WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Мугатабарова Альбина Акрамовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена на кафедре прикладной физики Башкирского государственного университета и в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть».

Научный руководитель:

- доктор физико-математических наук,

профессор

Хабибуллин Ильдус Лутфурахманович

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук,

профессор Урманчеев Саид Федорович,

директор института механики уфимского научного центра РАН

- кандидат технических наук, доцент

Калиновский Юрий Валентинович,

доцент кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений УГНТУ

Ведущая организация:

- Государственное автономное научное учреждение «Институт нефтегазовых технологий и новых материалов Республики Башкортостан»

Защита состоится « » мая 2012 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.09 при Башкирском государственном университете по адресу: 450007, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, в аудитории 216 физико-математического корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан «__» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор                                        Ковалева Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. В настоящее время основные нефтяные месторождения находятся на поздней стадии разработки, которая характеризуется ухудшением структуры запасов и ростом обводненности добываемой продукции. Воды, извлекаемые вместе с нефтью, являются основным вытесняющим нефть агентом, в том числе основой растворов различных реагентов в процессах обработки призабойной зоны пласта и интенсификации добычи нефти. В связи с этим проблемы целенаправленного воздействия на пластовые воды и эффективного их использования для увеличения нефтеотдачи представляют актуальную задачу.

Интенсификация добычи нефти может осуществляться за счет использования пластовых вод путем создания в пластах физико-химических условий, обеспечивающих эффективный процесс вытеснения нефти, в частности, путем электрохимической активации вод.

Известны два вида воздействия электрическим током на минерализованные воды – электрохимическое и ионно-плазменное (ЭХВ и ИПВ). Они относятся к способам генерирования химически активных частиц под действием электрического тока и плазмы соответственно. ЭХВ и ИПВ обеспечивают протекание электро- и плазмохимических реакций, способствующих изменению химического состава и физико-химических свойств вод. Сопутствующим процессом при этом является электролитический нагрев. Новые свойства пластовой воды, в том числе соотношения выхода окислителей и восстановителей (показатель рН), определяются величиной подаваемого на электроды напряжения, временем воздействия, материалами электродов, составом и минерализацией вод.

Достоинством электрохимической активации вод является то, что пластовая вода без внесения в нее химических реагентов превращается в активный водный раствор с кислотными или щелочными свойствами. Полученные растворы могут быть использованы для очистки призабойной зоны пласта и воздействия на пласт.

Использование процессов электрохимических обработок пластовых вод и скважин известно как в нашей стране, так и за рубежом. Во многих работах приведено объяснение физико-химических процессов в минерализованных водах, происходящих при ЭХВ и ИПВ, также рассматриваются процессы взаимодействия продуктов реакций с насыщенной пористой средой. Недостаточно освещенными остаются изменения фильтрационных характеристик пластов при их заводнении водой после ЭХВ и ИПВ.

Цель работы – исследование ЭХВ и ИПВ на минерализованные пластовые воды нефтяных месторождений и установление механизмов влияния полученных активных водных растворов на фильтрационные характеристики пород для определения возможностей эффективного использования этих растворов в процессах интенсификации добычи нефти.

Основные задачи работы:

  1. Обзор и анализ научно-технической литературы по электрохимической активации минерализованных вод; анализ и обобщение результатов внедрения электрохимических и плазменных методов увеличения нефтеотдачи пластов (литературно-патентный поиск применения в нефтедобыче).
  2. Проведение экспериментальных работ по изучению физико-химических процессов при ЭХВ и ИПВ на минерализованные воды.
  3. Комплексные лабораторные исследования по определению влияния электрохимической активации минерализованных вод на фильтрационные характеристики пород.
  4. Численная реализация математической модели вытеснения нефти электрохимически активированной водой.
  5. Расчет параметров забойного электрохимического генератора.
  6. Определение и формулировка оптимального способа ЭХВ на пластовую воду.

Методы решения поставленных задач. Основным методами решения поставленных задач являются экспериментальные исследования, последующий анализ и обобщение их результатов. При проведении экспериментальных исследований по ЭХВ и ИПВ на минерализованные воды и опытов по изучению влияния полученных активных водных растворов на нефть и породу пластов использовались современные лабораторные методы, такие как: метод центрифугирования, хроматография, рентгеноструктурный анализ, лабораторное моделирование процесса вытеснения нефти водой на образцах кернов пород-коллекторов, метод Амотта, и другие.

Использовалось также численное моделирование процесса двухфазной фильтрации нефти и воды.

