.
×K
охв.
K
выт.
– коэффициент вытеснения нефти водой (коэффициент вытеснения) – отношение объема нефти, вытесненной при длительной интенсивной промывке коллектора водой, к начальному объему нефти в коллекторе.
K
охв.
– коэффициента охвата пласта заводнением (коэффициента заводнения) – отношение суммы объемов коллекторов, охваченных заводнением, к общему объему нефти в коллекторах.
Охваченной заводнением считают ту часть эксплуатационного объекта, где в результате поступления нагнетаемой воды не происходит снижения пластового давления.
Важно: К
И.З.
КИН.
Коэффициент вытеснения определяют в лабораторных условиях по ОСТ 39-195-86
(существуют и другие методики) с использованием керна, модели пластовой нефти и воды. Через керн (образец нефтесодержащей породы) фильтруют воду до прекращения выхода из керна нефти при обязательном создании и поддержании пластовых температуры и давления. Коэффициент вытеснения зависит от физических свойств пласта, свойств нефти (в первую очередь, вязкости в пластовых условиях) и воды.
Коэффициент заводнения определить в лабораторных условиях невозможно, его определяют по методикам, разработанным ВНИИ им. А.П. Крылова, СибНИИНП и
«Гипровостокнефть» по данным, получаемым в процессе разработки месторождения.
Коэффициент заводнения зависит от макронеоднородность коллекторов, системы разработки месторождения, системы заводнения. Появление зон, не промываемых водой, объясняется
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
15 неоднородностью строения, свойств и состава коллекторов, образованием система постоянных трубок тока при стационарном заводнении.
Некоторые химические МУН (применение поверхностно-активных веществ) и тепловые
МУН повышают, в основном, коэффициент вытеснения.
Гидродинамические МУН, многие химические МУН (полимерное заводнение, потокоотклоняющие технологии и др.), гидроразрыв пласта, бурение горизонтальных добывающих скважин, зарезка вторых стволов добывающих скважин направлены на повышение коэффициента заводнения (в общем случае – коэффициента охвата пласта воздействием).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
16
Лекция 3. Классификация методов увеличения нефтеотдачи. Эффективность
методов увеличения нефтеотдачи.
МУН принято разделять на:
– гидродинамические;
– химические;
– газовые;
– тепловые;
– физические.
Иногда химические методы называют физико-химическими.
Гидродинамические МУН направлены на повышение эффективности заводнения, а именно – на увеличение охвата пласта заводнением (увеличение коэффициента заводнения) через изменение гидродинамических режимов фильтрации жидкостей в пласте.
Гидродинамические МУН – это нагнетание воды в нефтяные залежи под повышенным давлением; форсированный отбор жидкости; циклическое заводнение; изменение направлений фильтрационных потоков; оптимизация сетки нагнетательных скважин.
Химические МУН повышают эффективность заводнения как через увеличение коэффициента заводнения, так и через увеличение коэффициента вытеснения. Они основаны на закачке в пласт веществ, которые увеличивают вязкость воды (полимеры) или обладают высокой поверхностной активностью. К этим МУН относят также закачку гелей, пен, эмульсий, получаемых с применением химических реагентов.
Химические МУН – это полимерное заводнение, щелочно-пав-полимерное заводнение, заводнение с применением поверхностно-активных веществ, мицеллярно-полимерное заводнение, щелочное заводнение, потокоотклоняющие технологии, ограничение водопритока.
Газовые МУН – в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
Тепловые МУН – это закачка горячей воды, пара и внутрипластовое горение. Тепловые
МУН основаны на введении в пласт тепловой энергии (закачка в пласт горячей воды или пара) или производстве ее в пластовых условиях (внутрипластовое горение). Тепловые МУН используют, преимущественно, для разработки месторождений с залежами вязких нефтей и битумов. В основе тепловых МУН лежит существенное увеличение скорости фильтрации жидкостей в пористой среде при нагреве. Увеличение скорости фильтрации происходит благодаря снижению вязкостей жидкостей, изменению их структурно-механических свойств и сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Тепловые МУН повышают как коэффициент вытеснения, так и коэффициент охвата пласта воздействием.
Физические МУН – это гидравлический разрыв пласта (ГРП), уплотнение сетки добывающих скважин, бурение горизонтальных скважин, бурение вторых стволов скважин.
Критерии применимости различных МУН. Для каждого метода существуют свои критерии применимости, которые обусловлены особенностями реализуемого процесса. Однако есть общие для всех МУН критерии, определяющие эффективность и целесообразность применения МУН. К таким критериям относятся:
– трещиноватость коллектора (нарушенность монолитности породы трещинами, совокупность трещин в породном массиве) которая приводит к опережающему прорыву закачиваемых веществ в добывающие скважины и снижает охват и нефтеотдачу пласта;
– высокая водонасыщенность нефтяного пласта (более 65-70%) исключает эффективное применение большинства методов по экономическим причинам, так как затраты на подготовку и закачку вытесняющих агентов не компенсируются дополнительно добытой нефтью. Поэтому необходимы тщательные исследования по определению распределения нефтенасыщенности по
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
17 площади и разрезу залежи, что позволит выбирать участки с достаточно высокой нефтенасыщенностью, позволяющей рентабельно применять тот или иной МУН;
– высокая вязкость нефти в пластовых условиях (более 50 мПа·с) затрудняет эффективное применение большинства МУН, применяемых при заводнении (кроме физических). Если вязкость нефти не превышает 200 мПа·с, то возможно применение методов полимерного заводнения. При вязкости нефти более 200 мПа·с возможно применение тепловых МУН или их комбинации с другими МУН;
– высокая глинистость коллектора (содержание глин более 10%) снижает эффективность применения физико-химических МУН из-за большой адсорбции химических продуктов и обеднения закачиваемых растворов реагентами. Применение тепловых МУН в глинистых пластах приводит к разбуханию глин и снижению проницаемости пласта;
– высокая жесткость пластовых вод и вод, используемых для приготовления растворов закачиваемых реагентов, резко снижает эффективность применения почти всех химических МУН.
Особенно отрицательно на эффективность МУН влияет высокая концентрация в воде солей кальция и магния вследствие образования осадков, адсорбции реагентов на них и снижения вытесняющей способности растворов.
Существуют также дополнительные критерии, ограничивающие применение отдельных
МУН.
В таблице приведены геолого-физические и технологические условия и соответствующие им рекомендуемые МУН (И.Т. Мищенко, д.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, А.А.
Лутфуллин, ГКЗ Роснедра).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
18
Условия
Ги
др
ор
аз
р
ы
в п
л
ас
та
Гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
к
важи
н
ы
Бок
ов
ы
е
(в
тор
ы
е, т
ре
ть
и
)
и
гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
тв
ол
ы
Н
ес
тац
и
он
ар
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
Ф
ор
си
р
ов
ан
н
ы
й
от
бор
жи
дк
ос
ти
П
от
ок
оот
к
л
он
яю
щ
и
е
те
хн
ол
оги
и
П
ол
и
ме
р
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
В
од
огаз
ов
ое
в
оз
де
й
ст
ви
е
М
н
огоз
абой
н
ы
е с
к
важи
н
ы
О
дн
ов
р
еме
н
н
о-
р
аз
де
л
ьн
ая
эк
сп
л
уат
ац
и
я и
з
ак
ач
к
а
Зак
ач
к
а газ
а
+
ш
и
р
ок
ая
ф
р
ак
ц
и
я л
егк
и
х
угл
ев
од
ор
од
ов
(
Ш
Ф
Л
У
)
Малопроницаемые монолитные пласты
+
+
+
+
*
+
*
0
–
+
+
+
+
Зонально неоднородные пласты
+
+
+
+
+
+
0
-
+
+
–
Малопроницаемые, высокорасчлененные пласты
+
0
+
+
*
+
*
0 0
+
+
+
+
Высокопроницаемые, высокорасчлененные пласты
0 0
+
+
+
+
+
+
+
+
–
Газовые шапки
–
+
+
0
–
+
0
+
+
0
–
Водонефтяная зона
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Карбонатные коллекторы
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Пласты малой толщины
+
0 0
+
+
0 0
0
–
+
–
Тупиковые зоны
0
+
+
+
+
+
+
–
+
–
–
Загрязненная призабойная зона
+
–
+
0 0
0 0
–
–
–
–
Разряженная сетка скважин, нерациональная система размещения скважин
0
+
+
+
+
+
0
–
+
+
–
Высоковязкие нефти
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Малые по запасам объекты (залежи)
+
+
+
+
+
0
–
–
+
+
–
Населенные пункты, водоохранные зоны, санитарно-защитные зоны
0
+
+
0
+
0
–
–
+
–
–
«+» – технология рекомендуется, «0» – использование технологии возможно, но не предпочтительно, «–» – технология не рекомендуется или низкоэффективная, «+
*
» – технология рекомендуется совместно с ГРП
Сравнительная потенциальная эффективность МУН (увеличение коэффициентов вытеснения и охвата пласта воздействием): гидродинамические – 7 – 15%, химические – 25 – 35%, газовые – 5-15%, тепловые – 15 – 30%, физические – 9 – 12%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
19
Рисунок 5. Сравнительная потенциальная эффективность МУН.
Методы воздействия на призабойную зону пласта. Призабойной зоной пласта (ПЗП) называется область пласта вокруг ствола скважины, подверженная наиболее интенсивному воздействию различных процессов, сопровождающих строительство скважины, ее эксплуатацию и ремонт, нарушающих первоначальное равновесное механическое и физико-химическое состояние пласта (изменяющих фильтрационные характеристики пласта). По данным разных авторов размеры ПЗП изменяются от долей до десятков метров. Например, 2,5 – 8,0 диаметров скважины. Имеются данные, свидетельствующие о том, что в трещиноватых и трещиновато- поровых коллекторах радиус зоны с ухудшенными гидродинамическими характеристиками достигает десятков метров.
В основе всех методов воздействия на ПЗП (стимуляции скважин, интенсификации добычи нефти) лежит принцип искусственного увеличения проводимости пород, осуществляемый химическими, механическими или тепловыми способами. Воздействие на ПЗП увеличивает или восстанавливает характеристики скважин, и как следствие, увеличивает нефтеотдачу за счет интенсификации фильтрационных процессов в пластах.
И.Т. Мищенко выделяет следующие основные методы интенсификации притока и приемистости скважин:
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
20
Гидродинамические
Физико-химические
Тепловые
Комбинированные
1. Гидропескоструйная перфорация (ГПП).
2. Создание многократных депрессий (с использованием газов, пен) специальными устройствами для очистки скважин.
3. Волновое или вибрационное воздействие.
4. Имплозионное воздействие.
5. Декомпрессионная обработка.
6. Щелевая разгрузка.
7. Кавитационно- волновое воздействие.
1. Кислотные обработки
– соляной кислотой
– плавиковой кислотой
– серной кислотой
– сульфаминовой кислотой и др.
2. Обработка растворителями
– нефтерастворимыми
(гексановая фракция, толуол, ацетон, бензол, и др.)
– водорастворимыми
(метиловый спирт, этиленгликоль и др.).
3. Обработка растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ)
– водными растворами
(ОП-10, превоцел NG-12,
Неонол АФ9-12, карнатол, сульфонол и др.)
– растворами на углеводородной основе
(ОП-4, АФ9-4, стеарокс-6, композиции ИХН-6,
ИХН-100 и др.)
4. Обработка ингибиторами солеотложений: комплексонами, фосфонатами, сульфосоединениями, полимерами.
5. Обработка гидрофобизаторами.
1. Электро-прогрев
– стационарный
– циклический.
2. Паротепловые обработки скважин
(ПТОС).
3. Прокачки горячей нефти.
4. Импульсно- дозированное тепловое воздействие
(ИДТВ).
1. Термокислотная обработка.
2. Термогазохимическое воздействие (ТГХВ).
3. Гидрокислотный разрыв пласта.
4. Направленное кислотное воздействие в сочетании с ГПП.
5. Повторная перфорация в специальных растворах кислоты, ПАВ, растворителей и др.
6. ТГХВ в активной среде
(кислота, растворители).
7. Термоакустическое воздействие.
8. Электрогидравлическое воздействие.
9. Внутрипластовое окисление легких углеводородов.
10. Последовательное воздействие пульсатором и управляемыми циклическими депрессиями.
11. Одновременная обработка и очистка
ПЗС тандемной установкой «пульсатор- забойный эжектор» с добавками в рабочем агенте.
На рис. 6 показано изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
21
Рисунок 6. Изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Капиллярные силы. При наличии в пористой среде несмешивающихся жидкостей (нефти и воды) процесс их движения зависит от капиллярного давления, то есть от разности давлений в не смачивающей (нефти) и в смачивающей (воде) фазах, разделенных в поре мениском. Величина капиллярного давления зависит от межфазного натяжения на границе раздела нефти и воды, смачиваемости коллектора и размеров пор.
В гидрофильных коллекторах капиллярные силы совпадают по направлению с гидродинамическим перепадом давления, уменьшают неравномерность фронта внедрения воды в
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
14 крупные и мелкие поры и могут, при определенных условиях, вызывать противоточную пропитку водой малопроницаемых нефтенасыщенных слоев и вытеснение из них нефти при опережающем движении воды по высокопроницаемым слоям и трещинам.
