УЛУЧШЕНИЕ НЕФТЕВЫМЫВАЮЩИХ СВОЙСТВ ВОД

Нефтевымывающие свойства вод тесно связаны с поверхност­ными и капиллярными явлениями в пористой среде. В предыдущих главах (см. главу IX) было показано, что большая нефтеотдача по крайней мере в безводный период должна быть при вытеснении нефти из гидрофильных однородных пластов водами, характеризую­щимися высокими положительными значениями натяжения смачи­вания σ·соs θ, т. е. водами, обладающими значительной способ­ностью проникать в нефтяную часть пласта под действием капил­лярных сил. Следовательно, одним из путей улучшения нефтевымывающих свойств вод может быть добавление в них поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Как уже упоминалось, при вытеснении нефти можно выделить безводный и водный периоды. В первом процессы капиллярного пропитывания в однородных коллекторах увеличивают нефтеотдачу. ПАВ повышают интенсивность капиллярного перераспределения нефти в пористой среде и поэтому способствуют увеличению без­водной нефтеотдачи. При этом в пласте вследствие микронеодно­родного его строения и высокой удельной поверхности еще остается значительное количество пленочной и капиллярно удержанной нефти. В водный (второй) период вытеснения из породы частично вымывается и эта нефть и тем интенсивнее, чем меньше о. Добавляе­мое ПАВ функционирует при этом как эмульгирующее моющее средство.

Следует отметить, что механизм действия ПАВ еще недостаточно изучен. Однако, учитывая приведенные выше соображения, а также результаты многочисленных исследований моющего действия раз­личных поверхностно-активных веществ, можно установить некоторые элементы механизма их проявления. Функции ПАВ заклю­чаются в том, чтобы, адсорбируясь на поверхностях раздела:

1) способствовать смачиванию поверхности поровых каналов вытесняющей водой;

2) уменьшать поверхностное натяжение на границе нефть — вода;

3) вытеснять нефть с поверхности породы;

4) действовать как эмульгатор.

В зависимости от состояния нефти в пласте и ее свойств необ­ходимо, чтобы более интенсивно проявлялись определенные свой­ства моющих веществ. Если, например, жидкости в пласте пред­ставляют собой водонефтяные смеси, лучший результат при вытес­нении их будет, прежде всего, при низких значениях межфазного натяжения. Иногда, по-видимому, для увеличения нефтеотдачи целесообразно развивать эмульгирующие свойства ПАВ и т. д.

При эксплуатации залежи состояние нефти в пласте и ее свойства значительно изменяются — вначале она вытесняется водой поршнеобразно, затем зона водонефтяной области непрерывно возрастает и, наконец, теряется сплошность нефтяной фазы в большей части пласта и т. д. Поэтому желательно, чтобы моющие вещества обла­дали одновременно многофункциональными свойствами. Этого можно достигнуть использованием смесей ПАВ, каждое из которых обладает определенными функциями.

Все упомянутые выше функции ПАВ в сущности сводятся к тому, чтобы уменьшить капиллярное сопротивление движению водонефтяных смесей и чтобы как можно большее количество нефти в норо­вом пространстве в водный период вытеснения перевести в свобод­ное состояние, при котором она перестает быть связанной с твердой поверхностью молекулярными силами. Поэтому наибольший эффект дают такие ПАВ, которые способствуют быстрому разрушению пленки нефти на твердой поверхности.

