Мицеллярно-полимерное заводнение

 

Успешное и широкое применение заводнения нефтяных место­рождений, обеспечивающего существенное увеличение конечной нефтеотдачи пластов, по сравнению с режимами истощения, поста­вило перед нефтяной промышленностью очень сложную проблему дополнительного извлечения нефти из сильно истощенных, завод­ненных нефтеносных пластов с рассеянной, нерегулярной нефте-насыщенностью. Остаточная нефть в заводненных пластах, как уже отмечалось, удерживается в неподвижном состоянии поверхностно-молекулярными, капиллярными силами в масштабе отдельных пор и малопроницаемых включений, а также вязкостными силами в масштабе слабопроницаемых разностей и слоев пласта. Заставить двигаться остаточную нефть в заводненных пластах можно, только полностью устранив действие капиллярных сил или снизив их на­столько, чтобы они были меньше гидродинамических сил, создавае­мых перепадом давления, и выравняв подвижности в различных слоях.

Мицеллярно-полимерное заводнение и направлено на устране­ние капиллярных сил в заводненных пластах и вытеснение оста­точной нефти.

Структура и состав мицеллярных растворов. Как известно, углеводородная жидкость (нефть, керосин) и вода между собой не смешиваются в обычных условиях. Но когда к ним добавляется третий компонент — специальное, растворимое в нефти и воде поверхностно-активное вещество (ПАВ), они могут смеши­ваться. Молекулы ПАВ за счет энергии взаимодействия с водой и нефтью служат связующим звеном между молекулами углево­дородной жидкости и воды. При их перемешивании в определен­ных условиях получается однофазный гомогенный раствор, или микроэмульсия. При этом образуются так называемые нефтеводя-ные мицеллы-агрегаты молекул типа жидких кристаллов с жид­ким- ядром, внутри которых молекулы нефти и воды способны перемещаться относительно друг друга. Такие растворы назы­ваются мицеллярными растворами или микроэмульсиями (раство­римая нефть или вспученные мицеллы). В зависимости от степени различия энергий взаимодействия молекул ПАВ с молекулами воды и нефти могут образоваться сферические или пластинчатые (многослойные) мицеллы размером от 10~6 до 10~4 мм.

К простейшим мицеллам относится сферическая мицелла с неф­тяной или водной основой — ядром. У мицеллы с нефтяной ос­новой на поверхности находятся молекулы воды, у мицеллы с водной основой — молекулы нефти, составляющие внешние фазы мицеллярных растворов.

При разбавлении мицеллярных растворов фазой, однородной с молекулами внешней оболочки мицелл, энергия взаимодействис ними ПАВ уменьшается и сферические мицеллы могут обратимо распадаться на отдельные сложные молекулы. При более высоких концентрациях внутренней фазы мицелл сферические мицеллы превращаются в пластинчатые. Последние, взаимодействуя между собой, способны создать в объеме системы структурную сетку геля (жидкие кристаллы).

Мицеллярные растворы способны к растворению или поглоще­нию жидкостей, составляющих основу мицелл или их внутреннюю фазу, если их молекулярное взаимодействие сильнее энергии вза­имодействия молекул ПАВ и молекул ядра мицелл.

Когда происходит растворение или поглощение, мицелла вспу­чивается, увеличивается в размерах в зависимости от строения мицеллы.

Мицеллярные растворы представляют собой прозрачные и по­лупрозрачные жидкости. Они в основном однородные и устойчивые к фазовому разделению, в то время как эмульсии нефти в воде или воды в нефти не являются прозрачными, разнородны по строению глобул и обладают фазовой неустойчивостью.

Оптимальные мицеллярные растворы получаются, когда энер­гии взаимодействия на единицу поверхности ПАВ с водой и с нефтью одинаковы и значительны по величине. Это условие — основное для образования устойчивых в обычных условиях мицел­лярных растворов. Но, чтобы они были устойчивыми в пласте, в за­висимости от свойств пластовых нефтей, солевого состава воды, насыщенности и строения пласта, в растворы приходится добав­лять четвертый компонент — различные стабилизаторы.

В качестве углеводородной жидкости можно применять, сжи­женный газ, керосин, сырую легкую нефть и другие жидкости, но с увеличением их так называемого алканового углеродного числа повышается межфазное натяжение и ухудшаются условия применения.

Вода—важная составная часть раствора. Можно применять 'бычную пресную воду, пластовую минерализованную или под-ергнутую специальной обработке, но с заданной соленостью и пределенным солевым составом.