На защиту выносятся:

  1. Результаты экспериментальных исследований по воздействию постоянным электрическим током на минерализованные воды нефтяных месторождений, показывающие возможность получения активных водных растворов с щелочными или кислотными свойствами.
  2. Результаты комплексных экспериментальных исследований, на основе которых установлено: снижение межфазного натяжения на границе раздела нефти с водой после ЭХВ; образование эмульсии нефти в активной воде; изменение характера смачиваемости водой после ЭХВ терригенных коллекторов с гидрофобного на гидрофильный.
  3. Результаты лабораторного моделирование вытеснения нефти водой: при вытеснении нефти активной водой коэффициент нефтевытеснения в терригенных коллекторах в среднем увеличивается на 6 %.
  4. Полученные численной реализацией математической модели вытеснения нефти водными растворами электрохимических агентов результаты, показывающие эффективность вытеснения нефти водой после ЭХВ.
  5. Новый способ электрохимической обработки скважин с комплексом технических средств.

Научная новизна.

На основе лабораторных исследований установлено:

– снижение межфазного натяжения на границе раздела нефти с водой после ЭХВ, образование эмульсии нефти в активной воде;

– изменение кривых капиллярного давления при заводнении активной водой: при одних и тех же величинах капиллярных давлений образцы керна песчаника, насыщенные водой после ЭХВ, удерживают большее количество воды;

– вода после ЭХВ изменяет характер смачиваемости терригенных пород с гидрофобного на гидрофильный, этот эффект в известняках не наблюдается. Значения параметра насыщения для песчаника меньше при их насыщении водой после ЭХВ, что подтверждает увеличение гидрофильности породы.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для интенсификации добычи нефти при реализации способа электрообработки скважин в разработке нефтяных залежей. Кроме того, они необходимы для понимания процессов, происходящих в пористой среде продуктивных пластов при воздействии на них активными водными растворами, полученными в результате воздействия на минерализованные пластовые воды электрическим током.

Разработан новый способ электрохимической обработки нагнетательных скважин.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и научных школах:

  • Научно-практическая конференция «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках VIII Российского энергетического форума (г. Уфа, 2008г.);
  • Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов- физиков и молодых ученых (ВНКСФ – 14, Уфа, 2008);
  • Студенческая научно-практическая конференция по физике (г. Уфа, 2009г.);
  • Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 2009г.);
  • Х и ХI научно-практические конференции молодых работников ОАО «Татнефть» (г. Альметьевск, 2010г.; г. Азнакаево, 2011г.);
  • Семинар молодых специалистов ОАО «Татнефть» по секции «Геология, разработка и увеличение нефтеотдачи пластов» (г. Альметьевск, 2012г.).

Публикации и личный вклад автора. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, из которых 3 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получен 1 патент РФ на изобретение. Личный вклад автора состоит в выборе объектов и методов исследований, непосредственном проведении экспериментов, анализе полученных результатов экспериментальных и численных исследований, формулировке выводов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 154 наименования. Изложена на 126 страницах машинописного текста, в том числе содержит 1 приложение, 21 таблицу и 69 рисунков.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю д.ф.-м.н. Хабибуллину И.Л., к.т.н. Газарову А.Г., к.ф.-м.н. Мусину К.М., к.т.н. Сотникову О.С., Ремееву М.М., а также сотрудникам ТатНИПИнефть и БашГУ за помощь и полезные советы, высказанные в процессе выполнения работы.





СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приводятся теоретические основы ЭХВ и ИПВ на минерализованные воды; обзор применения электрохимического, плазменно-импульсного и электроразрядного воздействий на пластовые воды, известных забойных электротермохимических и плазменных устройств в нашей стране и за рубежом.

Вопросами увеличения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти с помощью электрохимического воздействия на воду занимались Абрукин А.Л., Попов Е.А., Селяков В.И., Мариампольский Н.А., Саяхов Ф.Л., Касимов Р.Г., Хабибуллин И.Л., Газаров А.Г., Курамшин Ю.Р., Ростовский Н.С., Селяков В.И., Вежнин С.А., Нечаев В.К., Долгов Д.В., Рыбаков А.Д., Молчанов А.Н., Агеев П.А., Шириев О.Д., Рыжаков Д.С., Гульков А.Н. и др.

Важнейшим показателем электрохимических процессов является вольт-амперная характеристика. На этой характеристике можно выделить три участка. Первый характеризуется постоянным электрическим сопротивлением и линейной зависимостью между током в нагрузке электролитной ячейки и напряжением источника питания. На этом участке происходит процесс обычного электролиза, осуществляется режим ЭХВ. Второй участок соответствует переходным процессам. Третий участок характеризуется наличием устойчивой парогазовой оболочки вокруг активного электрода, которая приводит к возникновению микроразрядов, сопровождаемых скачкообразными изменениями тока и напряжения. Происходит зажигание плазмы , реализуется режим ИПВ.

Анализ результатов лабораторных экспериментов по ЭХВ и ИПВ подтверждает, что в исходной воде происходят качественные и количественные изменения. В зависимости от параметров воздействия, материалов электродов и состава воды возможно получение активных водных растворов в широком диапазоне значений рН (от 1,5 до 12,5).