Желательно, чтобы капли нефти, образующиеся при этом на поверхности минералов, имели малые углы смачивания, небольшие площади контакта с поверхностью минералов. При таких условиях отрыв и удаление капель нефти из пористой среды водой облег­чаются. Все эти условия возникают, когда адсорбирующиеся на раз­ных поверхностях раздела ПАВ значительно снижают поверхност­ное натяжение на границе вода — нефть, краевой угол смачивания, время коалесценции капель воды в нефти. По исследованиям Г. А. Бабаляна и других желательно также, чтобы при добавлении ПАВ увеличивалось время коалесценции и прилипания капель нефти к твердой поверхности, что также создает более благоприят­ные условия для вымывания нефти из пласта [49]. Не все поверх­ностно-активные вещества одновременно удовлетворяют всем упо­мянутым требованиям. Поэтому разные ПАВ обладают различной нефтевымывающей способностью. ПАВ, по-видимому, следует под­бирать экспериментально, исходя из свойств пластовых систем условий вытеснения. Лабораторные опыты показывают, что, используя поверхностно-активные вещества, можно увеличить нефтеотдачу пористых сред на 8—10%.

Первые опыты по промышленному нагнетанию в нефтяные пласты растворов ПАВ, проведенные в США, были успешные.

В СССР в лабораторных условиях испытано значительное коли­чество неионогенных ПАВ типа ОП-10 и КАУФЭ14 (оксиэтилиро-ванные алкилфенолы), анионо-активные — НЧК, сульфонол, НП-1, азолят А, азолят Б, «Прогресс» (натриевая соль алкилсульфосоединений), а также катионо-активные ПАВ. Лучший результат при вытеснении нефти показывают растворы неионогенных ПАВ.

Установлено также, что ионогенные поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхностях минералов больше, чем неионогенные.

Применение ПАВ в промышленности для улучшения нефтевымывающих свойств вод встречает значительные трудности вслед­ствие адсорбции их огромной поверхностью пород. В зоне же водонефтяного контакта концентрация ПАВ понижается и моющее дей­ствие их уменьшается. Следует, однако, иметь в виду, что при филь­трации чистой воды в дальнейшем происходят также процессы десор­бции. Кроме того, установлено, что абсорбция не одинакова по всему пласту. Фронт предельной адсорбции ПАВ (т. е. равновес­ной, более не увеличивающейся адсорбции) отстает от фронта нагне­таемого раствора. Причем это отставание настолько велико, что к концу разработки не будет достигнут предел адсорбции по всему пласту. Наконец, с полной потерей ПАВ вследствие адсорбции, по-видимому, можно будет бороться введением в пласт первых пор­ций воды с повышенным содержанием ПАВ, которые будут в даль­нейшем продвигаться по пласту необработанными пресными водами («метод оторочки»).

Некоторые исследователи считают, что применение ПАВ не даст положительных результатов вследствие возникновения перед на­гнетаемой в нефтяную часть пласта водой вала остаточной воды, которая, как известно, во многих месторождениях представляет собой концентрированный жесткий раствор солей. Предпола­гается, что вытеснение нефти при этом происходит не растворами ПАВ, нагнетаемыми в пласт, а оторочкой жесткой воды с плохими нефтевымывающими свойствами.

Большинство исследователей, однако, считают, что этот довод против применения ПАВ недостаточно обоснован. Следует прежде всего отметить, что процессы смешивания нагнетаемых вод с оста­точными недостаточно исследованы. По результатам большинства лабораторных опытов нагнетаемая вода смешивается с остаточной даже при незначительном содержании последней в пористой среде и впереди фронта нагнетаемой воды образуется вал остаточной воды. Следует, однако, отметить, что эти лабораторные опыты не достаточно убедительны главным образом вследствие несоблюде­ния условий физико-химического подобия лабораторных моделей пластов естественным. Например, есть основания полагать, что за геологические периоды в естественных пластах на контактах нефти, воды и породы образовались прочные равновесные поверх­ностные слои с соответствующими физико-химическими и механи­ческими свойствами. В лабораторных же моделях, по-видимому, продолжаются процессы формирования адсорбционных слоев на контактах нефти, воды и породы в процессе опыта, что приводит к более быстрому смешиванию нагнетаемой воды с остаточной.