В гидрофобных коллекторах капиллярные силы являются основной причиной удержания нефти в неоднородной пористой среде. Они обусловливают остаточную нефтенасыщенность при вытеснении нефти водой, а при повышенной водонасыщенности призабойных зон добывающих скважин препятствуют притоку нефти из пласта в скважину через водную блокаду. Отрицательное влияние капиллярных сил на вытеснение нефти водой из гидрофобных коллекторов возрастает с увеличением микронеоднородности пористой среды. При «устранении» действия капиллярных сил снижением межфазного натяжения с 25 – 35 до 0,001 – 0,010 мН/м можно достигнуть почти полного вытеснения нефти (95 – 98%). Практически все нефтяные коллекторы обладают частичной гидрофобностью.
Не вытесненная водой нефть (остаточная нефть) находится в пласте в виде:
– капиллярно удержанной нефти;
– пленочной нефти, покрывающей поверхность породы (эта нефть образует прочные слои, которые сложно разрушить) ( 30% вместе с капиллярно удержанной нефтью);
– нефти, остающейся в малопроницаемых зонах, не охваченных заводнением ( 35%);
– нефти в линзах, не вскрытых скважинами ( 20%);
– нефти в застойных зонах однородных пластов ( 15%).
70% остаточной нефти находится в малопроницаемых зонах, в застойных зонах и линзах, не охваченных заводнением. Вовлечение таких зон в разработку – главный резерв повышения нефтеотдачи при заводнении. Для их диагностирования необходимо детальное изучение геологического строения пластов различными методами: построение геологических разрезов, корреляционных схем, карт распространенности отдельных пропластков.
Коэффициент извлечения нефти при заводнении.
Полноту извлечения нефти при заводнении характеризуют коэффициентом извлечения нефти при заводнении К
И.З.
, который представляют как произведение двух коэффициентов – коэффициента вытеснения нефти водой (в общем случае – вытесняющим «агентом») и коэффициента охвата пласта заводнением К
И.З.
= K
выт.
×K
охв.
K
выт.
– коэффициент вытеснения нефти водой (коэффициент вытеснения) – отношение объема нефти, вытесненной при длительной интенсивной промывке коллектора водой, к начальному объему нефти в коллекторе.
K
охв.
– коэффициента охвата пласта заводнением (коэффициента заводнения) – отношение суммы объемов коллекторов, охваченных заводнением, к общему объему нефти в коллекторах.
Охваченной заводнением считают ту часть эксплуатационного объекта, где в результате поступления нагнетаемой воды не происходит снижения пластового давления.
Важно: К
И.З.
КИН.
Коэффициент вытеснения определяют в лабораторных условиях по ОСТ 39-195-86
(существуют и другие методики) с использованием керна, модели пластовой нефти и воды. Через керн (образец нефтесодержащей породы) фильтруют воду до прекращения выхода из керна нефти при обязательном создании и поддержании пластовых температуры и давления. Коэффициент вытеснения зависит от физических свойств пласта, свойств нефти (в первую очередь, вязкости в пластовых условиях) и воды.
Коэффициент заводнения определить в лабораторных условиях невозможно, его определяют по методикам, разработанным ВНИИ им. А.П. Крылова, СибНИИНП и
«Гипровостокнефть» по данным, получаемым в процессе разработки месторождения.
Коэффициент заводнения зависит от макронеоднородность коллекторов, системы разработки месторождения, системы заводнения. Появление зон, не промываемых водой, объясняется
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
15 неоднородностью строения, свойств и состава коллекторов, образованием система постоянных трубок тока при стационарном заводнении.
Некоторые химические МУН (применение поверхностно-активных веществ) и тепловые
МУН повышают, в основном, коэффициент вытеснения.
Гидродинамические МУН, многие химические МУН (полимерное заводнение, потокоотклоняющие технологии и др.), гидроразрыв пласта, бурение горизонтальных добывающих скважин, зарезка вторых стволов добывающих скважин направлены на повышение коэффициента заводнения (в общем случае – коэффициента охвата пласта воздействием).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
16
Лекция 3. Классификация методов увеличения нефтеотдачи. Эффективность
методов увеличения нефтеотдачи.
МУН принято разделять на:
– гидродинамические;
– химические;
– газовые;
– тепловые;
– физические.
Иногда химические методы называют физико-химическими.
Гидродинамические МУН направлены на повышение эффективности заводнения, а именно – на увеличение охвата пласта заводнением (увеличение коэффициента заводнения) через изменение гидродинамических режимов фильтрации жидкостей в пласте.
Гидродинамические МУН – это нагнетание воды в нефтяные залежи под повышенным давлением; форсированный отбор жидкости; циклическое заводнение; изменение направлений фильтрационных потоков; оптимизация сетки нагнетательных скважин.
Химические МУН повышают эффективность заводнения как через увеличение коэффициента заводнения, так и через увеличение коэффициента вытеснения. Они основаны на закачке в пласт веществ, которые увеличивают вязкость воды (полимеры) или обладают высокой поверхностной активностью. К этим МУН относят также закачку гелей, пен, эмульсий, получаемых с применением химических реагентов.
Химические МУН – это полимерное заводнение, щелочно-пав-полимерное заводнение, заводнение с применением поверхностно-активных веществ, мицеллярно-полимерное заводнение, щелочное заводнение, потокоотклоняющие технологии, ограничение водопритока.
Газовые МУН – в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
Тепловые МУН – это закачка горячей воды, пара и внутрипластовое горение. Тепловые
МУН основаны на введении в пласт тепловой энергии (закачка в пласт горячей воды или пара) или производстве ее в пластовых условиях (внутрипластовое горение). Тепловые МУН используют, преимущественно, для разработки месторождений с залежами вязких нефтей и битумов. В основе тепловых МУН лежит существенное увеличение скорости фильтрации жидкостей в пористой среде при нагреве. Увеличение скорости фильтрации происходит благодаря снижению вязкостей жидкостей, изменению их структурно-механических свойств и сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Тепловые МУН повышают как коэффициент вытеснения, так и коэффициент охвата пласта воздействием.
Физические МУН – это гидравлический разрыв пласта (ГРП), уплотнение сетки добывающих скважин, бурение горизонтальных скважин, бурение вторых стволов скважин.
Критерии применимости различных МУН. Для каждого метода существуют свои критерии применимости, которые обусловлены особенностями реализуемого процесса. Однако есть общие для всех МУН критерии, определяющие эффективность и целесообразность применения МУН. К таким критериям относятся:
– трещиноватость коллектора (нарушенность монолитности породы трещинами, совокупность трещин в породном массиве) которая приводит к опережающему прорыву закачиваемых веществ в добывающие скважины и снижает охват и нефтеотдачу пласта;
– высокая водонасыщенность нефтяного пласта (более 65-70%) исключает эффективное применение большинства методов по экономическим причинам, так как затраты на подготовку и закачку вытесняющих агентов не компенсируются дополнительно добытой нефтью. Поэтому необходимы тщательные исследования по определению распределения нефтенасыщенности по
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
17 площади и разрезу залежи, что позволит выбирать участки с достаточно высокой нефтенасыщенностью, позволяющей рентабельно применять тот или иной МУН;
– высокая вязкость нефти в пластовых условиях (более 50 мПа·с) затрудняет эффективное применение большинства МУН, применяемых при заводнении (кроме физических). Если вязкость нефти не превышает 200 мПа·с, то возможно применение методов полимерного заводнения. При вязкости нефти более 200 мПа·с возможно применение тепловых МУН или их комбинации с другими МУН;
– высокая глинистость коллектора (содержание глин более 10%) снижает эффективность применения физико-химических МУН из-за большой адсорбции химических продуктов и обеднения закачиваемых растворов реагентами. Применение тепловых МУН в глинистых пластах приводит к разбуханию глин и снижению проницаемости пласта;
– высокая жесткость пластовых вод и вод, используемых для приготовления растворов закачиваемых реагентов, резко снижает эффективность применения почти всех химических МУН.
Особенно отрицательно на эффективность МУН влияет высокая концентрация в воде солей кальция и магния вследствие образования осадков, адсорбции реагентов на них и снижения вытесняющей способности растворов.
Существуют также дополнительные критерии, ограничивающие применение отдельных
МУН.
В таблице приведены геолого-физические и технологические условия и соответствующие им рекомендуемые МУН (И.Т. Мищенко, д.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, А.А.
Лутфуллин, ГКЗ Роснедра).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
18
Условия
Ги
др
ор
аз
р
ы
в п
л
ас
та
Гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
к
важи
н
ы
Бок
ов
ы
е
(в
тор
ы
е, т
ре
ть
и
)
и
гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
тв
ол
ы
Н
ес
тац
и
он
ар
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
Ф
ор
си
р
ов
ан
н
ы
й
от
бор
жи
дк
ос
ти
П
от
ок
оот
к
л
он
яю
щ
и
е
те
хн
ол
оги
и
П
ол
и
ме
р
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
В
од
огаз
ов
ое
в
оз
де
й
ст
ви
е
М
н
огоз
абой
н
ы
е с
к
важи
н
ы
О
дн
ов
р
еме
н
н
о-
р
аз
де
л
ьн
ая
эк
сп
л
уат
ац
и
я и
з
ак
ач
к
а
Зак
ач
к
а газ
а
+
ш
и
р
ок
ая
ф
р
ак
ц
и
я л
егк
и
х
угл
ев
од
ор
од
ов
(
Ш
Ф
Л
У
)
Малопроницаемые монолитные пласты
+
+
+
+
*
+
*
0
–
+
+
+
+
Зонально неоднородные пласты
+
+
+
+
+
+
0
-
+
+
–
Малопроницаемые, высокорасчлененные пласты
+
0
+
+
*
+
*
0 0
+
+
+
+
Высокопроницаемые, высокорасчлененные пласты
0 0
+
+
+
+
+
+
+
+
–
Газовые шапки
–
+
+
0
–
+
0
+
+
0
–
Водонефтяная зона
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Карбонатные коллекторы
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Пласты малой толщины
+
0 0
+
+
0 0
0
–
+
–
Тупиковые зоны
0
+
+
+
+
+
+
–
+
–
–
Загрязненная призабойная зона
+
–
+
0 0
0 0
–
–
–
–
Разряженная сетка скважин, нерациональная система размещения скважин
0
+
+
+
+
+
0
–
+
+
–
Высоковязкие нефти
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Малые по запасам объекты (залежи)
+
+
+
+
+
0
–
–
+
+
–
Населенные пункты, водоохранные зоны, санитарно-защитные зоны
0
+
+
0
+
0
–
–
+
–
–
«+» – технология рекомендуется, «0» – использование технологии возможно, но не предпочтительно, «–» – технология не рекомендуется или низкоэффективная, «+
*
» – технология рекомендуется совместно с ГРП
Сравнительная потенциальная эффективность МУН (увеличение коэффициентов вытеснения и охвата пласта воздействием): гидродинамические – 7 – 15%, химические – 25 – 35%, газовые – 5-15%, тепловые – 15 – 30%, физические – 9 – 12%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
19
Рисунок 5. Сравнительная потенциальная эффективность МУН.
Методы воздействия на призабойную зону пласта. Призабойной зоной пласта (ПЗП) называется область пласта вокруг ствола скважины, подверженная наиболее интенсивному воздействию различных процессов, сопровождающих строительство скважины, ее эксплуатацию и ремонт, нарушающих первоначальное равновесное механическое и физико-химическое состояние пласта (изменяющих фильтрационные характеристики пласта). По данным разных авторов размеры ПЗП изменяются от долей до десятков метров. Например, 2,5 – 8,0 диаметров скважины. Имеются данные, свидетельствующие о том, что в трещиноватых и трещиновато- поровых коллекторах радиус зоны с ухудшенными гидродинамическими характеристиками достигает десятков метров.
В основе всех методов воздействия на ПЗП (стимуляции скважин, интенсификации добычи нефти) лежит принцип искусственного увеличения проводимости пород, осуществляемый химическими, механическими или тепловыми способами. Воздействие на ПЗП увеличивает или восстанавливает характеристики скважин, и как следствие, увеличивает нефтеотдачу за счет интенсификации фильтрационных процессов в пластах.
И.Т. Мищенко выделяет следующие основные методы интенсификации притока и приемистости скважин:
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
20
Гидродинамические
Физико-химические
Тепловые
Комбинированные
1. Гидропескоструйная перфорация (ГПП).
2. Создание многократных депрессий (с использованием газов, пен) специальными устройствами для очистки скважин.
3. Волновое или вибрационное воздействие.
4. Имплозионное воздействие.
5. Декомпрессионная обработка.
6. Щелевая разгрузка.
7. Кавитационно- волновое воздействие.
1. Кислотные обработки
– соляной кислотой
– плавиковой кислотой
– серной кислотой
– сульфаминовой кислотой и др.
2. Обработка растворителями
– нефтерастворимыми
(гексановая фракция, толуол, ацетон, бензол, и др.)
– водорастворимыми
(метиловый спирт, этиленгликоль и др.).
3. Обработка растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ)
– водными растворами
(ОП-10, превоцел NG-12,
Неонол АФ9-12, карнатол, сульфонол и др.)
