CC BY
53
ДОБЫЧА
УДК 622.276.344:577
53
Получение устойчивых эмульсий из разнополярных не смешивающихся жидкостей для вытеснения нефти из пласта
Ю.А. Беляев
ст.н.с. , канд. техн. наук1 [email protected]
В.Н. Фомин
вед.н.с., докт. техн. наук1 [email protected]
А.Г. Чукаев
вед.н.с., докт. техн. наук1 [email protected]
1 Научный центр
нелинейной волновой механики и технологии РАН, Москва, Россия
Экспериментально исследовалась возможность выбора оптимального эмульгатора-стабилизатора из восьми претендентов для получения в его присутствии устойчивой эмульсии. Применение оптимального эмульгатора-стабилизатора в сочетании с волновой технологией перемешивания позволило получить тонкодисперсные устойчивые эмульсии масло-вода и вода-масло, которые затем использовались в качестве вытесняющего агента на трубчатой модели нефтяного пласта Соснинской и Мангышлакской нефти. Применением эмульсий в этих условиях позволило дополнительно вытеснить от 13 до 19% нефти в зависимости от её состава.
Материалы и методы
Эмульгаторы-стабилизаторы различного строения, волновая технология смешения, трубчатая модель нефтяного пласта
Ключевые слова
нефть, эмульсия, эмульгатор-стабилизатор, волновая технология, трубчатая модель нефтяного пласта
Основные месторождения России переходят на позднюю стадию разработки, характеризующуюся пассивным ростом обводнённости и снижением темпов отбора нефти. Резкое понижение коэффициента нефтеизвлечения вызывается рядом причин, основными из которых являются:
• изменение состава и структуры нефти под воздействием закачиваемой воды;
• интенсификация выделения асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), вследствие снижения пластовой температуры;
• кольматация призабойной зоны пласта, как результат взаимодействия породы с водой и примесями в ней.
Остаточная нефть в пластах удерживается главным образом в виде капель, а также нефтяных микро- и макроцеликов. К настоящему моменту выяснено, что остаточная нефть в поровой части оказывается более вязкой, более насыщенной тяжелыми компонентами АСПО и для ее вытеснения требуется большая удельная работа. Превалирующее число существующих и вновь разрабатываемых методов увеличения нефтеотдачи (МУН) связано с многообразием физических процессов, происходящих в нефтяном пласте при его разработке, но в конечном итоге направлено на вовлечение остаточной нефти в фильтрационный поток от нагнетательных к добывающим скважинам [1, 2].
Самым распространенным МУН является искусственное заводнение, с помощью которого восполняется энергия пластов и появляется возможность регулирования охвата пластов различными гидродинамическими методами. Наличие зон с различной проницаемостью приводит к кратковременному положительному эффекту заводнения. Прорыв пластовых и закачиваемых вод по отдельным высокопроницаемым пластам и пропласткам ведёт к быстрому обводнению
добываемой продукции. В этих условиях ограничение движения вод в высокопроницаемой части коллектора становится необходимым фактором улучшения метода заводнения. С этой целью еще в середине прошлого века начали осуществлять полимерное и щелочное заводнение. Добавки полимеров приводят к повышению вязкости воды, уменьшению соотношения подвижности воды и нефти, снижению возможности прорыва воды, обусловленной неоднородностью пласта. Растворы щелочи при взаимодействии с компонентами пластовых вод приводят к образованию водоизолирующих осадков, закупоривающих водопромытые зоны пласта.
Однако, экономическая эффективность такого ограничения водопритока оказалась невысокой, вследствие необходимости закачки больших объемов реагентов. Поэтому в настоящее время предпочтение отдается технологиям с применением малообъемных закачек (оторочек), приводящим к созданию водоизолирующей блокады в призабойной зоне добывающих скважин. Для закачек же в нагнетательные скважины используют более дешевые и доступные реагенты [3].