Опыты с естественными насыщенными нефтью образцами также не могут считаться вполне достоверными, так как керны имеют большую поверхность и глубину разрушений, образующиеся при выбуривании керна, что также способствует образованию искус­ственно возникших гидрофильных путей контакта нагнетаемой воды с остаточной. Поэтому особый интерес представляют промыс­ловые исследования смешиваемости нагнетаемой воды с остаточной.

Интересный материал по изменению минерального состава воды, получаемой вместе с нефтью после прохождения ее от нагнетатель­ных скважин к эксплуатационным, накоплен на Азнакаевской площади Ромашкинского месторождения в процессе эксперимента по разрезанию нефтяной залежи рядом нагнетательных скважин. Оказалось, что при закачке пресной воды в нагнетательные сква­жины изменение минерализации воды, прорвавшейся в соседние эксплуатационные скважины, расположенные от нагнетательных на расстоянии 500 м, происходит по сложному закону. Вначале в них появляется пресная вода, по степени минерализации близкая к закачиваемой (результаты анализа показали, что иногда вода те­ряет в пласте часть солей и минерализация прорвавшейся воды становится ниже, чем нагнетаемой). При дальнейшей эксплуатации скважины происходит медленное повышение минерализации добы­ваемой воды, которая затем весьма резко (в течение 5—25 дней) увеличивается до значений, близких к минерализации пластовой воды. После этого наступает длительный период поступления в сква­жину вод с высокой минерализацией, оканчивающийся вновь замещением их пресными водами.

Этот опыт показывает, что в естественных условиях пласты обладают специфическими особенностями, которые не учитываются и не воспроизводятся лабораторными моделями, а в промысловых условиях нагнетаемая вода не всегда смешивается с остаточной.

По-видимому, образование вала остаточной воды впереди фронта нагнетаемого раствора ПАВ может происходить лишь при значи­тельных количествах остаточной воды. Многие участки пластов содержат лишь 4—6% остаточной воды от объема пор. Вероятность быстрого возникновения вала остаточной воды или смешения с ней нагнетаемых вод при таком начальном водосодержании пород весьма мала. Даже если они и смешиваются в процессе движения нагне­таемых вод, неизвестно, какой путь проходит фронт, прежде чем вода обогащается солями. Наконец, установлено, что даже при возникновении вала остаточной воды при значительном ее содержа­нии в пласте (20—30% от объема пор) она перемешивается с нагне­таемой в пласт, обработанной ПАВ водой и нефтевымывающие свой­ства смесей оказываются достаточно хорошими.

Все это позволяет считать, что применение ПАВ часто может быть очень эффективным.

Высокая дороговизна поверхностно-активных веществ задер­живает широкие промысловые испытания их. Поэтому наряду с даль­нейшими исследованиями условий эффективного применения мою­щих средств для увеличения нефтеотдачи пластов изыскиваются более доступные пути улучшения нефтевымывающих свойств вод.

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой может быть понижено путем нагнетания в пласт щелочных вод. Взаимодействуя с нафтеновыми кислотами, содержащимися в нефти, щелочи приво­дят к образованию натриевых мыл вблизи поверхности раздела вода — нефть; некоторые мыла нафтеновых кислот являются эф­фективными поверхностно-активными веществами, повышающими вымывающие свойства вод. По этой причине на некоторых промыс­лах СССР, где вместе с нефтью добываются щелочные воды, они используются для повышения нефтеотдачи путем нагнетания их в истощенные пласты, содержащие значительное количество оста­точной нефти.

Дальнейшее изучение проблемы улучшения нефтевымывающих свойств вод должно быть направлено по линии поисков наиболее аффективных моющих веществ, а также путем дальнейшего уточне­ния их функций и механизма вытеснения нефти водой из пористых сред.

Хорошие результаты но лабораторным данным получены при вытеснении нефти водными растворами углекислого газа.

Результаты исследований закономерностей вытеснения нефти «водой из неоднородных пористых сред позволяют сделать предположение, что механизм проявлении моющих веществ в них допол­няется некоторыми специфическими особенностями.