– растворами на углеводородной основе
(ОП-4, АФ9-4, стеарокс-6, композиции ИХН-6,
ИХН-100 и др.)
4. Обработка ингибиторами солеотложений: комплексонами, фосфонатами, сульфосоединениями, полимерами.
5. Обработка гидрофобизаторами.
1. Электро-прогрев
– стационарный
– циклический.
2. Паротепловые обработки скважин
(ПТОС).
3. Прокачки горячей нефти.
4. Импульсно- дозированное тепловое воздействие
(ИДТВ).
1. Термокислотная обработка.
2. Термогазохимическое воздействие (ТГХВ).
3. Гидрокислотный разрыв пласта.
4. Направленное кислотное воздействие в сочетании с ГПП.
5. Повторная перфорация в специальных растворах кислоты, ПАВ, растворителей и др.
6. ТГХВ в активной среде
(кислота, растворители).
7. Термоакустическое воздействие.
8. Электрогидравлическое воздействие.
9. Внутрипластовое окисление легких углеводородов.
10. Последовательное воздействие пульсатором и управляемыми циклическими депрессиями.
11. Одновременная обработка и очистка
ПЗС тандемной установкой «пульсатор- забойный эжектор» с добавками в рабочем агенте.
На рис. 6 показано изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
21
Рисунок 6. Изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
В гидрофильных коллекторах капиллярные силы совпадают по направлению с гидродинамическим перепадом давления, уменьшают неравномерность фронта внедрения воды в
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
14 крупные и мелкие поры и могут, при определенных условиях, вызывать противоточную пропитку водой малопроницаемых нефтенасыщенных слоев и вытеснение из них нефти при опережающем движении воды по высокопроницаемым слоям и трещинам.
В гидрофобных коллекторах капиллярные силы являются основной причиной удержания нефти в неоднородной пористой среде. Они обусловливают остаточную нефтенасыщенность при вытеснении нефти водой, а при повышенной водонасыщенности призабойных зон добывающих скважин препятствуют притоку нефти из пласта в скважину через водную блокаду. Отрицательное влияние капиллярных сил на вытеснение нефти водой из гидрофобных коллекторов возрастает с увеличением микронеоднородности пористой среды. При «устранении» действия капиллярных сил снижением межфазного натяжения с 25 – 35 до 0,001 – 0,010 мН/м можно достигнуть почти полного вытеснения нефти (95 – 98%). Практически все нефтяные коллекторы обладают частичной гидрофобностью.
Не вытесненная водой нефть (остаточная нефть) находится в пласте в виде:
– капиллярно удержанной нефти;
– пленочной нефти, покрывающей поверхность породы (эта нефть образует прочные слои, которые сложно разрушить) ( 30% вместе с капиллярно удержанной нефтью);
– нефти, остающейся в малопроницаемых зонах, не охваченных заводнением ( 35%);
– нефти в линзах, не вскрытых скважинами ( 20%);
– нефти в застойных зонах однородных пластов ( 15%).
70% остаточной нефти находится в малопроницаемых зонах, в застойных зонах и линзах, не охваченных заводнением. Вовлечение таких зон в разработку – главный резерв повышения нефтеотдачи при заводнении. Для их диагностирования необходимо детальное изучение геологического строения пластов различными методами: построение геологических разрезов, корреляционных схем, карт распространенности отдельных пропластков.
Коэффициент извлечения нефти при заводнении.
Полноту извлечения нефти при заводнении характеризуют коэффициентом извлечения нефти при заводнении К
И.З.
, который представляют как произведение двух коэффициентов – коэффициента вытеснения нефти водой (в общем случае – вытесняющим «агентом») и коэффициента охвата пласта заводнением К
И.З.
= K
выт.
×K
охв.
K
выт.
– коэффициент вытеснения нефти водой (коэффициент вытеснения) – отношение объема нефти, вытесненной при длительной интенсивной промывке коллектора водой, к начальному объему нефти в коллекторе.
K
охв.
– коэффициента охвата пласта заводнением (коэффициента заводнения) – отношение суммы объемов коллекторов, охваченных заводнением, к общему объему нефти в коллекторах.
Охваченной заводнением считают ту часть эксплуатационного объекта, где в результате поступления нагнетаемой воды не происходит снижения пластового давления.
Важно: К
И.З.
КИН.
Коэффициент вытеснения определяют в лабораторных условиях по ОСТ 39-195-86
(существуют и другие методики) с использованием керна, модели пластовой нефти и воды. Через керн (образец нефтесодержащей породы) фильтруют воду до прекращения выхода из керна нефти при обязательном создании и поддержании пластовых температуры и давления. Коэффициент вытеснения зависит от физических свойств пласта, свойств нефти (в первую очередь, вязкости в пластовых условиях) и воды.
Коэффициент заводнения определить в лабораторных условиях невозможно, его определяют по методикам, разработанным ВНИИ им. А.П. Крылова, СибНИИНП и
«Гипровостокнефть» по данным, получаемым в процессе разработки месторождения.
Коэффициент заводнения зависит от макронеоднородность коллекторов, системы разработки месторождения, системы заводнения. Появление зон, не промываемых водой, объясняется
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
15 неоднородностью строения, свойств и состава коллекторов, образованием система постоянных трубок тока при стационарном заводнении.
Некоторые химические МУН (применение поверхностно-активных веществ) и тепловые
МУН повышают, в основном, коэффициент вытеснения.
Гидродинамические МУН, многие химические МУН (полимерное заводнение, потокоотклоняющие технологии и др.), гидроразрыв пласта, бурение горизонтальных добывающих скважин, зарезка вторых стволов добывающих скважин направлены на повышение коэффициента заводнения (в общем случае – коэффициента охвата пласта воздействием).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
16
Лекция 3. Классификация методов увеличения нефтеотдачи. Эффективность
методов увеличения нефтеотдачи.
МУН принято разделять на:
– гидродинамические;
– химические;
– газовые;
– тепловые;
– физические.
Иногда химические методы называют физико-химическими.
Гидродинамические МУН направлены на повышение эффективности заводнения, а именно – на увеличение охвата пласта заводнением (увеличение коэффициента заводнения) через изменение гидродинамических режимов фильтрации жидкостей в пласте.
Гидродинамические МУН – это нагнетание воды в нефтяные залежи под повышенным давлением; форсированный отбор жидкости; циклическое заводнение; изменение направлений фильтрационных потоков; оптимизация сетки нагнетательных скважин.
Химические МУН повышают эффективность заводнения как через увеличение коэффициента заводнения, так и через увеличение коэффициента вытеснения. Они основаны на закачке в пласт веществ, которые увеличивают вязкость воды (полимеры) или обладают высокой поверхностной активностью. К этим МУН относят также закачку гелей, пен, эмульсий, получаемых с применением химических реагентов.
Химические МУН – это полимерное заводнение, щелочно-пав-полимерное заводнение, заводнение с применением поверхностно-активных веществ, мицеллярно-полимерное заводнение, щелочное заводнение, потокоотклоняющие технологии, ограничение водопритока.
Газовые МУН – в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
Тепловые МУН – это закачка горячей воды, пара и внутрипластовое горение. Тепловые
МУН основаны на введении в пласт тепловой энергии (закачка в пласт горячей воды или пара) или производстве ее в пластовых условиях (внутрипластовое горение). Тепловые МУН используют, преимущественно, для разработки месторождений с залежами вязких нефтей и битумов. В основе тепловых МУН лежит существенное увеличение скорости фильтрации жидкостей в пористой среде при нагреве. Увеличение скорости фильтрации происходит благодаря снижению вязкостей жидкостей, изменению их структурно-механических свойств и сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Тепловые МУН повышают как коэффициент вытеснения, так и коэффициент охвата пласта воздействием.
Физические МУН – это гидравлический разрыв пласта (ГРП), уплотнение сетки добывающих скважин, бурение горизонтальных скважин, бурение вторых стволов скважин.
Критерии применимости различных МУН. Для каждого метода существуют свои критерии применимости, которые обусловлены особенностями реализуемого процесса. Однако есть общие для всех МУН критерии, определяющие эффективность и целесообразность применения МУН. К таким критериям относятся:
– трещиноватость коллектора (нарушенность монолитности породы трещинами, совокупность трещин в породном массиве) которая приводит к опережающему прорыву закачиваемых веществ в добывающие скважины и снижает охват и нефтеотдачу пласта;
– высокая водонасыщенность нефтяного пласта (более 65-70%) исключает эффективное применение большинства методов по экономическим причинам, так как затраты на подготовку и закачку вытесняющих агентов не компенсируются дополнительно добытой нефтью. Поэтому необходимы тщательные исследования по определению распределения нефтенасыщенности по
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
17 площади и разрезу залежи, что позволит выбирать участки с достаточно высокой нефтенасыщенностью, позволяющей рентабельно применять тот или иной МУН;
– высокая вязкость нефти в пластовых условиях (более 50 мПа·с) затрудняет эффективное применение большинства МУН, применяемых при заводнении (кроме физических). Если вязкость нефти не превышает 200 мПа·с, то возможно применение методов полимерного заводнения. При вязкости нефти более 200 мПа·с возможно применение тепловых МУН или их комбинации с другими МУН;
– высокая глинистость коллектора (содержание глин более 10%) снижает эффективность применения физико-химических МУН из-за большой адсорбции химических продуктов и обеднения закачиваемых растворов реагентами. Применение тепловых МУН в глинистых пластах приводит к разбуханию глин и снижению проницаемости пласта;
– высокая жесткость пластовых вод и вод, используемых для приготовления растворов закачиваемых реагентов, резко снижает эффективность применения почти всех химических МУН.
Особенно отрицательно на эффективность МУН влияет высокая концентрация в воде солей кальция и магния вследствие образования осадков, адсорбции реагентов на них и снижения вытесняющей способности растворов.
Существуют также дополнительные критерии, ограничивающие применение отдельных
МУН.
В таблице приведены геолого-физические и технологические условия и соответствующие им рекомендуемые МУН (И.Т. Мищенко, д.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, А.А.
Лутфуллин, ГКЗ Роснедра).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
18
Условия
Ги
др
ор
аз
р
ы
в п
л
ас
та
Гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
к
важи
н
ы
Бок
ов
ы
е
(в
тор
ы
е, т
ре
ть
и
)
и
гор
и
зон
тал
ьн
ы
е с
тв
ол
ы
Н
ес
тац
и
он
ар
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
Ф
ор
си
р
ов
ан
н
ы
й
от
бор
жи
дк
ос
ти
П
от
ок
оот
к
л
он
яю
щ
и
е
те
хн
ол
оги
и
П
ол
и
ме
р
н
ое
з
ав
од
н
ен
и
е
В
од
огаз
ов
ое
в
оз
де
й
ст
ви
е
М
н
огоз
абой
н
ы
е с
к
важи
н
ы
О
дн
ов
р
еме
н
н
о-
р
аз
де
л
ьн
ая
эк
сп
л
уат
ац
и
я и
з
ак
ач
к
а
Зак
ач
к
а газ
а
+
ш
и
р
ок
ая
ф
р
ак
ц
и
я л
егк
и
х
угл
ев
од
ор
од
ов
(
Ш
Ф
Л
У
)
Малопроницаемые монолитные пласты
+
+
+
+
*
+
*
0
–
+
+
+
+
Зонально неоднородные пласты
+
+
+
+
+
+
0
-
+
+
–
Малопроницаемые, высокорасчлененные пласты
+
0
+
+
*
+
*
0 0
+
+
+
+
Высокопроницаемые, высокорасчлененные пласты
0 0
+
+
+
+
+
+
+
+
–
Газовые шапки
–
+
+
0
–
+
0
+
+
0
–
Водонефтяная зона
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Карбонатные коллекторы
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Пласты малой толщины
+
0 0
+
+
0 0
0
–
+
–
Тупиковые зоны
0
+
+
+
+
+
+
–
+
–
–
Загрязненная призабойная зона
+
–
+
0 0
0 0
–
–
–
–
Разряженная сетка скважин, нерациональная система размещения скважин
0
+
+
+
+
+
0
–
+
+
–
Высоковязкие нефти
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
Малые по запасам объекты (залежи)
+
+
+
+
+
0
–
–
+
+
–
Населенные пункты, водоохранные зоны, санитарно-защитные зоны
0
+
+
0
+
0
–
–
+
–
–
«+» – технология рекомендуется, «0» – использование технологии возможно, но не предпочтительно, «–» – технология не рекомендуется или низкоэффективная, «+
*
» – технология рекомендуется совместно с ГРП
Сравнительная потенциальная эффективность МУН (увеличение коэффициентов вытеснения и охвата пласта воздействием): гидродинамические – 7 – 15%, химические – 25 – 35%, газовые – 5-15%, тепловые – 15 – 30%, физические – 9 – 12%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
19
Рисунок 5. Сравнительная потенциальная эффективность МУН.
