Лекции по физики нефтяного пласта

Известно, что загущенная полимерами высоковязкая вода хорошо вытесняет нефть из породы, не обладая  при этом особыми моющими свойствами. Капиллярное давление, развиваемое  менисками в пористой среде, можно  уменьшить не только за счет смачивающих  свойств, но также и при снижении поверхностного натяжения воды на границе  с нефтью, например путем обработки  ее поверхностно-активными веществами. Тогда вода приобретает особо  ценные качества - улучшаются одновременно ее вытесняющие и моющие свойства.

Применение углекислого  газа для увеличения нефтеотдачи  пластов.

Углекислый газ, растворенный в воде или введенный в пласт  в жидком виде, благоприятно воздействует на физико-химические свойства нефти, воды и способствует увеличению нефтеотдачи  пластов. При этом улучшаются и фильтрационные свойства пластовой системы.

СО₂ —бесцветный газ тяжелее воздуха (ρ - 1,529). Критическая температура 31,05 °С Критическое давление Ркр = 7,38° МПа критическая плотность (ρ_кр = 468 кг/м³ при t = 20°C и под давлением Р = 585 МПа) превращается в бесцветную жидкость с плотностью Р = 770кг\м³ При охлаждении СО₂ застывает в белую снегообразную массу с плотностью Р = 1,65 г/см³ которая возгоняется при температуре - 78,5°С (при атмосферном давлении) Растворимость СО₂ в воде с увеличением давления возрастает с увеличением концентрации двуокиси углерода вязкость воды возрастает (при t=20°C и Р =11,7 МПа вязкость карбонизированной воды составляет 1,21 мПа *с).

Для увеличения нефтеотдачи  пластов углекислый газ в качестве вытесняющей нефть оторочки нагнетается  в сжиженном виде в пористой среде  и затем проталкивается карбонизированной  водой. При оторочке жидкой углекислоты, равной 4-5 % от объема пор обрабатываемого  участка, нефтеотдача возрастает более  чем 50% по сравнению с нефтеотдачей при обычном заводнении. Углекислый газ, растворяясь в нефти, уменьшает  ее вязкость. При этом возрастает объем нефти, а в некоторых случаях значительно снижается се поверхностное натяжение на границе с водой.  

Вытеснение нефти  из пласта растворами полимеров. 

Одна из основных причин низкой эффективности вытеснения нефти  из коллекторов неоднородность их физических свойств, в результате которой охват  пласта заводнением оказывается  невысоким. Идея использования полимеров  для повышения эффективности  процесса заводнения основана на способности  их водных растворов даже при низкой концентрации полимера значительно  снижать соотношение вязкости нефти  и воды (μ_о=μ_н\μ_в) и уменьшить подвижность последней в высокопроницаемых пропластках, выравнивая продвижение водонефтяного контакта. В качестве добавок к воде используются полиакриламид (ПАА) и другие полимеры с массовой долей, равной 0,05-0,7%.

Вязкостные свойства растворов  полимеров зависят от концентрации вещества, свойств и состава растворителя, степени гидролиза ПАА.

По реологическим характеристикам  растворы полимеров относятся к  неньютоновским жидкостям, т.е. зависимость  между скоростью их течения и  градиентом давления нелинейная. По характеру  течения растворы полимеров проявляют  себя как псевдопластики и как  псевдодилактактные жидкости.

В значительно степени  вязкость растворов полимеров зависит  от состава и концентрации солей-добавок  солей NaCl. CaCl₂ MgCl₂ MgCl₂ FeCl₃ значительно снижает их вязкость, причем с увеличением валентности катиона интенсивность понижения вязкости возрастает.

С увеличением концентрации полимера в растворе фазовая проницаемость  пористой среды для смачивающей  фазы уменьшается, а проницаемость  для углеводородной жидкости при  одной и той же насыщенности возрастает. По данным лабораторных опытов, нефтеотдача  может возрастать при вытеснении нефти полимерными растворами на 15-20%.

Щелочное и  термощелочное заводнение. 

Водные растворы щелочей  способны снижать поверхностное  натяжение на границе нефтью, содержащей природные поверхностно активные вещества (ПАВ) и нафтеновые кислоты. Щелочные воды способствуют повышению коэффициента охвата пласта заводнением. Механизм проявления щелочей тесно связан с процессами их взаимодействия с нафтеновыми  кислотами и другими составляющими  нефтей и образованием в пластовых  условиях новых ПАВ, которые в  смеси с другими ПАВ, присутствующими  в нефти способствуют значительному  снижению поверхностного натяжения  нефти на границе со щелочной водой. В нефтяных СНГ количество нефтяных кислот изменяется в широких пределах от долей единицы до 2,5%.

Нежелательными компонентами в нефти при заводнении с использованием щелочей являются газы H₂S, CО₂ которые способны связывать некоторое количество щелочей и уменьшать их концентрацию в растворе. Присутствие в пароде гипса и ангидрита отрицательно сказывается на результатах заводнения вследствие растворения CaSО₄ и выпадения из раствора осадков Са(ОН)₂. Глинистые компоненты породы с высокой интенсивностью ионного обмена способствуют снижению концентрации NaOH в растворе вследствие его нейтрализации нонами кальция и магния. По лабораторным данным, использование щелочных вод способствует увеличению коэффициента вытеснения на 15-20%.

Мицеллярные растворы.

Процесс вытеснения нефти  водой может быть приближен к  условиям фильтрации однородных систем без влияния на движения флюидов  многочисленных границ раздела, если между  нефтью и водой поместить оторочку мицеллярного раствора (смесей углеводородных жидкостей, воды и поверхностно - активных веществ, растворимых в углеводородах, и стабилизаторов). В качестве стабилизаторов обычно используются спирты (изопропиловый, бутиловый и др.) Углеводородную часть мицеллярного раствора может  составлять легкая нефть фракции  C₅₊₁.

Нефтерастворимыми поверхностно-активными  веществами (ПАВ) являются нефтяные сульфанаты, алкиларисульфанаты, алкилфенолы. При  содержании в системе ПАВ концентрации выше критической концентрации мицеллообразования ПАВ находится в растворе в  виде сгустков (мицелл), которые способны поглощать жидкость, составляющие их внутреннюю фазу. При значительной концентрации ПАВ последние в  процессе перемешивания вместе с  нефтью и водой образуют нефтеводяные агрегаты - мицеллы, строение которых  зависит от количественного состава  компонентов и их свойств.

Несмотря на содержание в  таком мицеллярном растворе до 95% воды, он хорошо смешивается с нефтью, ибо внешней фазой даже при  большой концентрации воды в системе  оказывается нефть.Внешне мицеллярные  растворы представляют собой однородные прозрачные или полупрозрачные жидкости (размеры мицелл 10^-5 — 10^-б мм). По реологическим свойствам они относятся к ньютоновским жидкостям. Соли, присутствующие в воде снижают вязкость растворов. 

Теоретические способы  увеличения нефтеотдачи.  

При нагнетании в пласт  горячей воды повышение температуры  вызывает понижение вязкости нефти, изменение молекулярно-поверхностных  сил расширение нефти и горных пород, улучшение смачивающих свойств  воды. Движение горячей воды в пласте сопровождается уменьшением фильтрационных сопротивлений в горячей зоне. Со временем прогреваются и включаются в разработку малопроницаемые участки, которые были обойдены или слабо  промыты холодной водой.