Поверхностно-активными веществами обычно являются водо-ефтерастворимые вещества, обладающие большой солюбилизи-■ующей способностью, — алкил-ариловые сульфонаты, нефтяные сульфонаты, нонил-фенолы и др. Могут применяться композиции различных водорастворимых неионогенных и анионных ПАВ. Па­раметром солюбилизации является отношение объема нефти к объему ПАВ в мицеллярном растворе.

В качестве стабилизатора обычно используются спирты — зопропиловый, бутиловый, гексанол и др.

Изменяя содержание ПАВ, стабилизатора, углеводородов и юды, можно получить мицеллярный раствор либо с внешней ефтяной, либо с внешней водяной фазой с различными структу­рой мицелл, устойчивостью и межфазным натяжением на контакте с нефтью и водой.

Рис. 73. Типы мицеллярных растворов.

а —зоны существования микроэмульсий различных типов; б — типы ммкроэмульсий-/ — растворимая нефть, смешивающаяся с водой и нефтью; // — раствор смешивающийся только с водой (уравновешенный с нефтью); ///-раствор, смешивающийся только с нефтью (уравновешенный с водой); IV — раствор, нерастворимый ни в воде, ни в нефти (уравнове­шенный с нефтью и водой); / — вода; 2 — микроэмульсия, уравновешенная с нефтью и водой-3 — нефть; 4 — микроэмульсия, уравновешенная с водой; 5 — то же, с нефтью; 6 — микро­эмульсия неуравновешенная

Поверхностное натяжение между углеводородной, и водной фазами в оптимальных мицеллярных системах приближается к нулю (не более 0,001 мН/м).

Количественное содержание и типы основных компонентов в мицеллярных растворах определяют их фазовое состояние (одно- или двухфазное), солюбилизирующую способность, вяз­кость, плотность, стабильность, прозрачность и др.

Существование однофазных мицеллярных растворов возможно в широком диапазоне изменения содержания составляющих ком­понентов - нефти, ПАВ, воды и стабилизатора. По своей струк­туре выделяются четыре основных типа мицеллярных растворов или микроэмульсий, различающихся взаимодействием с водой и нефтью (рис. 73).

Тип / —мицеллярный раствор, неравновесный, с высокой кон­центрацией ПАВ, растворимый в воде и в нефти.

Тип // — мицеллярный раствор, уравновешенный с нефтью и растворимый только в воде. Избыток нефти с течением времени выделяется из раствора, и образуется устойчивая граница раз­деления фаз, но межфазное натяжение на границе с нефтью мало

\—0,001 мН/м), а на границе с водой равно нулю. Данный тип называют мицеллярным раствором с внешней водной фазой, иногда «нижней фазой» или водонефтяной микроэмульсией. Тип /// — мицеллярный раствор, уравновешенный с водой и растворимый только в нефти, или раствор с внешней углеводород­ной фазой, иногда его называют «верхней фазой» или нефтеводя-ной микроэмульсией.

Тип IV—мицеллярный раствор, нерастворимый ни в воде, ни в нефти, т. е. уравновешенный с нефтью и водой, иногда назы­вают «средней фазой». У этого раствора межфазное натяжение на границе и с нефтью, и с водой очень низкое (0,001 — 0,0001 мН/м), что обеспечивает смешивающееся вытеснение.

Тип мицеллярного раствора зависит от соотношения компо­нентов [37, 43], содержания солей в воде, температуры и моле­кулярной структуры ПАВ, а также от других факторов.

Наибольшего внимания заслуживают мицеллярные растворы типа // и IV. Тип // может существовать при значительном со­держании воды и солей в воде, что часто встречается в реальных нефтяных коллекторах при малом содержании ПАВ, почти не тре­бует углеводородной жидкости для приготовления. Но большое содержание кальция в воде приводит к отрицательному явле­нию— его инверсии, т. е. изменению структуры раствора и обра-ованию микроэмульсии. Мицеллярный раствор типа IV обычно одержит воду и нефть в равных объемах, обладает наилучшей ытесняющей способностью, но при изменении концентрации со­ей может переходить в растворы типа // или ///. Мицеллярный раствор типа /// менее интересен из-за большого содержания нефти. Недостаток мицеллярного раствора типа / заключается в высоком содержании дорогих ПАВ и спиртов. Обычно он ис­пользуется для приготовления растворов других типов.

Минерализация воды, различные добавки (композиции) ПАВ:огут приводить к ситуациям, когда возможно совместное су-ествование мицеллярных растворов различных типов и структур реальные тройные фазовые диаграммы будут значительно слож-е идеализированных, приведенных на рис. 73, а.