Методы воздействия на призабойную зону пласта. Призабойной зоной пласта (ПЗП) называется область пласта вокруг ствола скважины, подверженная наиболее интенсивному воздействию различных процессов, сопровождающих строительство скважины, ее эксплуатацию и ремонт, нарушающих первоначальное равновесное механическое и физико-химическое состояние пласта (изменяющих фильтрационные характеристики пласта). По данным разных авторов размеры ПЗП изменяются от долей до десятков метров. Например, 2,5 – 8,0 диаметров скважины. Имеются данные, свидетельствующие о том, что в трещиноватых и трещиновато- поровых коллекторах радиус зоны с ухудшенными гидродинамическими характеристиками достигает десятков метров.
В основе всех методов воздействия на ПЗП (стимуляции скважин, интенсификации добычи нефти) лежит принцип искусственного увеличения проводимости пород, осуществляемый химическими, механическими или тепловыми способами. Воздействие на ПЗП увеличивает или восстанавливает характеристики скважин, и как следствие, увеличивает нефтеотдачу за счет интенсификации фильтрационных процессов в пластах.
И.Т. Мищенко выделяет следующие основные методы интенсификации притока и приемистости скважин:
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
20
Гидродинамические
Физико-химические
Тепловые
Комбинированные
1. Гидропескоструйная перфорация (ГПП).
2. Создание многократных депрессий (с использованием газов, пен) специальными устройствами для очистки скважин.
3. Волновое или вибрационное воздействие.
4. Имплозионное воздействие.
5. Декомпрессионная обработка.
6. Щелевая разгрузка.
7. Кавитационно- волновое воздействие.
1. Кислотные обработки
– соляной кислотой
– плавиковой кислотой
– серной кислотой
– сульфаминовой кислотой и др.
2. Обработка растворителями
– нефтерастворимыми
(гексановая фракция, толуол, ацетон, бензол, и др.)
– водорастворимыми
(метиловый спирт, этиленгликоль и др.).
3. Обработка растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ)
– водными растворами
(ОП-10, превоцел NG-12,
Неонол АФ9-12, карнатол, сульфонол и др.)
– растворами на углеводородной основе
(ОП-4, АФ9-4, стеарокс-6, композиции ИХН-6,
ИХН-100 и др.)
4. Обработка ингибиторами солеотложений: комплексонами, фосфонатами, сульфосоединениями, полимерами.
5. Обработка гидрофобизаторами.
1. Электро-прогрев
– стационарный
– циклический.
2. Паротепловые обработки скважин
(ПТОС).
3. Прокачки горячей нефти.
4. Импульсно- дозированное тепловое воздействие
(ИДТВ).
1. Термокислотная обработка.
2. Термогазохимическое воздействие (ТГХВ).
3. Гидрокислотный разрыв пласта.
4. Направленное кислотное воздействие в сочетании с ГПП.
5. Повторная перфорация в специальных растворах кислоты, ПАВ, растворителей и др.
6. ТГХВ в активной среде
(кислота, растворители).
7. Термоакустическое воздействие.
8. Электрогидравлическое воздействие.
9. Внутрипластовое окисление легких углеводородов.
10. Последовательное воздействие пульсатором и управляемыми циклическими депрессиями.
11. Одновременная обработка и очистка
ПЗС тандемной установкой «пульсатор- забойный эжектор» с добавками в рабочем агенте.
На рис. 6 показано изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
21
Рисунок 6. Изменение дебита добывающей скважины до и после обработки ПЗП растворителем солеотложений (Пильтун-Астохское месторождение, о. Сахалин, шельф).
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Лекция 4. Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи при заводнении.
Гидродинамические МУН, как отмечено в предыдущей лекции, направлены на повышение эффективности заводнения (в основном на увеличения охвата пласта заводнением) через изменение гидродинамических режимов фильтрации жидкостей в пласте.
В лекции 2 мы говорили о том, что при «обычном» заводнении в пласте остается не вытесненная водой (остаточная) нефть и
50% остаточной нефти находится в малопроницаемых и застойных зонах. До
30% остаточной нефти – капиллярно удержанная и пленочная нефть.
Применение гидродинамических МУН позволяет вовлекать в разработку малопроницаемые и застойные зоны, а также (частично) капиллярно удержанную и пленочную нефть.
Классификация гидродинамических МУН по РД 153-39.0-110-01 «Методические указания по геолого-промысловому анализу разработки нефтяных и газонефтяных месторождений».
В действующем РД 153-39.0-110-01 принята классификация гидродинамических МУН по различиям в технологии осуществления и степени воздействия на продуктивные пласты.
К первой группе отнесены методы, которые чаще применяют на промыслах из-за простоты реализации, но по степени воздействия на пласты они слабее, чем методы второй группы. Ко второй группе отнесены методы, основанные на изменениях первоначально принятых систем размещения скважин и воздействия.
К первой группе относят методы гидродинамического воздействия, которые осуществляют через изменения режимов работы скважин и которые направлены на вовлечение в активную разработку слабодренируемых запасов.
Эти методы объединены под названием «нестационарное заводнение» и включают в себя: в нагнетательных скважинах:
– повышение давления нагнетания;
– циклическое заводнение, то есть периодическое снижение (прекращение) закачки воды;
– перераспределение расходов закачиваемого объекта по группам нагнетательных скважин
(перемена направлений фильтрационных потоков);
– одновременно-раздельную закачку воды в разные пласты через одну скважину;
– избирательная закачка воды в малопроницаемые пропластки и пласты, зоны и участки;
– ограничение или прекращение закачки в высокопроницаемые пропластки;
– методы обработки призабойной зоны, которые изменяют режим работы и восстанавливают потенциал скважин (гидроимпульсное, волновое воздействие и др.);
– механические методы изменения режимов работы нагнетательных скважин (гидроразрыв пласта, поинтервальные обработки, интенсивная перфорация, забуривание вторых стволов и др.); в добывающих скважинах:
– изменение отборов жидкости в целом по объекту разработки, по отдельному пласту, блоку, зоне, участку или группе добывающих скважин;
– форсированный отбор жидкости из групп скважин или из отдельных скважин данного участка, зоны, блока;
– периодические временные остановки и пуски групп скважин или отдельных скважин;
– одновременно-раздельная эксплуатация скважин в многопластовых объектах;
– оптимизация перепадов давления между пластовым и забойным давлениями;
– многообъемное внутрипластовое воздействие по ограничению водопритоков
(изоляционные работы);
– системные обработки призабойной зоны, гидроразрыв пласта, поинтервальное повышение продуктивности скважин (дострелы, перестрелы и др.);
– буривание вторых и горизонтальных стволов.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
23
Ко второй группе относят методы, направленные на вовлечение в разработку недренируемых или слабодренируемых запасов (участков, зон и пропластков) неоднородного прерывистого пласта. Эти методы (мероприятия) отличаются большим разнообразием по технологии воздействия на пласты. Степень влияния методов второй группы на технико- экономические показатели разработки значительна, поэтому они должны быть обоснованы в проектных документах (технологических схемах, проектах разработки и доразработки), анализах разработки и авторских надзорах. К ним относят:
– перенос фронта нагнетания воды в имеющиеся скважины;
– организация дополнительных рядов нагнетательных скважин в блоковых системах разработки путем перевода добывающих скважин в нагнетательные;
– организация очагов закачки воды в отдельные добывающие скважины;
– вовлечение в разработку недренируемых запасов нефти в линзах, тупиковых и застойных зонах, низкопроницаемых прослоях путем бурения дополнительных добывающих или нагнетательных скважин, забуривания вторых стволов, горизонтальных стволов, перевода скважин с других объектов или пластов, разукрупнения объектов, организации зон и полей самостоятельной разработки;
– организация барьерной, площадной и других модификаций внутриконтурного воздействия путем закачки воды с целью выработки запасов нефти в обширных подгазовых зонах газонефтяных месторождений;
– другие новые технологии заводнения для сложнопостроенных залежей и трудноизвлекаемых запасов нефти.
Гидродинамические МУН применяют, обычно, в различных сочетаниях друг с другом одновременно, а эффективность какого-либо одного метода взаимосвязана с объемом применения других.
Поддержание повышенных давлений нагнетания воды на Бавлинском, Ново-Елховском,
Арланском месторождениях и на некоторых площадях Ромашкинского месторождения показало, что увеличение давления нагнетания приводит к увеличению работающей толщины пласта и улучшению фильтрации жидкостей в пласте. Относительное увеличение работающей толщины пластов при повышении давления от 110 до 150 атм. по перечисленным месторождениям составило около 22%. Перевод на повышенное давление закачки воды на Ромашкинском месторождении позволил дополнительно добыть 160 млн. т нефти.
На поздней стадии разработки месторождений нагнетание воды в нефтяные залежи под повышенным давлением становится неэффективным из-за образования хорошо промытых зон, через которые фильтруется основная масса закачиваемой воды, не оказывая влияния на выработку малопроницаемых продуктивных пластов. Переход на высокие давления нагнетания, особенно в условиях карбонатных трещиноватых коллекторов, может привести к прорывам воды по высокопроницаемым зонам, что приведет к снижению охвата пласта заводнением.
При высоких скоростях закачки воды может уменьшиться удельная приемистость нагнетательных скважин за счет того, что ламинарный режим фильтрации воды переходит в турбулентный. При этом резко (до 20 раз) возрастает фильтрационное сопротивление пласта.
Форсированный отбор жидкостей (ФОЖ) применяют при обводнении продукции скважин > 75%.
Под ФОЖ понимают поэтапное существенное (сначала на 30 – 50%, затем в 1,5 – 3,0 раза) увеличение отборов жидкости из обводненных (> 75%) высокопродуктивных (с дебитами жидкости > 50 т/сут.) скважин.
При ФОЖ возрастает градиент давления в пласте, что приводит к увеличению скорости фильтрации. В результате в разработку вовлекаются участки пласта, не охваченные заводнением.
При увеличении скорости фильтрации происходит частичное вовлечение в разработку капиллярно удержанной нефти и отмыв пленочной нефти.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
24
ФОЖ является наиболее освоенным методом увеличения нефтеотдачи. Первое сообщение об использовании этого метода на месторождениях Чечено-Ингушской АССР было сделано в 1945 г. В Западной Сибири ФОЖ применяли на Мегионском, Самотлорском, Мамонтовском, Усть-
Балыкском, Приразломном и Приобском месторождениях. Техника, применяемая для форсирования отборов, может быть различной: штанговые глубинные насосы, электроцентробежные погружные насосы (УЭЦН), газлифт.
Основные выводы, сделанные на основе анализа применения ФОЖ:
– ФОЖ эффективен по большинству обводняющихся скважин, независимо от их обводненности
(в пределах применимости метода);
– ФОЖ более эффективен в тупиковых зонах, в скважинах с большой вертикальной неоднородностью и расчлененностью;
– прирост добычи нефти приблизительно пропорционален приросту дебита жидкости;
– при применении ФОЖ замедляется темп падения добычи нефти.
Циклическое заводнение и изменение направлений фильтрационных потоков
При циклическом заводнении периодически изменяют режим воздействия на пласт и создают в нем нестационарное распределение пластового давления.
Метод практически всегда применяют совместно с изменением направления фильтрационных потоков жидкостей в пласте, которое, чаще всего, обеспечивают переносом нагнетания воды – прекращают закачку воды в одни скважины и закачивают в другие.
Нестационарное распределение давления (и фильтрации жидкости в пласте) может быть создано и периодическим изменением объема нагнетаемой воды и добываемой жидкости
(чередующаяся работа нагнетательных и добывающих скважин).
При периодическом нарушении установившегося состояния гидродинамической системы в неоднородном пласте между различными зонами, каналами и потоками жидкостей возникают градиенты давлений, усиливающие перетоки жидкостей из одних слоев в другие. При повышении пластового давления в пласте возникают градиенты давления в сторону малопроницаемых зон, усиливающие капиллярное внедрение воды в эти зоны. При снижении пластового давления, когда знак градиента давления меняется, вода, внедрившаяся в малопроницаемые участки, удерживается в них капиллярными силами, а нефть перетекает в высокопроницаемые участки.
Вытеснение нефти в заводненную зону при прекращении закачки воды и снижении давления в этой зоне происходит за счет упругих сил, а при снижении пластового давления ниже давления насыщения - за счет режима растворенного газа. Эффект тем сильнее, чем больше амплитуда создаваемых перепадов давлений, чем лучше гидродинамическая связь между высоко- и малопроницаемыми зонами, чем лучше капиллярные силы удерживают воду и чем выше газонасыщенность нефти.
Изменяемые параметры циклического заводнения – амплитуда и продолжительность циклов воздействия. Продолжительность циклов – от 10 до 70 – 80 суток.
Существует большое количество модификаций метода циклического заводнения. Одним из самых распространенных является метод чередующейся работы нагнетательных и добывающих скважин. Во время закачки воды через нагнетательные скважины добывающие скважины останавливают, за счет чего давление в пласте возрастает и создается запас упругой энергии. Далее в эксплуатацию вводят добывающие скважины, а нагнетательные останавливают - расходуется накопленная пластовая энергия. Приток жидкости в добывающие скважины происходит не только по линиям гидродинамической связи между нагнетательными и добывающими скважинами, но и за счет притока нефти из зон, ранее не охваченных заводнением. Это позволяет охватить разработкой малопроницаемые зоны.
