Ali_Anis_Hamuda._Vliyanie_temper-ry_i_ionov_na_smachiv._melovyh_porod
.pdfАкадемическая лекчия • РГУ и.чени ИМ Гу(жина. май 2009 r., А.А. Хамуда (Университет Ставаиrера)
кальцита гидролизована слоем н+ и он-. чтобы скомпенсировать ло
кальный дисбаланс заряда. Кроме того, и другие ионы могут адсор
бироваться в слое Штерна, когда ис•!езают ИОНЫ н+ и он-. отделяю
щие их от свободной поверхности, и если они обладают склонностью к образованию трехмерных структур (выделений). В свете предло женной модели модифицированного электрического двойного слоя,
здесь предпринята попытка объяснить механизмы модифициrования
поверхности кальцита двумя ионами (Mg2+ и SO~-).
При растворении в воде соли магния (MgCI2) ионы Mg2< могут об-
разовывать гидроксильные группы согласно уравнению
Эта реакция нарушает равновесие зарядов, способствуя по
вышению активности ионов он- в основном растворе и увеличе
ниюрН.
Степень развития данной реакции можно оценить по доле обра
зующихся ионов |
MgOH+, исходя из следующего уравнения и кон |
||
станты равновесия |
lg К= -11,48 . |
|
|
|
а |
+ = [MgOH+] =( 1_ [Н+]) |
|
|
MgOH |
Мgт |
К . |
Оцененные соотношения составляют около 4·1 0-4 и 1,3·1 о-3 в от
сутствии и в присутствии кальцита, соответственно; т.е. в присутст
вии кальцита амgан+ возрастает примерно на 68 %.
В работе Morse и др. [9] nредложена модель общего процесса
сорбции, приводящего к образованию поверхностного смешанного
карбонатного твердого раствора, в которой адсорбция и последующее
включение Mg в кристаллическую решетку кальцита являются двумя
11
Академическая лекция в РГУ имени ИМ Гvб~еи11а. май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставангера)
разными кинетическими процессами [10]. Как только на поверхности
кальцита сформировался слой, обогащенный магнием, ионы Mg2+
становятся ионами, определяющими потенциал поверхности, и отве
чают за последовательное развитие положительного поверхностного
заряда. Это подтверждается и данными работы Gomari, Karoussi и
Hamouda [12]. Рис. б демонстрирует изменение поверхностного по
тенциала в сторону более положительных значений в присутствии
ионов магния с концентрацией О, 1М.
Вышеприведенное обсуждение позволяет предположить, что ионы
магния образуют гидроксильные группы MgOH+, нарушающие
равновесие зарядов (Н+ и ОН-) на поверхности кальцита, которое вы
зывает переход ионов он- в основной раствор, сопровождаемый
(-nотенциал. мВ
20
17.7
18
16 |
15.03 |
14
~ 12
Е-
ci. 10 |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
сп |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
2 |
1.23 |
|
|
|
о |
|
|
|
|
Кальцит, выдер•анныМ |
Кальцит |
Кальцит, выдер•анныМ |
|
|
|
|||
|
|
в 0,1 М р-ре Na,SO, |
|
в 0,1М р-ре MgCI, |
Рис. 6. Измеренные значения ~-потенциала (Smolochovski) для СаСО3 (химиче ской чистоты) в дистиллированной воде и в 0,1 М растворах Na2S04 и MgCI 2
[13]
12
Акаде.чическая лекция в РГУ имени ИМ Гу(жина, май 2009 г.. А.А. Хамуда (Унноереитет Ставангера)
внедрением ионов магния в кристаллическую решетку кальцита с об
разованием магниевого кальцита. В работе Morse [9] описано обра:ю
вание магниевого кальцита, содержащего 4(±2) мол. % MgC03, на по
верхности кальцита, подверженной действию морской воды вблизи
океана. Этот магниевый кальцит на 30 % менее растворим в морской воде, чем чистый кальцит. Образование бруцита (Мg(ОНЫ малове роятно вследствие его стабильности при рН > 1О.
