3. Обработка воды поверхностно-активными веществами

Необходимых изменений поверхностных и смачивающих свойств жидкостей и характеристик поверхностей раздела фаз в пористой среде можно добиться с помощью добавок к воде поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидрофобных углеводородных цепей с низким остаточным сродством на одном конце и гидрофильных полярных групп с высоким сродством на другом. По химическому признаку все ПАВ разделяются на анионо-активные, катионо-активные и неионогенные вещества. Если углеводородная часть молекулы ионогенного ПАВ входит в состав аниона, образующегося в водном растворе, соединение относится к анионо-активным веществам. Соответственно катионо-активные вещества образуют в водных растворах катионы, содержащие длинные цепи углеводородных радикалов. В неионогенных веществах не содержатся неионизирующиеся гидрофильные конечные группы. Поверхностная активность этих веществ обусловлена своеобразным строением их молекул, которые имеют асимметричную (дифильную) структуру, состоящую из полярных и неполярных групп. Неполярной и нерастворимой в воде частью молекулы являются гидрофобный алкильный, арильный или алкиларильный радикал, а полярную водорастворимую группу представляет полиэтиленгликолевый или пропиленгликолевый остаток.

Распространенным неионогенным ПАВ является ОП-10 на который лет пятнадцать - двадцать назад возлагались огромные надежды. Примером катионо-активного ПАВ является карбозолин О, который используется для гидрофобизации песчаников. К анионо-активным относятся: сульфонол НП-1, НП-3, сульфонаты и др.

В лабораторных условиях испытывалось влияние на нефтеотдачу различных химических добавок. В настоящее время уже почти всем стало ясно, что универсального средства для увеличения нефтеотдачи не существует. Один и тот же реагент в разных условиях ведет себя по-разному. В таблице приведены результаты лабораторных исследований различных реагентов, используемых для повышения нефтеотдачи пластов в условиях месторождений Урало-Поволжья. Эти исследования проводили в ПермНИПИнефть, БашНИПИнефть, УдмуртНИПИнефть, Гипровосток.

Технология (оторочки растворов хим. реагентов без детализации по модификациям)	Относительный прирост коэффициента нефтевытеснения
	Диапазон изменения	Среднее
Неионогенные ПАВ(типа ОП-10) с начала процесса заводнения при доотмыве остаточной нефти	0 - 0,11 0 - 0,12	0,055 0,019
Анионактивные ПАВ(в карбонатах)	0 - 0,34	0,156
То же (в терригенных породах)	0 - 0,13	0,044
Щелочи и композиции на их основе	0 - 0,38	0,155
Полимеры	0 - 0,28	0,113
Углекислота	0,05 - 0,28	0,122

Из таблицы видно, что любая технология может оказаться вообще неэффективной в тех или иных условиях, в то же время другая может дать положительный эффект. Ярким примером являются анионо-активные ПАВ, которые в терригенных коллекторах практически неэффективны, тогда как в карбонатах дают весьма ощутимые приросты коэффициента нефтевытеснения.

Поверхностно-активные вещества в различной степени адсорбируются поверхностью пород. Количественное соотношение между удельной адсорбцией Г в поверхностном слое, изменением поверхностного натяжения с концентрацией растворенного вещества и концентрацией С устанавливается уравнением Гиббса

,

где R - универсальная газовая постоянная

Т - абсолютная температура.

Величину , характеризующую способность растворенного вещества понижать поверхностное натяжение раствора, принято называть поверхностной активностью

Величину поверхностной активности можно определить по изотерме адсорбции Г=f(C) и зависимости поверхностного натяжения от концентрации растворенного вещества =f(C).

Вначале поверхностное натяжение быстро падает, а по мере заполнения поверхностного слоя адсорбируемыми молекулами изменение () с увеличением концентрации ПАВ уменьшается и когда адсорбция достигает постоянного значения, соответствующего полному насыщению слоя молекулами ПАВ прекращается. Поэтому поверхностную активность ПАВ оценивают величиной

т.е. начальным значением G₀ при концентрации ПАВ, стремящейся к нулю. В системе СИ единицами измерения поверхностной активности являются Нм²/кмоль.

1 мНм²/кмоль=1Гиббс=1Дин/см:моль/дм³

Наиболее подходящими для обработки нагнетаемых вод считаются ПАВ, значительно снижающие поверхностное натяжение на границе с нефтью при небольших концентрациях, улучшающие смачиваемость поверхности породы, малоадсорбирующиеся на ней и разрушающие водонефтяные эмульсии. Кроме того они должны быть дешевыми, полностью растворимыми в пресной и пластовой воде, устойчивыми по отношению к солям пластовых вод. Лучшими показателями обычно обладают смеси различных ПАВ. В связи с этим основной задачей лабораторных исследований становится подбор наилучших композиций для конкретных условий залегания нефти. Огромный объем исследований требует больших затрат времени и средств и поэтому мало где реализуется в полной мере.

Применение ПАВ в промышленных объемах для увеличения нефтеотдачи встречает значительные трудности вследствие адсорбции их огромной поверхностью каналов фильтрации. Следует, однако, учитывать, что в результате фильтрации воды вслед за оторочкой раствора химреагента происходит частичная десорбция вещества и перенос его в другие части пласта. С другой стороны, если бы адсорбция не происходила, тогда и механизм действия ПАВ не мог бы реализоваться в полной мере. Известны результаты исследований эффективности полимерного заводнения с использованием веществ, понижающих адсорбцию активного реагента на поверхности породы, свидетельствующие об отсутствии технологического эффекта.