Полный охват неоднородных пластов заводнением, практически, невозможен только за счет совершенствования системы заводнения, включая циклическое заводнение и оптимизацию сетки нагнетательных скважин. Применение циклического заводнения и изменение направлений
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
25 фильтрационных потоков приводит к улучшению выработки неоднородных пластов на поздних стадиях разработки. Тем не менее, детальный анализ эффективности применения этих методов на месторождениях Татарстана на разных стадиях разработки различных объектов показал, что при высокой обводненности добываемой жидкости (>80%) результаты от применения циклического заводнения ухудшаются.
Для ввода не охваченных заводнением запасов (нефть в малопроницаемых зонах и в застойных зонах) применяют также оптимизацию сетки нагнетательных скважин. Ее проводят либо как отдельное мероприятие, либо совместно с разукрупнением эксплуатационных объектов.
При проектировании разработки выделяют основной и резервный фонды нагнетательных скважин.
Резервный фонд предназначен для ввода в разработку запасов, не охваченных заводнением, если резервного фонда не хватает обосновывают бурение дополнительных нагнетательных скважин.
Эффективность заводнения снижается с усилением неоднородности разрабатываемых пластов и повышением вязкости нефти, так как нагнетаемая вода прорывается к добывающим скважинам по высокопроницаемым слоям и зонам, оставляя нефть не вытесненной в малопроницаемых слоях, участках и зонах (рис. 4).
В таблице приведены условия применения гидродинамических МУН. Как видно из данных таблицы, гидродинамические МУН применимы при определенных геолого-физических и технологических условиях, то есть не обладают универсальностью.
Метод
Принцип воздействия на охват пласта заводнением
Условие оптимального применения по обводненности, %
Ограничения метода
Повышение давления нагнетания.
Увеличение градиента давления в пласте.
< 75 – 80
Ограничен установленной мощностью системы поддержания пластового давления; разрыв пластов.
Форсированный отбор.
Увеличение градиента давления в пласте.
75 – 85
Ограниченность размеров зон воздействия.
Циклическое заводнение.
Изменение градиента давления на границе неоднородных пластов.
70 – 80
Наиболее эффективен при наличии гидродинамической связи между пластами.
Изменение направлений фильтрационных потоков.
Вовлечение в разработку зон, не охваченных заводнением.
< 75 – 80
Возможность использования только на отдельных участках.
Оптимизация сетки нагнетательных скважин.
Подключение в работу участков пласта, не охваченных заводнением.
< 80 – 90
Значительные капитальные вложения на бурение и обустройство скважин.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
26
Лекция 5. Химические методы увеличения нефтеотдачи при заводнении.
Химические (физико-химические) МУН направлены на повышение эффективности заводнения как через увеличение коэффициента заводнения, так и через увеличение коэффициента вытеснения. Химические МУН основаны на закачке в пласт веществ, которые увеличивают вязкость воды (полимеры) или обладают высокой поверхностной активностью. К ним также относят закачку гелей, пен, эмульсий, получаемых с применением химических реагентов.
Пик применения химических МУН в мире был в 80-х годах XX века. Химические МУН применяли, в основном, на терригенных коллекторах. Сегодня химические МУН широкомасштабно применяют Россия и Китай. Считается, что химические МУН составляют 6 % всех МУН, применяемых в мире.
Известно большое количество химических методов увеличения коэффициента заводнения: закачка загущенной полимерами воды, закачка поверхностно-активных веществ, периодическая закачка в пласт реагентов, понижающих проницаемость высокопроницаемых промытых водой пропластков, закачка гелевых композиций. Реагенты закачивают в пласт через нагнетательные скважины, добавляя их в закачиваемую воду. Физико-химические и гидродинамические явления, происходящие при закачке в пласт перечисленных веществ, изучены недостаточно. Поэтому основные параметры технологий их применения в конкретных геолого-физических и технологических условиях выбирают на основе качественных представлений о взаимодействии закачиваемых композиций в пласте.
Полимерное заводнение –закачивание водного раствора полимера в пласт в течение длительного времени, пока полимером не будет заполнено ⅓ – ½ порового объема коллектора. При закачке в коллектор воды она идет по пути наименьшего сопротивления (через слои с более высокой проницаемостью, а в пределах одного слоя – по установившимся системам постоянных трубок тока) в сторону добывающих скважин. Нефть имеет более высокую, чем вода, вязкость, поэтому вода частично «просачивается» через поры и каналы, «занятые» нефтью, не вытесняя нефть («обходит» нефть), что снижает коэффициент заводнения. Повышение вязкости закачиваемой воды с помощью добавления к ней полимеров повышает коэффициент заводнения
(одновременно может происходить некоторое уменьшение приемистости нагнетательных скважин из-за повышенной вязкости растворов полимеров и из-за адсорбции полимеров на поверхности породы). Полимерное заводнение в промышленных масштабах применяют уже более 40 лет.
Полимер – это вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), состоящее из большого числа повторяющихся одинаковых по строению атомных группировок – составных звеньев (мономеров), – соединенных между собой химическими или координационными связями в линейные или разветвленные цепи, или трехмерные структуры.
Для повышения вязкости воды применяют:
– природные полимеры растительного происхождения и биополимеры – продукты жизнедеятельности микроорганизмов (полисахариды);
– модифицированные биополимеры;
– синтетические полимеры.
Наиболее широко применяемыми полисахаридами растительного происхождения являются целлюлоза, крахмал, хитин, лигнин, пектин, гуаровая смола и их производные; полисахариды ферментативного происхождения – декстран, ксантан.
Синтетические водорастворимые полимеры – полиэтиленоксид, полиакриламид (ПАА) и др., а также сополимерные продукты – сополимер акриламида с акриловой кислотой или акрилатом натрия. Сополимерные продукты могут быть получены также гидролизом полиакриламида (ГПАА) или полиакрилонитрила (ГИПАН).
При реализации полимерного заводнения наиболее широко используют полиакриламид.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
27
Условия применимости полимерного заводнения приведены в таблице.
Показатель
Предпочтительные
(наилучшие) условия
Проницаемость пласта, мкм
2 0,05 – 10,00 (0,05 – 1,50)
Температура пласта, °С
< 120 (80)
Литологический состав пласта песчаники
Нефтенасыщенность коллектора, %
> 20
Вязкость нефти, мПа·с
10 – 10000 (< 130)
Плотность нефти, кг/м
3
< 965
Обводненность, %
60 – 70
Минерализация воды, г/дм
3
< 250
Химическая деструкция ПАА. Закачиваемая в пласт вода может содержать вещества, способные вступать в реакции с ПАА: окислители и восстановители. Основные окислители – это растворенный кислород и перекиси в составе соединений окисленных углеводородов.
Восстановителями являются сероводород, поглотитель растворенного в воде кислорода
(бисульфит аммония), двухвалентное железо Fe
2+
(может быть как окислителем, так и восстановителем, в зависимости от того, какие еще вещества присутствуют в воде), аммиак.
Жизнедеятельность микроорганизмов, в частности, сульфатвосстанавливающих бактерий, также может приводить к деструкции ПАА.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Лекция 4. Гидродинамические методы увеличения нефтеотдачи при заводнении.
Гидродинамические МУН, как отмечено в предыдущей лекции, направлены на повышение эффективности заводнения (в основном на увеличения охвата пласта заводнением) через изменение гидродинамических режимов фильтрации жидкостей в пласте.
В лекции 2 мы говорили о том, что при «обычном» заводнении в пласте остается не вытесненная водой (остаточная) нефть и
50% остаточной нефти находится в малопроницаемых и застойных зонах. До 23
Ко второй группе относят методы, направленные на вовлечение в разработку недренируемых или слабодренируемых запасов (участков, зон и пропластков) неоднородного прерывистого пласта. Эти методы (мероприятия) отличаются большим разнообразием по технологии воздействия на пласты. Степень влияния методов второй группы на технико- экономические показатели разработки значительна, поэтому они должны быть обоснованы в проектных документах (технологических схемах, проектах разработки и доразработки), анализах разработки и авторских надзорах. К ним относят:
– перенос фронта нагнетания воды в имеющиеся скважины;
– организация дополнительных рядов нагнетательных скважин в блоковых системах разработки путем перевода добывающих скважин в нагнетательные;
– организация очагов закачки воды в отдельные добывающие скважины;
– вовлечение в разработку недренируемых запасов нефти в линзах, тупиковых и застойных зонах, низкопроницаемых прослоях путем бурения дополнительных добывающих или нагнетательных скважин, забуривания вторых стволов, горизонтальных стволов, перевода скважин с других объектов или пластов, разукрупнения объектов, организации зон и полей самостоятельной разработки;
– организация барьерной, площадной и других модификаций внутриконтурного воздействия путем закачки воды с целью выработки запасов нефти в обширных подгазовых зонах газонефтяных месторождений;
– другие новые технологии заводнения для сложнопостроенных залежей и трудноизвлекаемых запасов нефти.
Гидродинамические МУН применяют, обычно, в различных сочетаниях друг с другом одновременно, а эффективность какого-либо одного метода взаимосвязана с объемом применения других.
Поддержание повышенных давлений нагнетания воды на Бавлинском, Ново-Елховском,
Арланском месторождениях и на некоторых площадях Ромашкинского месторождения показало, что увеличение давления нагнетания приводит к увеличению работающей толщины пласта и улучшению фильтрации жидкостей в пласте. Относительное увеличение работающей толщины пластов при повышении давления от 110 до 150 атм. по перечисленным месторождениям составило около 22%. Перевод на повышенное давление закачки воды на Ромашкинском месторождении позволил дополнительно добыть 160 млн. т нефти.
На поздней стадии разработки месторождений нагнетание воды в нефтяные залежи под повышенным давлением становится неэффективным из-за образования хорошо промытых зон, через которые фильтруется основная масса закачиваемой воды, не оказывая влияния на выработку малопроницаемых продуктивных пластов. Переход на высокие давления нагнетания, особенно в условиях карбонатных трещиноватых коллекторов, может привести к прорывам воды по высокопроницаемым зонам, что приведет к снижению охвата пласта заводнением.
При высоких скоростях закачки воды может уменьшиться удельная приемистость нагнетательных скважин за счет того, что ламинарный режим фильтрации воды переходит в турбулентный. При этом резко (до 20 раз) возрастает фильтрационное сопротивление пласта.
Форсированный отбор жидкостей (ФОЖ) применяют при обводнении продукции скважин > 75%.
Под ФОЖ понимают поэтапное существенное (сначала на 30 – 50%, затем в 1,5 – 3,0 раза) увеличение отборов жидкости из обводненных (> 75%) высокопродуктивных (с дебитами жидкости > 50 т/сут.) скважин.
При ФОЖ возрастает градиент давления в пласте, что приводит к увеличению скорости фильтрации. В результате в разработку вовлекаются участки пласта, не охваченные заводнением.
При увеличении скорости фильтрации происходит частичное вовлечение в разработку капиллярно удержанной нефти и отмыв пленочной нефти.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
24
ФОЖ является наиболее освоенным методом увеличения нефтеотдачи. Первое сообщение об использовании этого метода на месторождениях Чечено-Ингушской АССР было сделано в 1945 г. В Западной Сибири ФОЖ применяли на Мегионском, Самотлорском, Мамонтовском, Усть-
Балыкском, Приразломном и Приобском месторождениях. Техника, применяемая для форсирования отборов, может быть различной: штанговые глубинные насосы, электроцентробежные погружные насосы (УЭЦН), газлифт.
Основные выводы, сделанные на основе анализа применения ФОЖ:
– ФОЖ эффективен по большинству обводняющихся скважин, независимо от их обводненности
(в пределах применимости метода);
– ФОЖ более эффективен в тупиковых зонах, в скважинах с большой вертикальной неоднородностью и расчлененностью;
– прирост добычи нефти приблизительно пропорционален приросту дебита жидкости;
– при применении ФОЖ замедляется темп падения добычи нефти.
Циклическое заводнение и изменение направлений фильтрационных потоков
При циклическом заводнении периодически изменяют режим воздействия на пласт и создают в нем нестационарное распределение пластового давления.
Метод практически всегда применяют совместно с изменением направления фильтрационных потоков жидкостей в пласте, которое, чаще всего, обеспечивают переносом нагнетания воды – прекращают закачку воды в одни скважины и закачивают в другие.
Нестационарное распределение давления (и фильтрации жидкости в пласте) может быть создано и периодическим изменением объема нагнетаемой воды и добываемой жидкости
(чередующаяся работа нагнетательных и добывающих скважин).
При периодическом нарушении установившегося состояния гидродинамической системы в неоднородном пласте между различными зонами, каналами и потоками жидкостей возникают градиенты давлений, усиливающие перетоки жидкостей из одних слоев в другие. При повышении пластового давления в пласте возникают градиенты давления в сторону малопроницаемых зон, усиливающие капиллярное внедрение воды в эти зоны. При снижении пластового давления, когда знак градиента давления меняется, вода, внедрившаяся в малопроницаемые участки, удерживается в них капиллярными силами, а нефть перетекает в высокопроницаемые участки.