Эффективным способом ограничения водопритока в скважины подошвенных и пластовых вод является применение обратных эмульсий в виде пенных систем [3]. Они способствуют очистке призабойной зоны пласта (ПЗП) за счёт диспергирования кольматирующих пласт глинистых веществ, парафина, АСПО и дальнейшее их удаление в процессе освоения скважин за счёт солюбилизирующего действия образовавшихся мицелл. Основным результатом этого процесса является вовлечение в разработку малопроницаемых пропластков, за счёт блокирования продвижения воды в промытых зонах в результате образования на поверхности водопроводящих каналов
N п/п Название Характеристика Физ. хим. состояние
1 оксиэтилированный амин + СаС0з ХЧ смесь реагентов 50:50
2 СаСОз ХЧ тв. порошок
3 оксиэтилированный амин ХЧ жидкость
4 Са(ОН)2 ХЧ взвесь
5 бЮ2 ХЧ тв. порошок
6 ТЮ2 ХЧ тв. порошок
7 олеиновая кислота ХЧ жидкость
8 мыло хозяйственное раствор в воде
Таб. 1 — Характеристика эмульгаторов-стабилизаторов
Вид эмульсии Плотность, кг/м3 Вязкость, Па • сек Дисперсность (средняя), мкм
прямая 973 0,001 2
обратная 951 0,5 1
Таб. 2 — Физико-химическая характеристика эмульсий
пузырьков газа и плёнок из коллоидно-дисперсных соединений, что способствует изоляции высокопроницаемых зон продуктивного пласта.
В присутствии катионов многовалентных металлов (Са+2, Ре+з), например, хлористого кальция или гидроксида кальция, в пласте происходит гидролиз силиката натрия с образованием вторичной плёнки из коллоидно-дисперсных частиц, которая благодаря дополнительным компонентам, препятствует утончению слоя плёнки из ПАВ нефти. Другим эффективным способом вовлечения в разработку низко проницаемых пропластков является применение обратной эмульсии, когда имеют место: низкое и среднее пластовое давление, неограниченная обводнённость скважины, чётко выраженная неоднородность пропластков, наличие глинистой корки на стенках скважины, наличие в терригенных породах глинистого цемента [4, 5].
Эффективность применения пенной системы зависит от её дисперсности, вязкости, устойчивости и состава. Для обработки нефтяных пластов с целью увеличения нефтеотдачи наиболее экономичными и эффективными будут водонефтяные (вода — нефть) или водомасляные (вода — масло) системы. Для получения тонкодисперсной высоко устойчивой эмульсии необходимо применение эмульгатора — стабилизатора (ЭС).
В Научном Центре «Нелинейной волновой механики и технологии» РАН разработаны научные основы волновой технологи. На этой базе проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку процессов диспергирования, эмульгирования, гомогенизации, которые могут найти широкое применение в нефтяной, нефтехимической и др. областях промышленности.
В качестве объектов исследования взяты две разнородные, несмешивающиеся жидкости разной полярности и значительной разности по плотности. В качестве среды принята вода дистллированная полярная жидкость, плотностью 1000 кг/м3.
В качестве фазы принято масло индустриальное марки И 50 А, ГОСТ 20799-88, не полярная жидкость, плотностью 0,882 кг/мз.
В качестве эмульгаторов-стабилизаторов взяты соединения, характеристика которых представлена в таблице 1.
Соотношение компонентов, % масс, вода : масло : эмульгатор-стабилизатор составляет 94,8 : 5 : 0,2.
В эксперименте поставлена задача — на лабораторной мешалке вихревого типа со скоростью вращения шпинделя 3000 об/мин. исследовать эффективность эмульгаторов-ста-билизаоров для получения тонкодисперсных высокостабильных эмульсий из разнородных не смешивающихся жидкостей и выбрать наиболее эффективный реагент для дальнейшего исследования.
Работу проводили по следующей методике. Расчётное количество компонентов в суммарном объёме 100 мл помещали в стакан, опускали в него турбулизатор (перфорированную лопатку) и проводили вращение в течении 5 мин. Полученную эмульсию анализировали с применением микроскопа ЛОМО — Микомед с увеличением 1500, что позволяло рассмотреть форму и размер капель эмульсии.
Динамика расслоения прямой эмульсии масло — вода представлена на рисунках 1.
На рисунке 2 представлен характер расслоения (разложения) обратной эмульсии в зависимости от состава эмульгатора — стабилизатора. Характер расположения кривых идентичен расположению на рис. 1.
По устойчивости (времени расслоения эмульсии) эмульгаторы-стабилизаторы для обеих эмульсий расположились в следующей последовательности: 1 — смесь оксиэтилиро-ванного амина (ОЭА) + карбоната кальция 50 : 50%, 2 — карбонат кальция, 3 — оксиэ-тилированный амин, 4 — кальций гидроксид , 5 — кремний диоксид, 6 — титан диоксид, 7 — олеиновая кислота, 8 — мыло хозяйственное, 9 — отсутствие ЭС. Из анализа графиков видно, что наименьшей устойчивостью обладала прямая эмульсия без применения эмульгатора, она разложилась через сутки. Дисперсность её составляла 5-15 мкм.
Характер расслоения прямой эмульсии для первых 4-х ЭС имеет систематическую закономерность. Кривые имеют «выпуклый» характер, т.е. на первой стадии эмульсии расслаиваются медленнее.