Все мицеллярные растворы (однофазные) независимо от их труктуры при движении в пласте неизбежно испытывают наруше-ие однофазности. Наименее устойчив раствор типа IV(«средняя фаза»), который существует при строго определенных солености, одонефтяном отношении, отношении ПАВ к содетергенту и об­ей концентрации ПАВ. Дополнительное попадание солей в раст­вор или потеря ПАВ из раствора в вытесняемые нефть или воду обусловливает превращение «средней фазы» в «верхнюю фазу» на фронте вытеснения и в «нижнюю фазу» позади оторочки. Разделение фаз происходит при межфазном натяжении между ими, равном или большем 0,1—0,01 мН/м.

Обычно «средняя фаза» (тип IV) находится между «верхней» и «нижней» при движении в пласте, а процесс вытеснения из смешивающегося неизбежно переходит в несмешивающийся.

 

Кроме основных компонентов, входящих в мицеллярный раст­вор, в них можно включать и другие, не оказывающие вредного влияния, например некоторые бактерициды (слабый раствор формальдегида, формалина, сулемы, медного купороса), препят­ствующие разрушению раствора бактериями. Иногда для повы­шения стабильности растворов добавляются специальные соли и другие вещества.

Разновидности мицеллярных растворов в основном опреде­ляются типом, составом и концентрацией применяемых ПАВ, а выбираются они исходя из конкретных задач применения — для обработки призабойных зон пластов или создания оторочек с целью вытеснения остаточной неподвижной нефти — с учетом особенностей строения пластов и свойств насыщающих их жид­костей.

В табл. 34 приведены диапазоны изменения содержания ос­новных компонентов устойчивых мицеллярных растворов трех категорий, разработанных в настоящее время.

Таблица 34

Изменение объемного содержания основных компонентов мицеллярных

растворов (в %)

 

Как видно, устойчивые мицеллярные растворы можно полу­чить при широком изменении содержания отдельных компонентов. Особенно важно, чти мицеллярные растворы могут содержать до 95 % воды, до 5 % ПАВ и до 0,01 % стабилизатора (тип //).

Для простоты использования мицеллярных растворов стали применять базовый состав (концентрат) мицеллярной жидкости, которая добавкой обычной воды в промысловых условиях дово­дится до мицеллярных растворов с необходимыми свойствами.

Концентрат содержит тщательно сбалансированное количество углеводородной жидкости, ПАВ типа нефтяных сульфонатов и стабилизатора — спирта. Примерный состав концентрата — 65% углеводорода, 28 % нефтяного сульфоната и 7 % спирта.

• К категории концентрированных мицеллярных растворов от­носится и так называемая растворимая нефть (табл. 35 [2]).

 

Таблица 35 Объемный состав растворимых нефтей (в °/о) при 24 °С

 

На рис. 74 приведена псевдотройная диаграмма, показывающая Соотношение фаз сырой нефти, ПАВ и пресной воды. На этом

Растворимая нефть получена добавлением ПАВ (сульфонат [Натрия) и стабилизатора (этиленгликоль или изопропиловый £пирт) в сырую нефть. Содержание воды в растворимой нефти Доставляло 4—7%. Причем применялась как пресная вода 1(0,08 % солей), так и слабоминерализованная (2,9 % солей). [ Все указанные типы растворимой нефти представляли собой устойчивые растворы с внешней углеводородной фазой с опреде­ленной точкой инверсии, после которой при разбавлении водой Эни становились растворами с внешней водяной фазой.

 

Рис. 74. Диаграмма фазового состоя­ния мицеллярных растворов из рас­творимой нефти.

/ — водный раствор ПАВ; // — раствор

с внешней водной фазой; /// — двухфазная

область; IV — раствор с внешней нефтяной

фазой

 

 

рисунке ПАВ и стабилизатор объединены в один компонент, а все углеводороды — в другой.

Область на диаграмме вдоль стороны между 100 % (ПАВ+ -f-стабилизатор) и 100% (пресной воды) — это область водных растворов ПАВ. А область, лежащая правее, представляет собой область растворов с внешней водной фазой (н/в). Область вдоль стороны между 100% (ПАВ+стабилизатор) и 100% (сырой нефти) — безводная растворимая нефть. А левее лежит область растворов с внешней нефтяной фазой (в/н). При содержании в растворимой нефти более 50 % ПАВ (выше горизонтальной ли­нии) образуются вязкие эмульсии. Растворы, применяемые для добычи нефти, обычно находятся в нижней области диаграммы. Мицеллярные растворы могут сохранять внешнюю углеводородную фазу до содержания воды 70—80 %, а при насыщенности водой 70—95 % растворы остаются однородными, но с внешней водной фазой.