Вытеснение нефти в заводненную зону при прекращении закачки воды и снижении давления в этой зоне происходит за счет упругих сил, а при снижении пластового давления ниже давления насыщения - за счет режима растворенного газа. Эффект тем сильнее, чем больше амплитуда создаваемых перепадов давлений, чем лучше гидродинамическая связь между высоко- и малопроницаемыми зонами, чем лучше капиллярные силы удерживают воду и чем выше газонасыщенность нефти.
Изменяемые параметры циклического заводнения – амплитуда и продолжительность циклов воздействия. Продолжительность циклов – от 10 до 70 – 80 суток.
Существует большое количество модификаций метода циклического заводнения. Одним из самых распространенных является метод чередующейся работы нагнетательных и добывающих скважин. Во время закачки воды через нагнетательные скважины добывающие скважины останавливают, за счет чего давление в пласте возрастает и создается запас упругой энергии. Далее в эксплуатацию вводят добывающие скважины, а нагнетательные останавливают - расходуется накопленная пластовая энергия. Приток жидкости в добывающие скважины происходит не только по линиям гидродинамической связи между нагнетательными и добывающими скважинами, но и за счет притока нефти из зон, ранее не охваченных заводнением. Это позволяет охватить разработкой малопроницаемые зоны.
Полный охват неоднородных пластов заводнением, практически, невозможен только за счет совершенствования системы заводнения, включая циклическое заводнение и оптимизацию сетки нагнетательных скважин. Применение циклического заводнения и изменение направлений
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
25 фильтрационных потоков приводит к улучшению выработки неоднородных пластов на поздних стадиях разработки. Тем не менее, детальный анализ эффективности применения этих методов на месторождениях Татарстана на разных стадиях разработки различных объектов показал, что при высокой обводненности добываемой жидкости (>80%) результаты от применения циклического заводнения ухудшаются.
Для ввода не охваченных заводнением запасов (нефть в малопроницаемых зонах и в застойных зонах) применяют также оптимизацию сетки нагнетательных скважин. Ее проводят либо как отдельное мероприятие, либо совместно с разукрупнением эксплуатационных объектов.
При проектировании разработки выделяют основной и резервный фонды нагнетательных скважин.
Резервный фонд предназначен для ввода в разработку запасов, не охваченных заводнением, если резервного фонда не хватает обосновывают бурение дополнительных нагнетательных скважин.
Эффективность заводнения снижается с усилением неоднородности разрабатываемых пластов и повышением вязкости нефти, так как нагнетаемая вода прорывается к добывающим скважинам по высокопроницаемым слоям и зонам, оставляя нефть не вытесненной в малопроницаемых слоях, участках и зонах (рис. 4).
В таблице приведены условия применения гидродинамических МУН. Как видно из данных таблицы, гидродинамические МУН применимы при определенных геолого-физических и технологических условиях, то есть не обладают универсальностью.
Метод
Принцип воздействия на охват пласта заводнением
Условие оптимального применения по обводненности, %
Ограничения метода
Повышение давления нагнетания.
Увеличение градиента давления в пласте.
< 75 – 80
Ограничен установленной мощностью системы поддержания пластового давления; разрыв пластов.
Форсированный отбор.
Увеличение градиента давления в пласте.
75 – 85
Ограниченность размеров зон воздействия.
Циклическое заводнение.
Изменение градиента давления на границе неоднородных пластов.
70 – 80
Наиболее эффективен при наличии гидродинамической связи между пластами.
Изменение направлений фильтрационных потоков.
Вовлечение в разработку зон, не охваченных заводнением.
< 75 – 80
Возможность использования только на отдельных участках.
Оптимизация сетки нагнетательных скважин.
Подключение в работу участков пласта, не охваченных заводнением.
< 80 – 90
Значительные капитальные вложения на бурение и обустройство скважин.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
26
Лекция 5. Химические методы увеличения нефтеотдачи при заводнении.
Химические (физико-химические) МУН направлены на повышение эффективности заводнения как через увеличение коэффициента заводнения, так и через увеличение коэффициента вытеснения. Химические МУН основаны на закачке в пласт веществ, которые увеличивают вязкость воды (полимеры) или обладают высокой поверхностной активностью. К ним также относят закачку гелей, пен, эмульсий, получаемых с применением химических реагентов.
Пик применения химических МУН в мире был в 80-х годах XX века. Химические МУН применяли, в основном, на терригенных коллекторах. Сегодня химические МУН широкомасштабно применяют Россия и Китай. Считается, что химические МУН составляют 6 % всех МУН, применяемых в мире.
Известно большое количество химических методов увеличения коэффициента заводнения: закачка загущенной полимерами воды, закачка поверхностно-активных веществ, периодическая закачка в пласт реагентов, понижающих проницаемость высокопроницаемых промытых водой пропластков, закачка гелевых композиций. Реагенты закачивают в пласт через нагнетательные скважины, добавляя их в закачиваемую воду. Физико-химические и гидродинамические явления, происходящие при закачке в пласт перечисленных веществ, изучены недостаточно. Поэтому основные параметры технологий их применения в конкретных геолого-физических и технологических условиях выбирают на основе качественных представлений о взаимодействии закачиваемых композиций в пласте.
Полимерное заводнение –закачивание водного раствора полимера в пласт в течение длительного времени, пока полимером не будет заполнено ⅓ – ½ порового объема коллектора. При закачке в коллектор воды она идет по пути наименьшего сопротивления (через слои с более высокой проницаемостью, а в пределах одного слоя – по установившимся системам постоянных трубок тока) в сторону добывающих скважин. Нефть имеет более высокую, чем вода, вязкость, поэтому вода частично «просачивается» через поры и каналы, «занятые» нефтью, не вытесняя нефть («обходит» нефть), что снижает коэффициент заводнения. Повышение вязкости закачиваемой воды с помощью добавления к ней полимеров повышает коэффициент заводнения
(одновременно может происходить некоторое уменьшение приемистости нагнетательных скважин из-за повышенной вязкости растворов полимеров и из-за адсорбции полимеров на поверхности породы). Полимерное заводнение в промышленных масштабах применяют уже более 40 лет.
Полимер – это вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), состоящее из большого числа повторяющихся одинаковых по строению атомных группировок – составных звеньев (мономеров), – соединенных между собой химическими или координационными связями в линейные или разветвленные цепи, или трехмерные структуры.
Для повышения вязкости воды применяют:
– природные полимеры растительного происхождения и биополимеры – продукты жизнедеятельности микроорганизмов (полисахариды);
– модифицированные биополимеры;
– синтетические полимеры.
Наиболее широко применяемыми полисахаридами растительного происхождения являются целлюлоза, крахмал, хитин, лигнин, пектин, гуаровая смола и их производные; полисахариды ферментативного происхождения – декстран, ксантан.
Синтетические водорастворимые полимеры – полиэтиленоксид, полиакриламид (ПАА) и др., а также сополимерные продукты – сополимер акриламида с акриловой кислотой или акрилатом натрия. Сополимерные продукты могут быть получены также гидролизом полиакриламида (ГПАА) или полиакрилонитрила (ГИПАН).
При реализации полимерного заводнения наиболее широко используют полиакриламид.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
27
Условия применимости полимерного заводнения приведены в таблице.
Показатель
Предпочтительные
(наилучшие) условия
Проницаемость пласта, мкм
2 0,05 – 10,00 (0,05 – 1,50)
Температура пласта, °С
< 120 (80)
Литологический состав пласта песчаники
Нефтенасыщенность коллектора, %
> 20
Вязкость нефти, мПа·с
10 – 10000 (< 130)
Плотность нефти, кг/м
3
< 965
Обводненность, %
60 – 70
Минерализация воды, г/дм
3
< 250
Химическая деструкция ПАА. Закачиваемая в пласт вода может содержать вещества, способные вступать в реакции с ПАА: окислители и восстановители. Основные окислители – это растворенный кислород и перекиси в составе соединений окисленных углеводородов.
Восстановителями являются сероводород, поглотитель растворенного в воде кислорода
(бисульфит аммония), двухвалентное железо Fe
2+
(может быть как окислителем, так и восстановителем, в зависимости от того, какие еще вещества присутствуют в воде), аммиак.
Жизнедеятельность микроорганизмов, в частности, сульфатвосстанавливающих бактерий, также может приводить к деструкции ПАА.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Влияние температуры. При температуре пласта
80°С происходит разрушение молекул многих полимеров и снижение эффективности их применения для увеличения нефтеотдачи. При определенной температуре начинают происходить реакции осаждения между гидролизованным
ПАА и двухвалентными ионами (Ca
2+
, Mg
2+
), что приводит к потере вязкости. Сополимеры акриламида и акриловой кислоты теряют стабильность при температуре выше 80°C. При некоторых значениях pH раствора даже при низкой температуре (50°C) может происходить гидролиз полимера.
Механическая деструкция ПАА. При приложении сдвиговых напряжений происходит расщепление ПАА на отдельные части с образованием свободных радикалов, которые производят дальнейшее разрушение молекулы полимера в ходе цепной реакции. Чем больше молекулярная масса, тем выше степень деструкции при том же значении напряжения сдвига. Скорость потока растворов ПАА в оборудовании не должна превышать 5 м/с.
Влияние полимеров на подготовку нефти. Химические реагенты, поступая вместе с закачиваемой водой в продукцию добывающих скважин, могут отрицательно влиять на процесс добычи и подготовки нефти. Например, ПАА способствует выделению парафинов из нефти, ПАА и полисахариды стабилизируют нефтяные эмульсии и затрудняют отделение нефти от воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Влияние температуры. При температуре пласта
80°С происходит разрушение молекул многих полимеров и снижение эффективности их применения для увеличения нефтеотдачи. При определенной температуре начинают происходить реакции осаждения между гидролизованным
ПАА и двухвалентными ионами (Ca
2+
, Mg
2+
), что приводит к потере вязкости. Сополимеры акриламида и акриловой кислоты теряют стабильность при температуре выше 80°C. При некоторых значениях pH раствора даже при низкой температуре (50°C) может происходить гидролиз полимера.
Механическая деструкция ПАА. При приложении сдвиговых напряжений происходит расщепление ПАА на отдельные части с образованием свободных радикалов, которые производят дальнейшее разрушение молекулы полимера в ходе цепной реакции. Чем больше молекулярная масса, тем выше степень деструкции при том же значении напряжения сдвига. Скорость потока растворов ПАА в оборудовании не должна превышать 5 м/с.
Влияние полимеров на подготовку нефти. Химические реагенты, поступая вместе с закачиваемой водой в продукцию добывающих скважин, могут отрицательно влиять на процесс добычи и подготовки нефти. Например, ПАА способствует выделению парафинов из нефти, ПАА и полисахариды стабилизируют нефтяные эмульсии и затрудняют отделение нефти от воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Влияние температуры. При температуре пласта
80°С происходит разрушение молекул многих полимеров и снижение эффективности их применения для увеличения нефтеотдачи. При определенной температуре начинают происходить реакции осаждения между гидролизованным
ПАА и двухвалентными ионами (Ca
2+
, Mg
2+
), что приводит к потере вязкости. Сополимеры акриламида и акриловой кислоты теряют стабильность при температуре выше 80°C. При некоторых значениях pH раствора даже при низкой температуре (50°C) может происходить гидролиз полимера.
Механическая деструкция ПАА. При приложении сдвиговых напряжений происходит расщепление ПАА на отдельные части с образованием свободных радикалов, которые производят дальнейшее разрушение молекулы полимера в ходе цепной реакции. Чем больше молекулярная масса, тем выше степень деструкции при том же значении напряжения сдвига. Скорость потока растворов ПАА в оборудовании не должна превышать 5 м/с.
Влияние полимеров на подготовку нефти. Химические реагенты, поступая вместе с закачиваемой водой в продукцию добывающих скважин, могут отрицательно влиять на процесс добычи и подготовки нефти. Например, ПАА способствует выделению парафинов из нефти, ПАА и полисахариды стабилизируют нефтяные эмульсии и затрудняют отделение нефти от воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Влияние температуры. При температуре пласта
80°С происходит разрушение молекул многих полимеров и снижение эффективности их применения для увеличения нефтеотдачи. При определенной температуре начинают происходить реакции осаждения между гидролизованным
ПАА и двухвалентными ионами (Ca
2+
, Mg
2+
), что приводит к потере вязкости. Сополимеры акриламида и акриловой кислоты теряют стабильность при температуре выше 80°C. При некоторых значениях pH раствора даже при низкой температуре (50°C) может происходить гидролиз полимера.
Механическая деструкция ПАА. При приложении сдвиговых напряжений происходит расщепление ПАА на отдельные части с образованием свободных радикалов, которые производят дальнейшее разрушение молекулы полимера в ходе цепной реакции. Чем больше молекулярная масса, тем выше степень деструкции при том же значении напряжения сдвига. Скорость потока растворов ПАА в оборудовании не должна превышать 5 м/с.
Влияние полимеров на подготовку нефти. Химические реагенты, поступая вместе с закачиваемой водой в продукцию добывающих скважин, могут отрицательно влиять на процесс добычи и подготовки нефти. Например, ПАА способствует выделению парафинов из нефти, ПАА и полисахариды стабилизируют нефтяные эмульсии и затрудняют отделение нефти от воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Влияние температуры. При температуре пласта
80°С происходит разрушение молекул многих полимеров и снижение эффективности их применения для увеличения нефтеотдачи. При определенной температуре начинают происходить реакции осаждения между гидролизованным
ПАА и двухвалентными ионами (Ca
2+
, Mg
2+
), что приводит к потере вязкости. Сополимеры акриламида и акриловой кислоты теряют стабильность при температуре выше 80°C. При некоторых значениях pH раствора даже при низкой температуре (50°C) может происходить гидролиз полимера.