Сульфат
с другой стороны, сульфатные ионы so/- нарушают равновесие
зарядов за счет склонности к реакции с имеющимися ионами кальция
вблизи и на поверхности кальцита, способствуя увеличению активно
сти гидроксильных ионов в основном растворе. В системе (каль-
цит/0,005М ПАВ)/SО~- изменение рН происходит медленнее (около
54 ч), достигая уровня рН - 8,8, по сравнению с более быстрым (ме
нее 8 ч) изменением рН в системе кальцит/SО~-. Это позволяет пред
положить, что в данном случае мы имеем дело с двумя процессами -
вытеснением адсорбированного ПАВ и адсорбцией (реакцией) ионов
SO~- с ионами Са2+. В случае системы (кальцит/ПАВ)/Мg2~ значение
рН стабилизируется менее чем за 8 часов; в течение этого времени
может происходить высвобождение ионов Са2+ за счет возмущения
поверхностного заряда положительными гидроксильными группами
MgOH+.
При увеличении рН ионы SO~- тормозятся отрицательным заря
дом поверхности с повышенной плотностью, вследствие чего на по
верхности кальцита следует ожидать меньше свободных мест в до-
13
А•адеАщчес•ая ле•чия в РГУ имени ИМ Губ•ина, май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставаигера)
полпение к большей диссоциации ПАВ при росте значений рН. Это
приводит к увеличению адсорбции на поверхности кальцита и к росту
гидрофобности (олеофильности) системы.
Выводы по части 1 -влияние S04 и Mg
Сульфат и магний меняют олеофильность поверхности кальцита
на гидрофильность. При наличии ионов магния в растворе смачивае
мость кальцита водой возрастает с увеличением рН, однако при
рН > 7 существует точка перегиба, когда кальцит становится менее
гидрофильным в присутствии сульфатных ионов. Предложенные ме
ханизмы изменения смачиваемости поверхности кальцита под дейст
вием ионов магния и сульфата связаны с нарушениями поверхност
ного заряда кальцита. Механизмы воздействия двух ионов несколько
отличаются друг от друга.
1. Ионы сульфата склонны реагировать с ионами Са2+ на поверх
ности кальцита; как показано экспериментально, при этом они нару
шают равновесие зарядов и увеличивают рН основного раствора. На-
личие ионов so~- смещает поверхностный потенциал в сторону от
рицательных значений, замедляя реакцию с карбоксильными группа
ми жирных кислот (в данном случае со стеариновой кислотой, ПАВ).
При повышенных значениях рН > 7 поверхность становится отрица
тельно заряженной, что снижает, в свою очередь, число доступных
мест ДЛЯ адсорбции на ней ИОНОВ SO~-; В ТО же время с ростом рН
возрастает стабильность карбоксильных групп жирных кислот, при
водя к повышенной адсорбции, снижаюшей гидрофильность поверх
ности кальцита.
2. С другой стороны, ионы Mg2.,. нарушают равновесие зарядов на
поверхности кальцита, образуя гидроксильные группы MgOH+, вызы-
14
Академическая лекция в РГУ имени И.М Губ•-ина. май 2009 r .. А.А. Хамуда (Университет Ставаоtrера)
вающие рост рН основного раствора с возможным высвобождением ионов са2+ и, может быть, обменом с ионами Mg2+ с образованием
магниевого кальцита.
Часть 2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Моделирование коллектора
В настоящей работе использована простая трехмерная модель процессов фильтрации (модель блэк ойл), содержащая 1200 элемен тов сетки (20х20х3); моделирование коллектора осуществляли с по
мощью программы Ec1ipse, версия 2006а, компании Schlurnberger
[ 17]. Все исходные данные, такие как геометрические характеристики
коллектора (пористость, абсолютная проницаемость, размер элемен
тов сетки и пр.) и параметры давления, объёма и температуры нефти
(воды), за исключением относительной проницаемости и температу
ры, были постоянными. Прочие изменения входных данных рассмот
рены в следующем разделе. Общие характеристики модели коллекто
ра приведсны в табл. 1.