Диаграмма дает возможность представить изменение фазового состояния оторочки безводной растворимой нефти (точка а) при движении ее по нефтенасыщенному пласту. Передний фронт ото­рочки растворимой нефти (состав в точке а) разбавляется пласто­вой нефтью так, что состав ее изменяется, как показано штриховой линией между точками а и 100 % нефти. Задний фронт оторочки растворимой нефти разбавляется водой, и состав ее изменяется по штриховой линии между точками а и 100 % воды.

При определенных условиях разбавления состав мицеллярного раствора может оказаться в двухфазной области. Однако из диаг­раммы видно, что мицеллярный раствор на основе растворимой нефти может остаться однофазным даже при разбавлении во­дой до 90 %. В условиях высокой минерализации воды и породы, содержащих соли кальция и магния, мицеллярные растворы на основе натриевых сульфонатов становятся неустойчивыми и пере­ходят в эмульсии. Для минерализованных вод требуются другие ПАВ, не подверженные ионному обмену натрия и кальция.

Свойства мицеллярных растворов и влияние на них различных факторов. Для эффективного применения мицеллярных растворов в различных коллекторах с разными неф-тями, пластовой и нагнетаемой водой раствор должен обладать вполне определенными свойствами. Общие требования к ми-целлярным растворам можно сформулировать следующим об­разом.

Раствор должен обладать способностью полностью вытеснять нефть и воду из коллекторов рзличного типа. Вытесняющая спо­собность раствора определяется так называемым контролирующим межфазным натяжением. Если межфазное натяжение на границе раствора с нефтью и водой разное, например 0,01 мН/м и 0 соот­ветственно для раствора типа II, то эффективность вытеснения нефти будет контролироваться большим межфазным натяжением, Т". е. величиной 0,01 мН/м. Наилучшая вытесняющая способность достигается у раствора типа 1У(средняя фаза), у которого низкое

Рис. 76. Зависимость вязкости мицеллярного раствора,ир от содержания воды, солей и стабилизатора (изоамилового спирта).

Вода: / — техническая; 2 — сточная (10—15 г/л СаСЬ)

межфазное натяжение (<с0,001 мН/м) на контакте и с нефтью, и с водой.

Но достаточно высокая эффективность вытеснения нефти со­храняется и после перехода раствора типа IV в тип II или III.

Раствор должен оставаться вязкой однофазной, мелкодиспер­сной эмульсией, т. е. однородной жидкостью, при достаточно большом содержании солей кальция и магния, при высокой темпе­ратуре пласта, при сильном разбавлении их водой и нефтью в процессе движения по пласту.

В практике добычи нефти необходимо иметь заданные опти­мальные для конкретных геолого-физических условий свойства мицеллярных растворов с целью получения наиболее эффектив­ных показателей вытеснения остаточной нефти или обработки призабойных зон.

Один из основных параметров мицеллярного раствора—вяз­кость, которая является функцией его состава и может широко регулироваться. Различное влияние на нее оказывают количество воды, концентрация электролитов, тип углеводородов, ПАВ и стабилизаторов. Наибольшее влияние на вязкость мицеллярного раствора оказывает содержание в нем воды (рис. 75). Мицелляр­ный раствор без воды имел вязкость 1 мПа-с и следующий состав (в %): углеводороды 76, сульфонат 19 и изопропиловый спирт 5. Добавление к раствору до 25 % воды увеличивает его вязкость

до 10 мПа-с. Дальнейшее увеличение содержания воды увеличи­вает вязкость раствора до 100 мПа-с и более. При содержании воды 45 % достигается максимум вязкости, происходит инверсия фаз, внешней фазой становится вода, и затем вязкость раствора снижается по мере увеличения содержания воды. Независимо от типа применяемых ПАВ и других компонентов мицеллярные растворы, содержащие более 80 % воды, обладают малой вяз­костью— не более 5—7 мПа-с. И наоборот, если исходный мицел-лярный раствор водный (воды более 90—95 %), то добавление к нему нефти также увеличивает вязкость в десятки раз и более. Растворимость нефти в водном мицеллярном растворе можно значительно повысить за счет увеличения содержания в нем каль­ция или магния.

Большая роль в этой зависимости принадлежит содержанию и типу солей, а также ПАВ, использованных для приготовления мицеллярных растворов. При добавлении солей вязкость мицел-лярных растворов может оставаться меньше, чем вязкость раствора на пресной воде при добавлении до 60—70 % воды, а затем она в несколько раз превышает ее (рис. 76). Увеличение содержания соли в воде раствора всего лишь на 0,2 % приводит к увеличению содержания воды в растворе на 10 % без увеличения вязкости или к уменьшению вязкости раствора в 2,5—3 раза при одина­ковом содержании воды.

