книги из ГПНТБ / Муравьев, Виталий Михайлович. Новые методы вытеснения нефти из пластов

ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

В. М. МУРАВЬЕВ

НОВЫЕ МЕТОДЫ

ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ИЗ ПЛАСТОВ

Моск в А —1960

Отдел научно-технической информации ВИНИТИ

Сектор нефтяной промышленности

ВВЕДЕНИЕ

Движение нефти в пористом пласте к забоям нефтяных скважин и последующий подъем ее на поверхность через эти скважины происходят за счет расходования естественной пластовой энергии, запасы которой имеются в каждом неф­ тяном пласте.

Основными видами пластовой энергии являются энергия,

контурных вод и энергия сжатого газа, свободного или

растворенного в нефти.

При разработке нефтяной залежи пластовая вода или газ оттесняют нефть в зоны с пониженным давлением, т. е. к за­ боям эксплуатирующихся нефтяных скважин, и занимают ее место в порах пласта. Однако механизм вытеснения нефти водой и газом различен, различны также темпы и степень вытеснения нефти, т. е. текущая добыча и суммарная нефте­

отдача пласта. В том случае, когда нефть вытесняется водой

(в условиях проявления водонапорного режима работы плас­ та), суммарная нефтеотдача достигает 50—80% первоначаль­ ных запасов нефти в пласте.

При вытеснении нефти газом, скопившимся в процессе

формирования залежи в повышенных зонах пласта (газо­ напорный режим работы пласта), нефтеотдача может дости­ гать 40—70%.

Значительно меньшая степень извлечения нефти наблю­ дается в тех случаях, когда газ, вытесняющий нефть, выде­ ляется из нее в виде отдельных пузырьков при снижении давления ниже некоторой критической величины, называемой давлением насыщения. Такой режим работы пласта носит название газового или режима растворенного газа. При та­ ком режиме нефтеотдача обычно не превышает 15—30%.

тями извлечения которой давно работают ученые всего мира.

За последние годы в СССР и за рубежом при разработке

нефтяных месторождений все больше начинают применяться искусственные методы воздействия на пласты,

-= 3 —

Повышение степени извлечения нефти из пластов при за­ контурном и внутриконтурном заводнении может быть до­ стигнуто путем обработки воды различными добавками, по­ вышающими ее вытесняющую и вымывающую способность.

Лабораторные работы в этом направлении проводятся как

за рубежом, так и в наших отечественных научно-исследо­ вательских институтах.

. Увеличение нефтеотдачи путем закачки в пласты сжижен­ ных газов основано на том положении, что сжиженный газ и нефть являются смешивающимися жидкостями. Экспери­ ментально установлено, что взаимосмешивающиеся жидкос­ ти могут полностью вытеснять друг друга при движении в по­ ристой среде.

Увеличение нефтеотдачи при закачке в пласты сжатого газа высокого давления основано на использовании явления

обратного испарения. При прокачке через истощенную неф­ тяную залежь газа высокого давления может происходить переход (испарение) некоторого количества легких компонен­ тов нефти в закачиваемый газ. Нефтяные компоненты, рас­

творившиеся в газе, могут быть снова выделены из газа.

Применение сжиженного и сжатого газа для увеличения нефтеотдачи успешно проверялось в лабораторных установ­ ках как у нас, так и за границей. В США проводились опыт­ ные промысловые испытания вытеснения нефти сжиженным газом.

Применение сжатого газа для извлечения остаточной нефти испытывалось в промышленном масштабе в США.

Над проблемой термического воздействия на пласт, включающей в себя как подземную газификацию нефти, так и прогрев пласта различными теплоносителями, научные организации и отдельные исследователи работают уже в те­

чение нескольких десятилетий. По этому вопросу имеется обширный материал, опубликованный в зарубежной и оте­

чественной специальной литературе. Однако несмотря на

многочисленность лабораторных и производственных работ, проблема термического воздействия на пласт окончательно­

го разрешения до настоящего времени не получила, хотя по итогам проведенных исследований уже можно судить о наи­ более эффективных и перспективных направлениях даль­ нейших разработок в этой области.

УВЕЛИЧЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ

ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ НЕФТЕВЫМЫВАЮЩИХ СВОЙСТВ ЗАКАЧИВАЕМОЙ В ПЛАСТ ВОДЫ

. Каждая горная порода обладает той или иной порис­

тостью, т. е. имеет между зернами, складывающими породу,

пустоты или поры, соединяющиеся между собой каналами.

Эти каналы по величине их диаметра делятся на сверхка­ пиллярные, капиллярные и субкапиллярные.

Сверхкапиллярные каналы имеют диаметр боль­ ше 0,5 мм. Жидкость движется в них, подчиняясь законам гидравлики. Эти каналы могут образоваться в породах,

имеющих крупные зерна, например в гравийных породах.

Капиллярные каналы имеют диаметр от 0,5 до 0,0002 мм. При движении в них жидкости в числе действую­ щих сил проявляются поверхностные силы, возникающие на поверхности тел: поверхностное натяжение, капиллярные си­

лы, силы прилипания и сцепления и т. п.

Эти силы препятствуют свободному движению жидкости через капиллярные каналы, поэтому непрерывное движение в каналах возможно только под действием добавочных сил, достаточных для преодоления поверхностных сил.

Суб капиллярные каналы имеют диаметр мень­ ше 0,0002 мм. Поверхностные силы в таких микроскопичес­ ких каналах так велики, что обычно имеющиеся в пластовых условиях двигательные силы не в состоянии преодолеть их:

поэтому движения жидкости в субкапиллярных каналах

практически не происходит. Жидкость насыщает породу, имеющую субкапиллярную структуру, и переходит в связан­ ное с породой состояние, после чего движение прекращается.

Породы нефтяных залежей в своем большинстве имеют капиллярные поры, поэтому при движении нефти в пласте

действуют силы, препятствующие этому движению.

В том случае, если поверхность породы гидрофобна. т. е. избирательно лучше смачивается нефтью, на поверхнос­ ти зерен породы действуют силы сцепления и прилипания

между породой и нефтью. Чем больше смачиваемая поверх­ ность породы, т. е. чем меньше зерна породы, тем сильнее сказывается действие этих сил и тем большее количество

нефти в виде пленки остается в породе после вытеснения из

пласта основной массы нефти.

В большинстве случаев поверхность пород в нефтяных

коллекторах гидрофильна, т. е. избирательно лучше сма­

чивается водой. В этом случае вода в виде тонкой пленки

обволакивает зерна породы, в то время как нефть занимает центральную зону порового пространства.

Когда жидкость движется через поры, межфазовые силы между водой и нефтью притягивают небольшие капельки нефти, которые остаются в порах пласта и не могут быть извлечены путем естественного напора или нагнетания воды. Межфазовые или капиллярные силы оказывают сопротивле­ ние деформации пленки и препятствуют прохождению капель

нефти через суженные участки порового канала. Для пре­ одоления межфазовых сил необходимо иметь избыток в пе­ репаде давления сверх нормального перепада, расходуемого

— 6 —

на извлечение нефти. Величина дополнительного капилляр;

ного давления прямо пропорциональна поверхностному на­

тяжению и обратно пропорциональна радиусу кривизны кон­ тактной поверхности.

Чем больше поверхностное натяжение нефти, тем в боль­

шей степени капиллярные силы препятствуют извлечению нефти.

При небольших радиусах кривизны, что характерно для меньших пор в низкопроницаемых коллекторах, капиллярные силы могут достигать очень больших величин и оказывать сильное сопротивление извлечению нефти. Доказано, что мак­

симального извлечения оставшихся капель нефти можно достичь, если уменьшить натяжение межфазовой пленки/

При снижении межфазового натяжения до нуля вода почти

полностью смешалась бы с нефтью и всю нефть удалось бы вытеснить перед фронтом вытесняющей воды.

Различные жидкости обладают разным поверхностным на­ тяжением, что объясняется неодинаковым объемом полярности молекул, т. е. способностью молекулы к образованию водо­ родной связи. По сравнению с другими жидкостями вода обладает повышенным поверхностным натяжением. Так, коэффициент поверхностного натяжения на границе жид­ кость— воздух для этилового спирта равен 22,03 дин/см, для ацетона—23,7 дин!см, для бензина—28,88 дин!см, а для во­ ды—72,58 дин!см.

Поверхностное натяжение на границе раздела между дву­

мя не смешивающимися жидкостями обычно бывает меньше, чем на границе раздела между жидкостью и газом. Так, напри­ мер, поверхностное натяжение на границе раздела между морской водой и воздухом равно 72—73 дин/см, а на грани­ це раздела морская вода — нефть 22—24 дин/см.

Поверхностное натяжение как чистых жидкостей, так и растворов оказывает сильное влияние на размер капель при

вытекании их из какого-нибудь отверстия и на величину пу­ зырьков газа, пробулькивающего через раствор. Такое же сильное влияние на уменьшение размеров капель оказывает

поверхностное натяжение при истечении жидкостей из пор

горных пород, слагающих нефтяные пласты.

Таким образом, при вытеснении из пор пласта нефти во­ дой, несмотря на то, что вода занимает место вытесненной нефти, на зернах породы или внутри пор благодаря дей­

ствию поверхностных сил все же остаются пленки или ка­ пельки нефти. Смачиваемая поверхность зерен горных пород

чение степени извлечения нефти в данном случае может быть обеспечено лишь путем изменения поверхностно-молекуляр­ ных свойств полиминеральной среды в нефтяном коллекторе, что достигается применением воды, облагороженной поверх­ ностноактивными веществами.

Под поверхностноактивными веществами или детергента­ ми понимаются такие вещества, которые, будучи добавлены к воде или растворам, уменьшает их поверхностное натя­ жение.

Над применением поверхностноактивных веществ в неф­ тедобыче, в частности для увеличения нефтеотдачи пластов, советские и зарубежные ученые работают уже давно.

Проведенными экспериментальными исследованиями по вытеснению углеводородов из пористой среды установлено, что

одним из важнейших факторов, определяющих нефтевымы­ вающую способность воды, является величина поверхностно­ го натяжения на границе нефть — вода и величина краевого угла смачивания на границе нефть — вода — порода или ре­

зультирующая их величина натяжения смачивания.

Еще в 1940 г. научными сотрудниками АзНИИ по добы­ че нефти А. Т. Кочмаревым и Н. Г. Утштейн [2] при исследо­ вании отдельных пластовых жестких и щелочных вод место­ рождений Апшеронского полуострова было обращено внима­ ние на низкие величины поверхностных натяжений на грани­ це нефть — пластовые воды по сравнению с дистиллирован­

ной и морской водой.

В связи с этим было предложено заменить морскую воду пластовыми водами при промывке скважин и при вторичных методах эксплуатации.

В. Т. Малышек и А.;Т. Кочмарев, изучавшие в 1945 г.

пластовые воды в связи с их нефтевымывающей способ­ ностью, установили, что величина поверхностного натяжения на границе нефть — вода зависит как от солевого состава вод, так и от состава самих нефтей, а также от наличия в

водах и нефти поверхностноактивных веществ. Этими же исследователями найдено, что наиболее низкую величину поверхностного натяжения имеют пластовые щелочные во­ ды —от весьма малых значений до 7 дин[см. Это объясняет­ ся наличием в щелочных водах поверхностноактивных ве­ ществ.

Пластовые воды с более высокой минерализацией по срав­ нению со щелочными водами имеют более высокие величи­ ны поверхностных натяжений на границе со своими пласто­ выми нефтями, порядка 7—14 дин)см.

Морская вода на границе с бакинскими нефтями имеет величину поверхностного натяжения, равную 14—23 дин)см,

.а дистиллированная вода—20—34 дин[см.

— 8 —