В этой части рассмотрены результаты расчетов влияния темпера
туры на нефтеотдачу с использованием программы Ec1ipse 100 для
моделирования коллектора. Исходные характеристики модели, такие
как параметры давления, объёма и температуры, относительная и аб
солютная проницаемости, кроме температуры нагнетаемой воды, при
прогонах моделирующей программы поддерживали постоянными, а
термическую опцию инициировали в соответствии с рекомендациями
работы [ 17]. В коллектор с исходной температурой 57,2 ос (135 °F)
15
Академическая лекция • РГУ имени И.М. Губкина, май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставангера)
Таблица 1
Исходные характеристики модели коллектора
Параметр |
Значение |
|
|
Пористость |
0,4821' 1 |
Абсолютная проницаемость |
4,10111 мД |
Температура коллектора |
57,2 ос (135 °F) |
Флюиды коллектора |
Нефть/вода |
Плотность нефти |
0,7635щ (г/смJ) |
Вязкость нефти |
2,4826'"'_(сПl |
Плотность воды |
1,00 16'"' (г/см,l |
Вязкость воды |
0,99131l 1 (сП) |
Число скважин |
2 ( 1 добывающая + 1 нагнетательная) |
(1) Из работы Hamouda и др. [16].
(2) Получены из модели давления, объёма и температуры (PVTSim) [17].
нагнетали воду с б различными температурами: 26,7 °С (80 °F), 40 ос
(1 04 °F), 57,2 ос (135 °F), 70 ос (158 °F), 90 ос (194 °F) И 100 ос (212 °F).
Наибольшая нефтеотдача составила около 48 %, а наименьшая -
около 26 %, в соответствии с параметрами относительной проницае мости при температурах 80 и 130°.
На основании рис. 7 можно сделать три основных вывода.
Первый вывод - наибольшая нефтеотдача (48 %) получена при
относительной проницаемости для 80 °С, а наименьшая - при отно
сительной проницаемости для 130 °С, т.е. нефтеотдача растет при увеличении температуры до 80 °С, а затем при приближении к 130 °С
снижается. Результаты моделирования не вызывают удивления, по
скольку они отражают полученные экспериментальные значения от
носительной проницаемости. В количественном смысле увеличение
Sw (на пересечении k,o и kгw) на 7% (от 23 ос ДО 50 °С) и на 16% (от
50 ос до 80 °С) соответствует увеличению максимальной нефтеотда
чи примерно на 25 %. При росте температуры от 80 ос до 130 ос на
блюдается снижение нефтеотдачи примерно на 22 %. Это соответст
вует снижению Sw до 20 %. Некоторая разница в зна<Jениях темпов отбора и предельного уровня КИН, рассчитанных для относительной
проницаемости при 23 °С и 50 °С, может быть связана с температу-
16
Академическая лекция в РГУ имени И.М. Губкина, май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставанrера)
--1iг ~T~2~CI7~.ifi |
-t.г |
r.т~нocrJ78~·1 |
---"11,r ,,_J;.5QCt lZ~I |
·····-J..I |
CT.:..J)(J{"IZбC.:.f• |
кин |
|
|
u.;,oo-
0.31)0-
1
,... |
|
/ |
|
// |
|
|
|
|
|
U.20(1- |
/ |
|
|
/
/
1
0.100- /
(1 |
1(• |
IIJ |
ВРЕМЯ lднм) • 10-3
Рис. 7. Изменение расчетного коэффициента извлечения нефти в зависимости от относительной nроницаемости при 23, 50,80 и 130 ос
рой моделируемого коллектора 57,2 ос (135 °F), обусловливающей
близость значений nодвижности нефти для температур 23 ос и 50 ос
при продолжении нагнетания воды.