В зависимости от типа применяемого ПАВ вязкость различных растворов с увеличением содержания воды увеличивается по-раз­ному: при использовании одних ПАВ она может увеличиваться до 500, а иногда и до 2000 мПа-с, а при других она остается относительно постоянной даже при содержании воды до 60 % и более.

Это очень важное свойство мицеллярных растворов, которое ■необходимо учитывать при проектировании и реализации процесса, так как оно вызывает резкое снижение продуктивности скважин.

При добавлении загущенной воды (раствор полимера 0,8 г/л в пресной воде вязкостью 7 мПа-с) к мицеллярным растворам вяз­кость их становится на 10 % ниже, чем у мицеллярных растворов на пресной воде. Зависимость вязкости мицеллярных растворов от содержания в них солей иллюстрируется данными табл. 36.

Таблица 36

Изменение вязкости мицеллярных растворов в зависимости от содержания солей

Как видно, содержание солей в воде до 3 г/л снижает вязкость мицеллярного раствора более чем в 100 раз.

Однако однофазные, гомогенные мицеллярные растворы можно приготовить только на воде, содержащей соли в определенных пределах. Вне этих пределов содержания солей в воде растворы могут представлять собой либо эмульсии, либо быть температурно-неустойчивыми. Особенно важно и необходимо знать влияние состава солей на свойства мицеллярных растворов при примене­нии их для вытеснения остаточной нефти из пластов, так как соле­вой состав пластовой воды и породы будет оказывать самое силь­ное влияние на структуру, свойства раствора и показатели извле­чения нефти.

Стабильность мицеллярного раствора сохраняется при содер­жании в воде соли хлористого натрия от 6 до 10—15 г/л в зави­симости от типа ПАВ. Однако устойчивость раствора при содер­жании в воде солей кальция и магния резко снижается из-за изменения структуры сульфонатов вследствие ионного обмена кальция из воды (породы) и натрия из сульфоната. При содержа­нии таких солей в воде до 5 г/л мицеллярные растворы становятся неустойчивыми и превращаются в эмульсии. Для приготовления растворов в качестве соли обычно применяется хлористый натрий, который добавляется к пресной воде в необходимой концентра­ции.

При содержании в воде солей NaCl более 10—15 г/л растворы также неустойчивы, особенно при повышенных температурах (выше 60 °С). Увеличение содержания сульфонатов от 10 до 20 % при од­ном и том же содержании воды 40 % может повысить вязкость раствора в 8—9 раз.

I Большое влияние на свойства мицеллярных растворов оказы­вает молекулярная масса сульфоната. Чаще всего применяют суль-фонаты, которые имеют среднюю молекулярную массу 430—465. Однако растворы на основе сульфонатов с низкой молекулярной массой (200—300) допускают более высокое содержание солей в воде, а лучшая смешиваемость растворов с нефтью (низкое межфазное натяжение) достигается при применении сульфонатов, имеющих высокую молекулярную массу (500—600). Поэтому для растворов могут применяться смеси сульфонатов с высокой и низ­кой молекулярной массой.

Один из основных компонентов, входящих в состав мицелляр­ных растворов, — стабилизатор также оказывает сильное влияние на их вязкость. Увеличение содержания стабилизатора обычно вызывает уменьшение вязкости мицеллярных растворов.

Как отмечалось, для приготовления мицеллярных растворов ожно использовать углеводородные жидкости с различными двойствами — от легких фракций до сырой обычной нефти. Однако влияние свойств углеводородных жидкостей на свойства мицеллярных растворов мало изучено. Известно только, что увели­чение вязкости применяемой углеводородной жидкости обусловли­вает повышение вязкости мицеллярных растворов.

Очень сильно свойства мицеллярных растворов зависят от температуры. При содержании воды 50 % вязкость раствора при увеличении температуры резко (в несколько раз) снижается, особенно при увеличении температуры до 50—60 °С. Это сниже­ние напоминает зависимость вязкости от температуры для нефтей некоторых типов.

При низких температурах (до 45—50 °С) ПАВ находятся в водной фазе и образуют нефтеводяную эмульсию при свободной нефтяной фазе (раствор типа II). Межфазное натяжение прохо­дит резко выраженный минимум (менее 0,001 мН/м), ПАВ пере­ходят из водной фазы в нефтяную, образуется водонефтяная эмульсия, свободная нефтяная фаза исчезает, возникает мицелляр-ный раствор воды в нефти.

При температурах более 60—65 °С мицеллярные растворы претерпевают инверсию фаз, переходят в двухфазное эмульсион­ное состояние — водонефтяную эмульсию и свободную воду.

Температура инверсии фаз, так же как и содержание соли в воде, оказывает значительное влияние на область применения мицеллярных растворов.

Реологические свойства мицеллярных растворов изучались по зависимости кажущейся вязкости от скорости сдвига. В широком диапазоне изменения скорости сдвига (до 200—250 с^1) кажу­щаяся вязкость остается постоянной [34]. Это дает основание считать, что мицеллярные растворы относятся к категории ньюто­новских, т. е. обычных вязких жидкостей.

Механизм процесса. Механизм вытеснения нефти мицел-лярными растворами определяется их физико-химическими свой­ствами. В силу того что межфазное натяжение между раствором и пластовыми жидкостями (нефтью и водой) очень низкое, раст­вор, устраняя действие капиллярных сил, вытесняет нефть и воду. При рассеянной остаточной нефтенасыщенности заводненной по­ристой среды перед фронтом вытеснения мицеллярным раствором разрозненные глобулы нефти сливаются в непрерывную фазу, накапливается вал нефти — зона повышенной нефтенасыщенности, а за ней — зона повышенной водонасыщенности. Для вытеснения оторочки мицеллярного раствора в пласт вслед за раствором за­качивают полимерный раствор вязкостью, близкой к вязкости ми­целлярного раствора, а затем обычную воду. В результате в пласте образуется шесть зон (рис. 77), отличающихся по характеру и степени насыщенности (в направлении, противоположном вытес­нению):

зона исходной нефтеводонасыщенности пласта;

нефтяной вал;

водяной вал;

оторочка мицеллярного раствора;

буфер подвижности;

зона обычной воды.

• Если пористая среда обладает гидрофобными свойствами и вода находится в рассеянном состоянии, то изменения в механизме

рис. 77. Схема распределения водонефтенасыщенности в заводненном пласте при вытеснении мицеллярным раствором

w.

вытеснения и в распределении этих зон незначительны — проис­ходит замена местами вала нефти и вала воды. Вал воды стано­вится перед валом нефти. В каждой из указанных зон происходят:воеобразные процессы вытеснения.

Нефтяной вал вытесняет (собирает) только нефть, пропуская:ерез себя воду. В зоне нефтяного вала скорость фильтрации нефти юльше скорости фильтрации воды. Между нефтяным и водяным алом образуется зона смеси (переходная зона), так как вода не южет вытеснить полностью нефть. Водяной вал как бы пропускает [ерез себя часть нефти. Скорость фильтрации воды в водяном вале юльше скорости фильтрации нефти.

Мицеллярный раствор, следующий за водяным валом, увлекает ггставшую от нефтяного вала нефть и вытесняет воду с полнотой, ависящей от межфазного натяжения на контакте с водой. При;Лежфазном натяжении больше 0,5 мН/м мицеллярный раствор [полностью вытесняет воду, но не смешивается с нефтью. При меж-Й>азном натяжении больше 0,01—0,1 мН/м пластовая вода может.вигаться вместе с мицеллярным раствором, не растворяясь в нем. же поверхностное натяжение меньше 0,01 мН/м, возможно [еремешивание воды и мицеллярного раствора и, в зависимости от:тепени водонасыщенности, поглощение раствором этой воды. Когда пластовая вода движется вместе с мицеллярным раство-ом (а = 0,01 — 0,1 мН/м), скорость фильтрации ее меньше, чем аствора, и она, отставая от раствора, полностью смешивается буфером подвижности — водным раствором полимера.

Ввиду малого поверхностного натяжения между водным раст-юром полимера и мицеллярным раствором (менее 0,01 мН/м) в принципе возможно полное вытеснение мицеллярного раствора буфером подвижности. И наконец, буфер подвижности (водный раствор полимера), естественно, должен полностью вытесняться обычной водой.

Такой механизм процессов фильтрации жидкости наблюдается во время вытеснения остаточной (неподвижной) нефти из завод­ненной однородной пористой среды. При этом динамика добычи [следующая. Сначала из пористой среды извлекается одна вода

(97—99 %) до момента подхода нефтяного вала. Затем доля нефти в извлекаемой жидкости резко возрастает (до 25—60 % и более) и удерживается стабильной, пропорциональной нефтенасы-щенности в нефтяном вале. После нефтяного вала обводненность продукции вновь возрастает, и затем извлекается значительная часть оторочки мицеллярного раствора вместе с растворенной в нем отставшей нефтью и подвижной поглощенной водой.

Практически же в условиях заводненных микронеоднородных коллекторов с рассеянной нефтью и макронеоднородных пластов с неохваченными нефтяными слоями механизм вытеснения оста­точной нефти мицеллярными растворами будет значительно слож­нее описанного.

Прежде всего, неоднородность пластов будет вызывать неравно­мерность перемещения, «размазывание» всех границ раздела между различными зонами. Вследствие этого вода, насыщающая пласты перед нефтяным валом, будет хуже вытесняться, особенно растворами типов III с внешней углеводородной фазой, в большем объеме попадать во все зоны, снижая эффективность вытеснения. Увеличение насыщенности свободной водой, содержащей соли, оторочки мицеллярного раствора ухудшает вытеснение нефти, а разбавление водой буфера подвижности снижает эффективность вытеснения самой оторочки мицеллярного раствора.

В реальных условиях вода в пластах будет во всех случаях в различной степени минерализованной, с плотностью 1,05— 1,18 г/см3 и массовым содержанием солей от 4 до 15 %. При не­полном вытеснении такой воды и контактировании с ней мицел­лярного раствора будет происходить увеличение минерализации, переход в мицеллярный раствор катионов (кальция и магния) из воды и породы. Наличие в мицеллярных растворах многовалентных катионов солей само по себе мало ухудшает их вытесняющую спо­собность, если сохраняется структура растворов. Но при большом насыщении раствора солями снижаются активность сульфонатов и предельное содержание воды, необходимое для обращения фаз ми­целлярного раствора (инверсии), увеличения растворимости нефти и перехода его из «средней фазы» (тип IV), в «верхнюю фазу» (образование эмульсии, разделение на нефть и воду) вследствие повышения межфазного натяжения между углеводородной и вод­ной фазой раствора. В этом случае эффективность вытеснения ос­таточной, рассеянной в заводненных слоях нефти мицеллярным раствором будет ниже, чем устойчивым раствором с внешней уг­леводородной фазой, но может быть вполне удовлетворительной, если основная остаточная нефть сосредоточена в не охваченных заводнением слоях, так как повышенные вязкости раствора будут способствовать охвату вытеснением именно этой нефти.

Отрицательные последствия насыщения мицеллярных раство­ров многовалентными катионами солей можно устранить исполь­зованием для приготовления растворов других соответствующих ПДВ, позволяющих сохранять устойчивость растворов с повыше­нием их минерализации (вместо сульфонатов — смеси неионогенных и анионных ПАВ, этоксилированных спиртов, альфа-олефинов и ДР-) [41, 42]. Причем для композиции ПАВ будут необходимы чистые продукты [50] с заданными свойствами — неионогенные ПАВ с узкой степенью этоксилирования, ПАВ со сложной структурой молекул, бинарные смеси и т. д. Фундаментальные физико-химиче­ские исследования показывают реальную возможность получения устойчивых микроэмульсий для пластов с высокой минерализа­цией и температурой [41, 42, 50].

Значительно худшие отрицательные последствия могут наблю­даться при разбавлении водой и насыщении солями буфера под­вижности— водного раствора полимера. Это приводит к снижению фактической и кажущейся вязкости вытесняющей жидкости и повышению межфазного натяжения между раствором, буфером подвижности и мицеллярным раствором.

Из рассмотренных аспектов механизма вытеснения нефти из заводненных пластов мицеллярными растворами в реальных ус­ловиях следует очень важный практический вывод. Эффективность всего процесса извлечения остаточной нефти мицеллярными раст­ворами будет зависеть в основном от того, насколько полно будет вытесняться пластовая соленая вода, содержащая соли кальция и магния, и в какой степени эта вода будет изменять свойства ми­целлярного раствора (обращение фаз, повышение вязкости) и бу­фера подвижности. Очевидно, при реализации процессов извле­чения нефти из заводненных пластов с помощью мицеллярных растворов необходимо добиваться того, чтобы между раствором и водой межфазное натяжение стремилось к нулю (раствор типа II), а до оторочки раствора и буфера подвижности доходило как можно меньше пластовой воды, особенно содержащей соли кальция и магния.

Заднюю часть оторочки мицеллярного раствора для полного ее вытеснения буфером подвижности также желательно максимально насыщать водой, чтобы превратить раствор в эмульсию с внешней водной фазой.

Вел сложность практического применения мицеллярных раст-юров для извлечения нефти из заводненных пластов, очевидно,»удет заключаться в подборе для каждого пласта или участка рецептов (составов) устойчивых мицеллярных растворов, нечув­ствительных к пластовым солям, особенно кальция и магния, обе­спечивающих желательные механизм перехода растворов из одного;гипа в другой и эффективность вытеснения остаточной нефти заводненных и непромытых слоев.

Состав мицеллярных растворов для извлечения остаточной [ефти из пластов, полностью охваченных заводнением, должен от­личаться от растворов для неоднородных пластов с низким охва­том заводнением. В первом случае инверсия мицеллярных раст-юров и повышение их вязкости будут ухудшать процесс извле-1ения нефти, а во втором могут не ухудшать за счет повышения |хвата вытеснением.

Вытесняющая способность мицеллярных р а с т воров. Вытесняющая способность мицеллярного раствора опреде­ляется контролирующим межфазным натяжением, т. е. межфаз­ным натяжением между раствором и нефтью или между раствором и водой, которое больше по величине.

В табл. 37 представлены результаты экспериментальных ис­следований вытеснения нефти из заводненных образцов гидро­фильного песчаника оторочками мицеллярного раствора (тип IV) разного размера [34], обеспечивающего сверхнизкое межфазное натяжение (менее 0,001 мН/м) на контакте и с нефтью, и с водой.

Таблица 37

 

 

Влияние размера оторочки мицеллярного раствора на степень извлечения остаточной нефти видна из рис. 78. Как видно, при размере оторочки более чем 5 % от порового объема, обеспечи­вается 100 %-ное, полное вытеснение остаточной нефти (рассеян­ной) мицеллярным раствором из заводненной гидрофильной одно­родной пористой среды. В гидрофобной пористой среде эффектив­ность вытеснения не превышает 55—65 % •

Размер буфера подвижности также влияет на вытеснение нефти из заводненного песчаника. Буфер подвижности размером 6—8 % от объема пор для однородных пористых сред можно счи­тать вполне достаточным, однако в неоднородных средах требуется значительно больший буфер подвижности, чем в однородных (до 40—50 %). Это объясняется тем, что в неоднородных пластах наблюдаются проникновение незагущенной воды в буфер подвиж­ности, прорыв через него и даже образование языков обводнения в оторочке мицеллярного раствора с задней стороны, что приво­дит к рассеиванию оторочки и уменьшению эффективности вы­теснения.

В этом случае достигается 100 %-ное извлечение и остаточной нефти, и компонентов оторочки. В конце процесса в пористой среде остается только загущенная вода.

При вытеснении мицеллярными растворами остаточная нефть из-заводненной части пористой среды начинает извлекаться при прокачке через пористую среду жидкости всего 0,25—0,40 от объема пор. При прокачке жидкости 0,60—0,65 от объема пор из пористой среды начинают извлекаться компоненты оторочки ми­целлярного раствора — сульфонат и углеводородная жидкость. К этому моменту из пористой среды извлечено лишь около 50 % остаточной нефти. Остальная нефть извлекается вместе с компо­нентами оторочки мицеллярного раствора к моменту прокачки че­рез пористую среду 1,1—1,2 от объема пор жидкости. Примерно 13 % нефти и 26 % компонентов оторочки мицеллярного раствора остаются в пористой среде неизвлекаемыми (рис. 79).

Это характерно для опытов с небольшими оторочками, причем извлечение сульфонатов и углеводородов мицеллярной оторочки почти идентично, а это позволяет предполагать, что физическое удержание оторочки пористой средой, а не адсорбция ПАВ вызы­вает неполное ее извлечение. Адсорбция ПАВ должна была бы селективно уменьшать извлечение сульфоната, то не влиять на из­влечение углеводородной части оторочки.

При вытеснении остаточной нефти оторочкой мицеллярного раствора размером 80 % от объема пор наблюдается более высо­кое содержание нефти в потоке (до 68 %) в течение всего периода ее извлечения. После нефти выходит оторочка мицеллярного раст­вора. Вода, вытесняющая оторочку, появляется на выходном конце керна после нагнетания 1,5 порового объема жидкости (рис. 80).

В процессе вытеснения остаточной нефти из заводненных пористых сред взаимная подвижность жидкостей, вы­раженная через относительную вяз­кость, претерпевает резкие изменения. Во время закачки в пористую среду оторочки мицеллярного раствора и бу­фера подвижности до момента появле­ния нефти на выходном конце керна, т. е. при прокачке жидкости в коли­честве 0,2—0,25 от объема пор, наблю­дается самая низкая вязкость (низкое фильтрационное сопротивление) в за­висимости от вязкости мицеллярного раствора, вязкости нефти и нефтена-сыщенности. К моменту появления нефти на выходе из керна вязкость из­влекаемой жидкости резко (в 3—4 ра­за и более) повышается, затем сразу же начина