Механическая деструкция ПАА. При приложении сдвиговых напряжений происходит расщепление ПАА на отдельные части с образованием свободных радикалов, которые производят дальнейшее разрушение молекулы полимера в ходе цепной реакции. Чем больше молекулярная масса, тем выше степень деструкции при том же значении напряжения сдвига. Скорость потока растворов ПАА в оборудовании не должна превышать 5 м/с.
Влияние полимеров на подготовку нефти. Химические реагенты, поступая вместе с закачиваемой водой в продукцию добывающих скважин, могут отрицательно влиять на процесс добычи и подготовки нефти. Например, ПАА способствует выделению парафинов из нефти, ПАА и полисахариды стабилизируют нефтяные эмульсии и затрудняют отделение нефти от воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
28
Рисунок 7. Полисахариды в пробе из сепаратора и стабилизированная ими эмульсия.
Рисунок 8. ПАА ( 0,05 г), выделенный из 0,5 литра устьевой пробы из добывающей скважины.
Пильтун-Астохское месторождение (о. Сахалин, шельф).
Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), как загуститель, обладает рядом преимуществ по сравнению с ПАА. В частности, с повышением минерализации воды вязкость водных растворов
ГЭЦ возрастает, в отличие от ПАА.
Из природных полисахаридов, используемых в нефтедобыче, наиболее подходящими технологическими свойствами для целей полимерного заводнения обладает ксантан. Высокая вязкость ксантановых растворов при малых концентрациях ксантана сохраняется при высокой минерализации воды, раствор устойчив к механической деструкции, воздействию кислот и высокой температуры.
Полимерное заводнение в России не получило широкого распространения для площадного заводнения. Большинство промысловых проектов были небольшими, так же, как и количество добытой нефти. Полимерное заводнение не получило широкого распространения, в частности потому, что стоимость метода довольно высокая. Пример. Небольшое месторождение закачивает
7 млн. т воды в год. При использовании 0,3%-го раствора ПАА в год потребуется 21000 т сухого реагента; стоимость 1 т сухого ПАА 55000 руб., затраты на ПАА в год – 11555 млн. руб.
В настоящее время полимерное заводнение с использованием только полимера применяют редко. Чаще используют смеси щелочных, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров
(щелочь-ПАВ-полимерное заводнение). При совместном использовании щелочь, ПАВ и полимер взаимно усиливают действие друг друга, в результате повышается не только охват пласта
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
29 заводнением, но улучшается и вытеснение нефти (увеличивается коэффициент вытеснения).
Закачку проводят в 4 этапа: закачка буферного раствора, закачка щелочь-ПАВ-полимерной композиции, закачка раствора полимера, закачка воды. Пример применения - «Салым Петролеум
Девелопмент Н.В.» (Салымское месторождение, Нефтеюганский район, 2016-2017 гг.).
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активные вещества
– химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение.
Добавление ПАВ к закачиваемой воде позволяет повысить коэффициент вытеснения за счет:
– снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода (при низком поверхностном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте - извлечение капиллярно удержанной нефти);
– увеличения смачиваемости породы водой и моющего действия по отношению к нефти
(отмыв пленочной нефти);
– снижения вязкости нефти (ПАВ могут адсорбироваться асфальтенами).
ПАВ начали применять в нефтепромысловой практике в 50-е годы XX века.
Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей на одном конце молекулы и гидрофильных групп на другом. ПАВ бывают анионактивные (действие определяется анионом, получающимся при диссоциации ПАВ в воде), катионактивные (действие определяется катионом), амфотерные (анионактивные в щелочной среде и катионактивные в кислой) и неионогенные (в воде растворяются, но не диссоциируют). Адсорбция неионогенных
ПАВ физическая, а не химическая. Неионогенные ПАВ отличаются тем, что небольшие изменения концентрации, температуры или их молекулярной структуры оказывают существенное влияние на адсорбцию.
В лабораторных условиях было исследовано влияние на нефтеотдачу добавок в воду ПАВ различного типа. Лучшие результаты при вытеснении нефти получены при применении растворов неионогенных ПАВ. Установлено, что неионогенные ПАВ адсорбируются на поверхностях минералов меньше, чем ионогенные. На практике для увеличения нефтеотдачи применяют смеси анионактивных и неионогенных ПАВ.
Для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется снизить поверхностное натяжение до 0,01 – 0,05 мН/м. Лучшие неионогенные промышленно выпускаемые
ПАВ при оптимальной концентрации в воде (0,05 – 0,1%) обеспечивают снижение поверхностного натяжения до 7 – 8 мН/м. Поэтому эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи довольно низкая. Относительно низкая эффективность применения ПАВ для увеличения нефтеотдачи связана также с химической нестабильностью ПАВ в пластовых условиях, в частности, подверженности гидролизу, существенно увеличивающемуся за счет каталитического действия компонентов пластовой воды и породы. Существенное влияние на процессы химической деструкции ПАВ оказывает сера и ее соединения, присутствующие в нефти. Имеются и другие недостатки технологии заводнения с применением ПАВ. В настоящее время ПАВ применяют, в основном, для обработки призабойных зон нагнетательных скважин для увеличения их приемистости (в сочетании с другими реагентами).
Мицеллярно-полимерное заводнение – закачка в пласт смеси воды (10 – 95%), ПАВ (4 –
15%), углеводородной фазы (керосин, легкая нефть, сжиженный газ, 2 – 80%) и спиртов
(стабилизаторы: изопропиловый, бутиловый и др., до 20%). Указанные компоненты при перемешивании образуют так называемые мицеллярные системы (микроэмульсии) устойчивые к расслоению. Мицеллярно-полимерное заводнение направлено на снижение действия капиллярных сил, то есть на увеличение, в основном, коэффициента вытеснения. Мицеллярный раствор, снижая действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. Перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются и образуют «нефтяной вал» – зону
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
30 повышенной нефтенасыщенности, за ней образуется зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения мицеллярного раствора вслед за ним в пласт закачивают полимерный раствор с близкой вязкостью (которая может достигать 100 и более мПа·с), затем закачивают воду. В результате в пласте образуется 6 зон, отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытеснению):
– зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;
– нефтяной вал;
– водяной вал;
– оторочка мицеллярного раствора;
– буфер подвижности (полимерный раствор);
– зона «обычной» воды.
Основное достоинство метода – возможность обеспечить извлечение из заводненных пластов до 50 – 60% остаточной нефти.
Щелочное заводнение. При добавлении щелочи к закачиваемой воде она взаимодействует с нефтью и породой. В нефти содержатся органические кислоты (нефтяные кислоты). При взаимодействии нефтяных кислот со щелочами образуются соли, являющиеся хорошими ПАВ
(соли нефтяных кислот называют нефтяными мылами). Нефтяные мыла значительно снижают поверхностное натяжение нефти на границе раздела фаз нефти и раствора щелочи и увеличивают смачиваемость породы водой. Как мы отмечали, для значительного улучшения вытесняющей способности воды требуется максимально снизить поверхностное натяжение, что и происходит при щелочном заводнении. Таким образом, щелочное заводнение повышает коэффициент вытеснения. Чем выше концентрация органических кислот в нефти, тем больше ПАВ образуется в пласте при взаимодействии нефти со щелочью.
Вторым важным элементом в механизме метода щелочного заводнения является изменение смачиваемости породы щелочным раствором за счет адсорбции органических кислот из нефти на поверхности породы. Применение растворов щелочей – один из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, то есть гидрофилизации пористой среды, что повышает коэффициент вытеснения.
Для приготовления щелочных растворов используют гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na
2
CO
3
), аммиак (NH
4
OH), силикат натрия (Na
2
SiO
3
). Оптимальная концентрация NaOH в растворе, при которой достигается минимальное поверхностное натяжение, 0,2%. Щелочные растворы обычно закачивают в виде оторочек размером 0,10 – 0,25 объема пор с концентрацией
0,05 – 0,5% NaOH. Сравнительная дешевизна NaOH, небольшие концентрации в растворе (0,2 –
0,4%), образование ПАВ непосредственно в пласте делают этот метод достаточно перспективным.
По лабораторным данным использование щелочных растворов позволяет повысить коэффициент вытеснения на 15 – 20%.
При щелочном заводнении необходимо учитывать совместимость пластовых вод с закачиваемыми в пласт растворами щелочи, так как присутствующие в пластовой воде ионы оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение растворов щелочи на границе с нефтью. Ионы кальция, магния и железа реагируют со щелочью с образованием гидроксидов и снижают эффективность ее действия.
Наличие глин в породе пласта снижает активность щелочи при щелочном заводнении. В идентичных условиях по пористости и проницаемости пород коэффициент вытеснения нефти щелочным раствором существенно зависит от содержания глины.
На месторождениях нефти повышенной вязкости более целесообразно применять термощелочное воздействие, при котором щелочные растворы закачивают в предварительно прогретый пласт.
В отличие от других физико-химических методов щелочное заводнение можно применяться при температуре до 200°С, а также в карбонатных коллекторах.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
31
Метод неприменим если кислотное число нефти менее 0,5 мг/г.
Потокоотклоняющие технологии (ПОТ). При реализации ПОТ в нагнетательные скважины закачивают ограниченные объемы реагентов, снижающих проницаемость высокопроницаемых слоев пласта вплоть до их блокирования. Тем самым создают более равномерный фронт вытеснения и уменьшают прорывы воды в добывающие скважины. ПОТ увеличивают коэффициент заводнения. В России ПОТ промышленно применяют с 80-х годов XX века, известно около 100 разновидностей ПОТ.
Рисунок 9. Керн с «промоинами».
Наиболее востребованы ПОТ с использованием ПАА и его модификаций (сшитые полимерные системы, полимерно-дисперсные составы, полимерно-щелочное заводнение и т.д.).
Технологическая эффективность данных видов обработок от 1000 до 5000 т нефти на 1 т сухого полимера. Технологии с ПАА широко применяют в следующих компаниях:
– ОАО «ЛУКОЙЛ»;
– ОАО «Сургутнефтегаз»;
– ОАО «Татнефть»;
– ОАО «Удмуртнефть».
Известны ПОТ с использованием осадкообразующих составов на основе водных растворов силиката натрия и хлористого кальция, сульфата натрия и хлористого кальция, сернокислого алюминия и хлористого кальция.
С применением полимерно-дисперсных систем и их модификаций на месторождениях
Урало-Поволжья и Западной Сибири проведено более 1300 обработок высокообводненных (95-
98%) участков пластов. В ОАО «Татнефть» на поздней стадии разработки Ромашкинского, Ново-
Елховского и других месторождений с применением полимерно-дисперсных ежегодно добывают
«дополнительно» более 300 тыс. т нефти.
В России выполнены десятки тысяч обработок скважин с использованием ПОТ. Анализ результатов применения ПОТ в России показывает, что их эффективность существенно различается. Наряду с многочисленными примерами высокой эффективности ПОТ имеется немало результатов с завышенным расчетным эффектом.
Ограничение водопритока – обработка призабойных зон пласта добывающих скважин с целью снижения объема добываемой попутно с нефтью воды.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
32
Известно свойство сшитых полимерных систем (гелей) непропорционально снижать проницаемость пласта по воде и по нефти. В лабораторных экспериментах установлено, что после образования геля в пористой среде ее проницаемость по воде уменьшается в 1000 раз, а по нефти лишь в 10 раз. Для образования геля применяют ПАА, который в водном растворе «сшивают» солями поливалентных металлов (широко используют ацетат хрома). Соотношение проницаемости по воде и нефти «регулируют» изменяя концентрацию ПАА в рабочем составе.
Это свойство гелей используют при обработке всего вскрытого пласта в добывающей скважине (не отдельных водонасыщенных пропластков).
Пример применения химических МУН. Территориально-производственное предприятие
«Урайнефтегаз» (подразделение ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», осуществляет добычу нефти на месторождениях Шаимского нефтегазоносного района) с 1977 г. по 2016 г. провело 2851 обработку нагнетательных скважин на 20 месторождениях. Опробованы 33 технологии
(водоизолирующие, потокоотклоняющие, отмывающие), большинство из которых перешли в стадию промышленного применения. За счет применения физико-химических МУН
«дополнительно» добыто 4,8 млн. т нефти.
Для углубленного изучения химических МУН рекомендуются монографии
Сургучев М. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. –
М.: Недра, 1985. – 308 с.
Ленченкова Л. Е. Повышение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. –
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. – 394 с.: ил. – ISBN 5-247-03815-0
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
33
Лекция 6. Газовые методы увеличения нефтеотдачи.
В газовых МУН в пласт закачивают углекислый газ (CO
2
), углеводородный газ (в том числе широкие фракции легких углеводородов), азот или воздух. Газовые методы повышают коэффициент вытеснения.