Реагенты под номерами 5, 6, 7 и 8 не показали высокой активности в стабилизации эмульсии. Наиболее вероятно, что эти реагенты являются не эффективными стабилизаторами эмульсии. Дисперсность эмульсий составляла 4-10 мкм. Более заметной устойчивостью обладали эмульсии, полученные с применением кальция гидроксида (4), оксиэтилированного амина (3) и кальция карбоната (2). Время расслоения эмульсий составляло соответственно 12, 16 и 18 суток. Наибольшей устойчивостью обладала эмульсия, полученная с применением смеси кальция карбоната и оксиэтилированного амина (ОЭА), которая составляла в данном случае 30 суток. По-видимому, в данном случае эмульгирующим компонентом являлся оксиэтилированный амин, а стабилизатором — карбонат кальция. Данная эмульсия имела дисперсность 3-4 мкм.
Устойчивость разложения обратной эмульсии имела ту же закономерность, что и для прямой. Как и в предыдущем случае, наиболее эффективным реагентом оказалась смесь ОЭА и карбоната кальция. Эмульсия разложилась на 38-е сутки. Дисперсность эмульсии составляла 2-3 мкм.
Данный эмульгирующий состав был выбран для получения эмульсии на волновом стенде С-100 производительностью до 1,5 м3/час при ранее полученных соотношениях компонентов. Основным звеном стенда являлся генератор волновых колебаний, разработанный на основе, созданной в НЦ НВМТ РАН под руководством академика Ганиева Р.Ф., теории нелинейных волновых колебаний многофазных систем [6]. Физико-химические характеристики полученной на стенде эмульсии представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы, вязкость обратной эмульсии много выше, чем у прямой. Эта эмульсия была применена с целью увеличения вытеснения нефти из модели пласта (трубчатая модель диаметром 0,03 и длиной 0,5 м.).
Установку загружали песком по стандартной методике и заполняли нефтью Со-снинского или Узеньского месторождения, после чего продавливали десятикратным объёмом воды при температуре 20°С и определяли объём вытесненной нефти, ко-
&
Рис. 1 — Динамика расслоения прямой эмульсии масл-вода в зависимости от состава эмульгатора-стабилизатора. 1 — оксиэтилированный амин + кльций карбонат 50 :50% ; 2 — кальций карбонат; 3 — оксиэтилированный амин; 4 — кальций гидроксид; 5 — кремний диоксид, 6 — титан диоксид; 7 — олеиновая кислота; 8 — мыло хозяйственное; 9 — отсутствие эмульгатора-стабилизатора
Рис. 2 — Динамика расслоения обратной эмульсии вода - масло. 1 — оксиэтилированный амин + кльций карбонат 50 : 50%; 2 — кальций карбонат;
3 — оксиэтилированный амин; 4 — кальций гидроксид; 5 — кремний диоксид, 6 — титан диоксид; 7 — олеиновая кислота; 8 — мыло хозяйственное, 9 — отсутствие эмульгатора-стабилизатора
торый составил 28,1% об. для Узеньской и 31,3% об. для Соснинской нефти. Далее в модель задавливали обратную эмульсию и вновь продавливали водой, было дополнительно вытеснено 15,6 и 18,1% об для Узень-ской и Соснинской нефти соответственно. При повторении эксперимента и задавли-вании в загруженную модель прямой эмульсии и дальнейшем вытеснении нефти водой, увеличение количества вытесненной нефти составило 13,3 и 19,1% об. для Узеньской и Соснинской нефти соответственно. Таким образом, эксперименты показали, что применение как прямой, так и обратной эмульсии позитивно влияет на вытеснение нефти из пласта, причём для более лёгких нефтей эффективность вытеснения выше.
Итоги
Экспериментально исследовалась возможность выбора оптимального эмульгатора-стабилизатора из восьми претендентов для получения в его присутствии устойчивой эмульсии.
Выводы
1. На лабораторной установке проведены испытания восьми эмульгаторов-стабилизаторов и найден оптимальный
с точки зрения получения высоко устойчивой эмульсии.
2. На пилотном стенде С-100 с применением оптимально эффективного эмульгатора-стабилизатора получена высоко устойчивая эмульсия прямого и обратного типа.
3. На лабораторной модели пласта трубчатого типа проведено испытание применения обратной и прямой эмульсии с целью более полного вытеснения нефти из модели пласта насыщенной парафинистой (Соснинской) и тяжёлой смолистой (Узеньской) нефтью.
4. В результате эксперимента дополнительное увеличение вытесненной нефти составило от 13 до 19% об.
Список использованной литературы
1. Муслимов Р.Х., Сулейманов Э.О., Землянский В.В., Юлгушев Э.Т. Результаты применения новейших методов увеличения нефтеотдачи пластов на девонских залежах Ромашкинского месторождения // Интервал. 2002. № 3. С. 21-25.
2. Бриллиант Л.С., Козлов А.И., Ручкин А.А., Осипов М.Л, Шарифуллин Ф.А., Цыкин И.В. Совершенствование технологии ограничения водопритока
в скважинах Самотлорского месторождения // Нефтяное хозяйство. 2000. № 9. C. 72-75.
3. Демахин С.А., Демахин А.Г., Селективные методы изоляции в одопритока. Саратов:
ГосУНЦ «Колледж», 2003. 250 с.
4. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложнённых условиях. М.: Недра, 2000. 230 с.
5. Беляев Ю.А., Фомин В.Н., Чукаев А.Г. Исследование процесса применения обратной и прямой эмульсии для увеличения охвата пласта и количества вытесненной нефти // Экспозиция Нефть Газ. 2011. №2/Н. С. 22-23.
6. Ганиев Р.Ф. Волновые машины и технологии. М.: НИЦ «Регулярная
и хаотическая динамика», 2008. 192 с.
ENGLISH
OIL PRODUCTION
Obtaining stable emulsions of different ways — polar immiscible liquids to displace oil from the reservoir
UDC 622.276.344:577
Authors:
Yuriy A. Belyaev — ph.D.1; [email protected] Viktor N. Fomin — ph.D.1; [email protected] Aleksey G. Chukaev — ph.D.1; [email protected]
Scientific Center of Nonlinear Wave Mechanics and Technology RAS, Moscow, Russian Federation
Abstract
Experimentally investigated the possibility of selecting the optimal emulsifier-stabilizer of the eight contenders for his presence in a stable emulsion. The use of optimal emulsifier-stabilizer in combination with wave mixing technology yielded fine stable oil-water and water-in-oil, which is then used as the displacement agent on the tubular model oil reservoir Sosninskay's and Mangyshlak's oil. The use of emulsions in these conditions has additionally displace 13 to 19% of oil, depending on its composition.
Materials and methods
Emulsifiers-stabilizers of different structures, the wave mixing technology, tube model of oil reservoir.
Results
Experimentally investigated the possibility of selecting the optimal emulsifier-stabilizer of the eight contenders for his presence in a stable emulsion.
Conclusions
The use of optimal emulsifier-stabilizer in combination with wave mixing
technology yielded fine stable oil-water and water-in-oil, which is then used as the displacement agent on the tubular model oil reservoir Sosninskaya and Mangyshlak oil. The use of emulsions in these conditions has additionally displace 13 to 19% of oil, depending on its composition.
Keywords
oil emulsion, the emulsifier, stabilizer, wave technology, tube model oil reservoir
References
1. Muslimov A.D., Suleimanov E.O., Zemlyansky V.V., Yulgushev E.T. Rezul'taty primeneniya noveyshikh metodov uvelicheniya nefteotdachi plastov na devonskikh zalezhakh Romashkinskogo mestorozhdeniya [The results of the latest methods of enhanced oil recovery in the devonian deposits Romashkinskoy's field]. Interval, 2002, issue 3, pp. 21-25.
2. Briliant L.S., Kozlov A.I., Ruchkin A.A., Osipov M.L., Sharifullin F.A.,
Tsykin I.V. Sovershenstvovanie tekhnologii
ogranicheniya vodopritoka vskvazhinakh Samotlorskogo mestorozhdeniya [Improving the technology to reduce water in Samotlor's wells]. Oil Industry, 2000, issue 9, pp. 72-75.
3. Demahin S.A., Demahin A.G. Selektivnye metody izolyatsii vodopritoka [Selective methods of water shut]. Saratov: GosUNTs College, 2003, 250 p.
4. Persiyantsev M.N. Dobycha nefti v oslozhnennykh usloviyakh
[Oil extraction in the difficult conditions]. Moscow: Nedra, 2000, 230 p.
5. Belyaev Ya.A., Fomin V.N., Chukaev A.G. Issledovanie protsessa primeneniya obratnoy i pryamoy emul'sii dlya uvelicheniya okhvata plasta i kolichestva vytesnennoy nefti [Study of the application
of the inverse and direct emulsion to increase sweep efficiency and the amount of displacement of oil]. Exposition Oil Gas, 2011, issue 2/H, pp. 22-23.
6. Ganiev R.F. Volnovye mashiny i tekhnologii [Wave machines and technology]. Moscow: Dynamika, 2008, 192 p.