Второй вывод - при повышенной температуре (80 °С в данной ра боте) достигается ускоренная и более полная нефтеотдача, что может отражать влияние температуры как на подвижность нефти, так и на
смачиваемость. Об этом свидетельствует сдвиг точки пересечения !<то
и kгw примерно на 7 % и на 16 % при росте температур от 23 °С до
50 ос и от 50 °С до 80 °С, соответственно (рис. 7).
17
Академическая лею1ия в РГУ имени ИМ. Губкина, май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставангера)
Третий вывод - момент начала снижения темпа отбора при повы шенных температурах достигается быстрее, чем при пониженных.
Интересно отметить (рис. 8), что при температурах 80 °С и 130 ос
этот момент достигается почти одновременно, несмотря на меньший
темп отбора и нефтеотдачу при 130 ос_
В целом, на основании данных моделирования и работы Nakomthap и Evans [17] можно сделать вывод, что использование значений
относительной проницаемости для комнатной температуры ведет к
недооценке темпов отбора нефти и конечной нефтеотдачи коллекто
ра. Можно также сделать вывод, что темпы отбора нефти и конечная
нефтеотдача зависят не только от абсолютной температуры нагнетае
мой жидкости, но и от разницы температур нагнетаемой жидкости и
коллектора. Проведеиное моделирование и обсуждение не учитывают
изменение смачиваемости поверхности в сторону олеофильности, от
сюда снижение нефтеотдачи при 130 ос_
Общий потенциал взаимодействия для системы вода/нефть/мел
(кальцит) рассматривался ранее в работе Hamouda и Karoussi [20].
Показано, что общий потенциал взаимодействия (состоящий из сил
межмолекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса, сил ближнего от
талкивания Борна и сил электростатического взаимодействия двойно
го поверхностного слоя) между смоченными нефтью частицами каль
цита и поверхностью стенки кальцита приобретает отталкивающий
характер в среде дистиллированной воды. Ранее были рассчитаны
общие потенциалы взаимодействия до температуры 100 ос; в данной
работе расчеты проведены до температуры 130 °С включительно.
Расчетные общие потенциалы взаимодействия для двух различных
размеров частиц кальцита ( 1 и 4 мкм) представлены на рис. 8. В рабо
тах Schramm и др. [18] и Pierтe и др. [ 19] сообщалось о размерах час
тиц кальцита < 5 и 2 мкм.
18
Академическая лекцWi в РГУ имени И.М. Губкина, май 2009 r., А.Л. Хамуда (Университет Ставанrера)
нефтеотдача зависят не только от температуры нагнетаемой жидко
сти, но и от разницы температур нагнетаемой жидкости и коллектора.
Выше критической температуры наблюдается неблагаприятное
влияние температуры; относительные проницаемости при этом сви
детельствуют об олеофильности поверхности кальцита. В данной ра
боте показано, что выше 80 ос (испытания проводили при 130 °С)
точка пересечения графиков относительных проницаемостей сдвига
ется в зону меньшей насыщенности водой, где нефтеотдача меньше.
Это наблюдение не согласуется с темnературными зависимостями
поверхностного натяжения и краевого угла смачивания; наблюдается
снижение этих характеристик с температурой, способствующее по
вышению нефтеотдачи. Впрочем, такая псевдо-олеофильность пород может быть объяснена захватом нефти за счет отрыва и миграции
мелких частиц при заводнении, поскольку общий потенциал взаимо
действия между флюидом и nородой становится более отталкиваю
щим при повышенных темnературах.
Рекомендации
Оnределить критическую температуру для относительной
проницаемости перед вводом данных в программу моделирова
ния коллектора.
Работу по определению критической температуры и степени
ее влияния на характеристики конкретного месторождения с ис
пользованием модели коллектора следует выполнять в сотруд
ничестве с операторами месторождений. Наши лаборатории в
Университете Ставангера (Норвегия) обладают нужными техни ческими средствами и ноу-хау. Работа будет выполняться в рам ках сотрудничества с РГУ нефти и газа имени Губкина (Россия).
20