При концентрированной закачке газ нагнетают в повышенные участки залежи для создания искусственной газовой шапки, нефть отбирают из скважин, расположенных ниже по структуре пласта.
При рассредоточенной закачке используют площадное расположение скважин. Механизм вытеснения нефти при рассредоточенной закачке газа изучен не полностью. Газ – вытесняющий агент с малой вязкостью – быстро прорывается от нагнетательных скважин к добывающим по высокопроницаемым зонам. Для предотвращения этого закачку газа сочетают с закачкой воды – водогазовое воздействие. Распространенным вариантом водогазового воздействия является попеременная закачка воды и газа: закачиваемая вода фильтруется по высокопроницаемым зонам и снижает в них фазовую проницаемость по газу, после закачки воды приемистость скважин по газу резко снижается. Существуют технологии закачки в пласт смеси воды и газа в виде пены.
Модификации газового и водогазового воздействия применяли на участках Самотлорского месторождении в 1984-91 гг.: в пласт закачивали углеводородный газ 1-й ступени сепарации и – последовательно или попеременно – воду. Средний коэффициент извлечения нефти при заводнении (лекция 2) увеличился, по сравнению с заводнением без использования газа, на 7 – 15% и составил 0,59.
Для успешного применения газовых МУН закачку газа необходимо проектировать с начала разработки месторождения, чтобы вся система обустройства и конструкции скважин, как нагнетательных, так и добывающих, соответствовали технологии закачки газа.
Одним из первых опубликованных сообщений о возможности применения CO
2
для увеличения нефтеотдачи можно считать публикацию 1932 г. (Рассел) с изложением результатов лабораторных исследований на образцах керна нефтесодержащего песчаника. CO
2
хорошо растворяется в нефти, значительно снижая ее вязкость (с 1000 – 9000 мПа·с до 15 – 160 мПа·с и с
100 – 600 мПа·с до 3 – 15 мПа·с), и вызывает «разбухание» нефти – объем нефти может увеличиться в 1,5 – 1,7 раза. При давлении 100 атм. и температуре 27 – 37 °С в 1 м
3
нефти растворяется 250 – 300 м
3
CO
2
, по растворимости в углеводородах CO
2
сходен с пропаном.
Существует несколько технологий закачки CO
2
в пласты для вытеснения из них нефти.
Наиболее распространена непрерывная закачка CO
2
. В другой технологии CO
2
закачивают в неистощенный пласт в виде оторочки, продвигаемой по пласту закачиваемой водой. В истощенных пластах с низким пластовым давлением 10 атм. CO
2
непрерывно закачивают в пласт в газообразном состоянии в объеме, в несколько раз превышающем поровый объем пласта. Легкие углеводороды нефти при этом переходят в газообразную смесь CO
2
и углеводородов. На поверхности CO
2
и углеводороды разделяют, CO
2
снова закачивают в пласт. При низких пластовых давлениях такой процесс недостаточно эффективен, поскольку требует закачки значительного объема CO
2
: отношение объема CO
2
к объему извлеченных углеводородов достигает 100 м
3
на 1 м
3
нефти. Кроме того, при низких пластовых давлениях полное смешивание CO
2
и нефти не происходит, и из нефти извлекаются только легкие углеводороды.
Третья технология применения CO
2
состоит в вытеснении нефти водой, насыщенной (3-5%)
CO
2
. В пласте СО
2
переходит из воды в нефть, изменяя ее свойства (так как растворимость СО
2
нефти в 4 – 10 раз выше, чем в воде).
Считается, что наиболее целесообразна чередующаяся закачка CO
2
и воды. Рекомендуемый размер первой «порции» CO
2
составляет 2,5 – 5,0% порового объема пласта, а суммарный объем закачки CO
2
– 20 – 30% порового объема пласта. По сравнению с закачкой воды чередующаяся закачка СО
2
и воды приводит к росту коэффициента вытеснения на 10 – 15%.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
34
Источником СО
2
могут быть природные газовые залежи, однако в большинстве из них содержится небольшое количество СО
2
. Другими источниками могут быть химические заводы и системы энергоснабжения, связанные с производством тепла и электричества. В ближайшие годы технология увеличения нефтеотдачи с применением СО
2
нефти может оказаться очень популярной, так как она сокращает выбросы СО
2
в атмосферу (технологии «захоронения двуокиси углерода»).
Закачку СО
2
для увеличения нефтеотдачи наиболее широко применяют в США. По некоторым данным около 70 % мировой добычи нефти с закачкой СО
2
приходится на месторождения в Техасе и Нью-Мексико. Объясняется это тем, что в США имеются крупные месторождения СО
2
, которого, для увеличения нефтеотдачи, требуется 1000 – 2000 м
3
на тонну добытой нефти.
Первый промысловый эксперимент по закачке CO
2 в нашей стране был проведен на
Александровской площади Туймазинского месторождения в 1967 г. Опытный участок включал в себя одну нагнетательную и две добывающие скважины. В целом по участку, по оценке института
БашНИПИнефть, за счет закачки карбонизированной воды дополнительно добыли 27,3 тыс. т нефти, 5,8 т нефти на тонну закачанного CO
2
Закачка CO
2 эффективна при вязкости нефти не более 10 – 15 мПа·с, так как при более высокой вязкости ухудшается смешиваемость CO
2
с нефтью. Для обеспечения хорошей смешиваемости CO
2
с нефтью пластовое давление должно быть более 80-90 атм. При толщине пласта более 25 м эффективность метода снижается из-за гравитационного разделения нефти и газа и снижения охвата пласта вытеснением.
Известны случаи успешного применения азота в глубокозалегающих залежах легкой нефти с высоким пластовым давлением. Но таких проектов за последние 40 лет описано всего несколько.
Пример применения закачки азота – месторождение Джей/Литтл Эскамбия Крик (США).
Единственным представительным проектом по закачке азота на морском месторождении с карбонатными коллекторами за пределами США, хорошо освещенным в литературе, является проект на месторождении Кантарел (Мексика). Снижение интереса к данной технологии объясняется большими капитальными и эксплуатационными затратами.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Лекция 7. Тепловые (термические) методы увеличения нефтеотдачи.
Тепловые МУН основаны на введении в пласт тепловой энергии (закачка в пласт горячей воды или пара) или производстве ее в пластовых условиях (внутрипластовое горение). Тепловые
МУН используют, преимущественно, для разработки месторождений с залежами вязких нефтей и битумов. Технологиям тепловых МУН посвящено наибольшее количество работ в мире. Первые опыты по тепловому воздействию на пласт в СССР начаты были А.Б. Шейнманом и К.К.
Дуброваем в 30-е годы ХХ века.
В основе тепловых МУН лежит существенное увеличение скорости фильтрации жидкостей в пористой при среде при нагреве. Увеличение скорости фильтрации происходит благодаря снижению вязкостей жидкостей, изменению их структурно-механических свойств и сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
При закачке горячей воды и пара в пласт эффект от воздействия проявляется не сразу, до тех пор, пока не будет прогрет значительный объем пласта, заметного эффекта от воздействия не будет. Поэтому эти технологии часто применяют в виде тепловых обработок призабойных зон добывающих скважин, причем на первом этапе проводят тепловые обработки призабойных зон добывающих и нагнетательных скважин до создания между ними гидродинамической связи.
Тепловые методы по объему воздействия на пласт делятся на две группы:
– обработка призабойных зон скважин паром, горячей водой, паром с различными химическими добавками;
– площадное воздействие на пласт паром, горячей водой, внутрипластовым горением и применение комбинированных технологий.
Закачка горячей воды. Основной механизм увеличения нефтеотдачи пластов при закачке горячей воды основан на снижении вязкости нефти и ее тепловом расширении.
В начале процесса закачки горячей воды в пласт она быстро отдает тепло породе, и остывает до пластовой температуры. Между вытесняемой нефтью и последующими порциями горячей воды образуется зона остывшей воды, и нефть вначале вытесняется водой пластовой температуры, что существенно не влияет на увеличение нефтеотдачи. Со временем пласт прогревается, в разработку включаются малопроницаемые участки, которые были обойдены или слабо промыты водой пластовой температуры.
В некоторых случаях при закачке горячей воды может наблюдаться процесс дистилляции
(испарение и последующая конденсация легких фракций углеводорода) и инициирование смешивающегося вытеснения нефти на границе вода – нефть, что приводит к росту добычи.
Смешивающееся вытеснение – вытеснение смешивающимися с нефтью веществами, дающее высокий коэффициент вытеснения (0,90 – 0,97), так как при полном смешивании извлекают капиллярно удержанную и пленочную нефть.
Вытеснение нефти из пласта перегретым паром эффективнее, чем горячей водой, так как пар содержит больше тепла, поэтому наибольшее распространение в мировой практике получили технологии, основанные на закачке в пласт пара: циклические обработки паром призабойных зон добывающих скважин и площадная закачка пара через нагнетательные скважины.
Циклическая обработка паром призабойных зон добывающих скважин.
Один цикл включает три стадии: нагнетание пара, выдержка скважины «на пропитку», добыча нефти. Продолжительность закачки пара составляет 10 – 20 суток и зависит от толщины обрабатываемого пласта и приемистости скважины по пару. Считается, что на 1 метр эффективной толщины нефтенасыщенного пласта необходимо закачать 100 т пара. Например, при толщине пласта 15 м и приемистости скважины 150 т в сутки продолжительность стадии закачки пара составит 10 суток. После закачки расчетного количества пара скважину закрывают на пропитку на
5 – 10 суток до полной конденсации пара в стволе скважины. Затем, в случае использования для закачки перегретого пара специального внутрискважинного оборудования, его извлекают и
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
36 скважину вводят в эксплуатацию. При высокой температуре закачиваемого пара (более 200 –
250°С) для определения времени ввода скважины в эксплуатацию необходимо также учитывать термостойкость глубинно-насосного оборудования. Если термостойкость оборудования меньше температуры закачиваемого пара, то до спуска оборудования в скважину необходимо выполнить термометрические исследования. Такие исследования необходимы не только для определения возможности спуска в скважину насоса. Периодические термометрические исследования скважины в режиме остывания (после обработки ее паром) позволяют получить информацию о распределении пара по разрезу пласта, основных принимающих интервалах, а также о возможных заколонных перетоках пара.
После первой обработки призабойной зоны скважины паром ее дебит по нефти увеличивается, как правило, в 3 – 5 раз, а продолжительность работы с повышенным дебитом может достигать 6 – 12 месяцев. После снижения дебита скважины до первоначального (до обработки) проводят второй цикл. От цикла к циклу эффективность обработки снижается. Общее количество эффективных обработок – 3 – 4, эффективность возрастает с увеличением пластового давления и толщины пласта.
Традиционные технологии теплового воздействия на пласт реализуют в две стадии: на первой стадии проводят обработки паром призабойных зон добывающих скважин, после чего, переходят к площадной закачке пара в нагнетательные скважины. При площадной закачке пара применяют такие же площадные системы, как при заводнении: пятиточечные, семиточечные, и др.
На залежах с аномально вязкой нефтью до перехода к площадной закачке пара проводят 1
– 2 обработки паром призабойных зон нагнетательных скважин с целью увеличения их приемистости.
Наибольший опыт проведения циклических обработок паром призабойных зон добывающих скважин в Российской федерации накоплен на пермокарбоновой залежи Усинского месторождения, где ежегодно проводится по 40 – 50 таких обработок. Пермокарбоновую залежь
Усинского месторождения, которая характеризуется аномально высокой вязкостью нефти, разрабатывают с применением тепловых методов воздействия.
Опыт применения тепловых МУН на пермокарбоновой залежи Усинского месторождения показал, что здесь циклические обработки паром призабойных зон вертикальных добывающих скважин, несмотря на их эффективность, не следует рассматривать как самостоятельный вариант теплового воздействия, так как даже массовое проведение таких обработок не позволит повысить нефтеотдачу пласта более чем на 14 – 15%.
Площадная закачка пара. К факторам, повышающим нефтеотдачу при закачке пара, относятся следующие.
– Снижение вязкости нефти (основной фактор). Так, при повышении температуры Ярегского пласта с 10 до 70 – 80°С вязкость нефти снижается с 12000 до 40 мПа·с, в 300 раз (Ярегское месторождение высоковязкой нефти, Ухтинский район Республики Коми).
– Термическое расширение пластовых жидкостей.
– Снижение растворимости газа в нефти, выделение газа и активизация режима растворенного газа, который в ряде случаев, становится основным фактором повышения нефтеотдачи.
– Интенсификация капиллярной пропитки водой. Установлено существование начальной температуры капиллярной пропитки, ниже которой пропитка не происходит. Так, карбонатная нефтесодержащая порода пермокарбоновой залежи Усинского месторождения становится гидрофильной при температуре более 100 – 150°С, а при увеличении температуры до 200 – 250°С коэффициент вытеснения нефти водой из образцов керна достигает 0,30 – 0,35%.
– Дистилляция нефти паром и смешивающееся вытеснение. В зоне пара происходит испарение легких компонентов нефти, которые переносятся вперед к не нагретым участкам пласта, где конденсируются и участвуют в повышении нефтеотдачи как углеводородные растворители.
СПБГУАП группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts