166151 (Микроэмульсии для очистки от масел и загрязнений иной природы), страница 3

Любой процесс нефтевытеснения, следующий за заводнением, относят к повышенной или третичной нефтеотдаче. Закачка растворов ПАВ, называемая микроэмульсионным заводнением, достаточно перспективна в этом плане. Интерес к микроэмульсиям с точки зрения повышения нефтеотдачи вызван их способностью понижать межфазное натяжение до ультранизких значений.

Рис. 17. Схема добычи нефти

В связи с этим считали, что добыча нефти с помощью ПАВ будет чрезвычайно выгодна экономически. В настоящее время улучшение техники бурения привело к снижению интереса к использованию микроэмульсий для нефтевытеснения. Поскольку было потрачено очень много усилий на развитие процессов с использованием ПАВ и исследования позволили существенно продвинуться в понимании фазового поведения систем масло-вода-ПАВ, ниже кратко обсуждается это проблема.

Главная причина неэффективности заводнения нефтеносного пласта состоит в том, что нефть в результате действия капиллярных сил оказывается запертой в порах и образует отдельные не связанные «ганглии». На рис. 18 показаны два различных механизма капиллярного захвата нефти, а именно, захват нефти в «капкан» в более широкой части поры и процесс шунтирования, вызванный конкуренцией течения по порам. Захват в «капкан» происходит в порах с большим соотношением объема поры и ее сечения. Смачивающая фаза формирует ободок вокруг несмачивающей фазы, которая в конечном итоге разрывается в узких сечениях. Шунтирование вызывается разницей размеров пор. Вязкостные силы заставляют жидкость течь быстрее по более широким каналам, в то время как капиллярные силы лучше всасывают вытесняющую фазу в поры меньшего размера. Таким образом, в условиях, когда течение связано с впитыванием, т. е. при низких скоростях инжектирования и небольшой вязкости вытесняющей среды, нефть захватывается преимущественно большими порами.

Рис. 18. Механизмы захвата нефти в порах: «капкан», шунтирование

Количество нефти, остающейся после заводнения месторождения, зависит от соотношения вязких сил, способствующих вытеснению нефти, и капиллярных сил, захватывающих нефть в порах. Для характеристики соотношения вязких и капиллярных сил используется безразмерная величина — капиллярное число N_c:

где м — вязкость и н — скорость движения вытесняющей жидкости.

Экспериментально установлено, что насыщение пространства пор остаточной нефтью становится постоянным, когда N_c снижается до некоторого значения, лежащего в интервале IO-IO^-5. Обычное заводнение характеризуется значениями N_c ниже указанной области. При значениях выше критического остаточное насыщение после заводнения падает практически линейно с увеличением Ig N_c.

Таким образом, путь для достижения хорошей нефтеотдачи заключается в достижении высоких значений N_c. В принципе увеличение N_c можно добиться, во-первых, за счет увеличения вязкостных сил скорости закачки воды), во-вторых, за счет снижения капиллярных сил, в-третьих, путем комбинации обоих факторов. Возможность увеличения вязкостных сил на практике оказывается ограниченной: высокое давление воды приводит к разрушению нефтеносной породы, а большие разрушения снижают эффективность вытеснения. Таким образом, остается одна переменная — межфазное натяжение на границе нефть-вода, которое требуется снизить до очень малых значений. Нетрудно показать, что, по крайней мере для породы, смачиваемой водой, для сообщения нефти подвижности и увеличения нефтеотдачи требуется снижение межфазного натяжения до значений порядка 10^-3 мН/м.

Необходимость ультранизкого межфазного натяжения

С увеличением гидрофобности ПАВ происходят переходы от двухфазной системы, состоящей из микроэмульсии «масло в воде», находящейся в равновесии с избытком масла, к трехфазной системе, состоящей из микроэмульсии, сосуществующей с фазами масла и воды, и далее к системе, состоящей из микроэмульсии «вода в масле» в равновесии с избытком воды. Межфазное натяжение на границе масло-вода имеет глубокий минимум в трехфазной области. Другими словами, y₀/_w снижается при переходе системы, соответствующей микроэмульсии типа Винзора I, к микроэмульсии типа Винзора III; оно минимально в середине области микроэмульсии этого типа и затем повышается при переходе в область микроэмульсии типа Винзора II.

Указанные переходы осуществляются путем повышения температуры для композиций на основе НПАВ или увеличением концентрации соли для систем, в которых используются ионные ПАВ. Условие, при котором гидрофильные и липофильные свойства ПАВ оказываются сбалансированными, называют температурой инверсии фаз для НПАВ, для которых температура является главным переменным параметром. Для ионных ПАВ такое состояние часто называют оптимальными условиями, например оптимальное содержание солей. В этой точке среднефазная микроэмульсия способна солюбилизировать равные объемы масла и воды, а межфазные натяжения достигают минимальных значений.

Рис. 19. Зависимость межфазного натяжения от температуры для системы масло-вода-НПАВ. Символы гп/w, Ym/o и Ym/w соответствуют межфазному натяжению на границах мало-вода, средняя фаза-масло и средняя фаза-вода. Система сбалансирована при 30⁰C

В лабораторных экспериментах было обнаружено, что композиции ПАВ, образующие микроэмульсии типа Винзора III с данными маслом и рассолом при температурах, характерных для выбранного нефтяного месторождения, способны заметно повысить нефтеотдачу.

Необходимость композиций без ко-ПАВ

Расстояние между нагнетательными скважинами, через которые производится закачка воды, и эксплуатационными скважинами, через которые выкачивается нефть, обычно бывает большим. Желательно поэтому, чтобы композиции, использующиеся для повышения нефтеотдачи, содержали как можно меньше ПАВ. Смеси различных ПАВ или комбинации ПАВ-ко-ПАВ обладают тем недостатком, что по мере продвижения по порам породы происходит их разделение, т. е. порода действует как длинная хроматографическая колонка. Следовательно, искомые ПАВ должны обладать следующими свойствами.

1) Образовывать микроэмульсии типа систем Винзора III с нефтью данного месторождения и рассолом при температуре нефтяного пласта.

2) Быть гидролитически стабильными в течение длительного времени в условиях пласта.

3) Не осаждаться в жесткой воде.

4) Не адсорбироваться сильно на поверхности минералов пласта.

В дополнение к указанным требованиям необходимо учитывать и более «тривиальные» аспекты: стоимость, токсичность и биоразлагаемость ПАВ. Некоторые лаборатории проявили интерес в связи с этим к разветвленным этоксилированным алкилсульфонатам и ал кил сульфатам. Представители таких соединений показаны схематически на рис. 20.

На рис. 21 показана зависимость относительных объемов фаз от концентрации ПАВ для системы, содержащей этоксилированный алкилсульфонат с разветвленным гидрофобным радикалом, структура которого отвечает общей структуре, представленной на рис. 20. ПАВ подобрано с учетом специфических условий пласта. Обратим внимание, что переход система Винзора I —> система Винзора III —> система Винзора II происходит при разбавлении раствора ПАВ, что важно учитывать для оптимизации процесса нефтевытеснения. В системе, представленной на рис. 21, переход от микроэмульсии типа Винзора I к микроэмульсии Винзора III происходит при концентрации ПАВ, равной 1%, а от микроэмульсии Винзора III к микроэмульсии Винзора II — вблизи концентрации 0.25%. Система оказалась высокоэффективной в опытах по вытеснению нефти из заводненного нефтяного пласта. Из нефтяной породы, где половина пор заполнена нефтью, при прокачке раствора, содержащего 2 мае. % ПАВ в морской воде, было выделено 89% нефти, оставшейся в породе после обводнения.

Рис. 20. ПАВ — производные разветвленных этоксилированных алкилсульфонатов или этоксилированных алкилсульфатов, перспективные для использования в целях повышения нефтеотдачи

Рис. 21. Зависимость относительных объемов фаз от концентрации разветвленного этоксилированного этилсульфоната при исходном соотношении объемов вода/масло, равном 4

При концентрации ПАВ выше 1% и ниже 0.25% образуются двухфазные системы: микроэмульсия «масло в воде» в равновесии с маслом и «вода в масле» равновесии с водой соответственно. В области промежуточных концентраций ПАВ образуется трехфазная система, состоящая из промежуточной фазы микроэмульсии в равновесии с избытками масла и воды

Новое направление в технологиях заводнения с использованием ПАВ заключается в составлении композиций вытесняющих жидкостей из смесей анионного ПАВ с отрицательно заряженным водорастворимым полимером. Оно получило название «полимерное заводнение с низким межфазным натяжением» или, что правильнее, «полимер-усиленное заводнение», и позволяет достичь сверхнизкого межфазного натяжения при сильно пониженном содержании ПАВ. Полимер, использующийся в минимальных концентрациях, вытесняет ПАВ из водного раствора, способствуя его накоплению на межфазных границах. Еще один эффект от введения полимера заключается в уменьшении KKM ПАВ. Анионные полисахариды, например ксантан и склероглюкан, а также сульфонированные полиакриламиды оказались пригодными для таких целей. Требования к ПАВ в таких системах те же, как и при обычном заводнении растворами ПАВ, т. е. ПАВ должно образовывать микроэмульсию без добавок ко-ПАВ и т. д. Как и при обычном заводнении, вытесняющая жидкость продвигается вперед вязкой пробкой, причем полимер может быть другим или тем же самым, который входит в состав композиции с ПАВ.