В литературе известны различные способы электро- и плазмобработок скважин, которые основаны на следующем: 1) образование CO2 вокруг электродных скважин; 2) электроразрядное воздействие на призабойную зону пласта в циклическом режиме; 3) растворение отложений парафина и асфальто-смолистых веществ за счет нагрева; 4) микровзрывы в тонких капиллярах и увеличение проницаемости за счет разрушения цементирующих веществ; 5) снижение аномалий вязкости нефти после обработки; 6) возбуждение циклических волн сжатия, пульсирующей парогазовой полости, мощных электромагнитных полей; 7) управление фазовым состоянием лифтируемой жидкости под действием электрического поля; 8) выпадение в осадок продуктов химических реакций и выравнивание профиля приемистости; 9) динамическое электротермозаводнение; 10) ликвидация глухих пробок в затрубном пространстве обводненных скважин; 11) закачка щелочного раствора в пласт.

Эффективность применения ЭХВ и ИПВ в нефтедобыче определяется кинетикой взаимодействия активной воды с нефтью, породой конкретного месторождения, условиями его разработки, характеристиками пласта.

Во второй главе приводятся результаты лабораторных исследований ЭХВ и ИПВ на пластовые воды нефтяных месторождений.

В опытах по исследованию процессов при воздействии постоянного электрического тока на минерализованные воды ставилась задача определения показателя рН при различных значениях силы тока и напряжения, увеличения температуры электролита, объема газов.

Опыты проводились на установке, состоящей из стеклянной емкости, электродов, счетчика газа, токопроводов, источника постоянного тока, рН-метра. Эксперименты проводились следующим образом. В емкость заливается модель пластовой воды (либо пластовая вода) и опускаются электроды, к которым подается потенциал. Фиксируются изменения температуры воды, объема выделяющихся газов, силы тока и напряжения. После каждого опыта определяется показатель рН воды.

Опыты показали, что независимо от исходной концентрации электролита, подаваемого напряжения, расстояния между электродами происходит быстрый нагрев электролита, сопровождаемый выделением газа. В опытах с моделью пластовой воды расстояние между электродами составляло 0,5 см, объем воды – 500 см3. Максимальное увеличение рН (до 12,5) с минимальным выпадением осадка выявлено при времени воздействия t=60 мин. и малых значениях напряжения и силы тока (5 В и 0,5-1 А). Увеличение плотности воды в опытах по ЭХВ с медными электродами составило от 1136 до 1139 кг/м3, вязкости – от 1,51 до 1,57 сПз.

Температура раствора возрастает практически по линейному закону. Причем, с увеличением напряжения происходит увеличение температуры водного раствора примерно в 1,2-1,5 раза (рис. 1). Чем больше значение подаваемого напряжения, тем выше скорость роста температуры, что соответствует закону Джоуля-Ленца. Линейное увеличение температуры со временем наиболее заметно при высоких напряжениях, когда нагрев электролита происходит наиболее интенсивно и влияние теплообмена с окружающей средой является незначительным.

Рис. 1 – Изменение температуры раствора со временем при разных значениях напряжения на электродах

Измерения объемов образующихся газов (водород и хлор) показали, что объем газов линейно увеличивается по времени. Чем больше значение подаваемого напряжения, тем больше объем газов. Сравнение экспериментальных значений объема газов с расчетными объемами (по закону Фарадея), показывает, что первые на 8-16 % меньше. Эта разница обусловлена побочными реакциями, протекающими в растворе и на электродах. Выход по току для газов составляет около 90 %, что соответствует литературным данным.

Водородный показатель вначале растет тем быстрее, чем больше напряжение. Это связано с тем, что при больших напряжениях, за счет больших значений силы тока, электролиз происходит более интенсивно и в растворе образуется больше ионов гидроксила. В последующем (через 20 минут) рост pH прекращается и его значение стабилизируется. Это можно объяснить ростом температуры и увеличением газонаполнения электролита, приводящими к более интенсивному перемешиванию раствора. Часть хлора образует водный раствор соляной кислоты, которая частично нейтрализует едкий натр, тем самым уменьшается прирост рН.

В зависимости от состава пластовой воды при ЭХВ на минерализованную пластовую воду происходит как увеличение, так и уменьшение рН воды (табл. 1). Для пластовых вод с повышенным содержанием хлоридов ЭХВ смещает рН в сторону кислотности. Повышение содержания HCO3 при снижении содержания хлоридов приводит к щелочному эффекту ЭХВ. Значение водородного показателя изменяется в течение длительного промежутка времени (рис. 2).

Таблица 1 – Исходный состав образцов пластовых вод

Содержание, г/л

№ образца воды

Cl

SO4

HCO3

Ca

Mg

K+Na

Минер.

рН

1

111,60

0,41

0,18

10,70

3,54

53,67

180,10

5,6


2

13,40

0,002

1,04

0,43

0,07

5,76

20,70

6,5

Рис. 2 – Изменение рН образцов воды после ЭХВ со временем

Исследования по ИПВ на пластовую воду проводились на стенде ИПВ – это установка, состоящая из герметичной колонны, внутри которой находится изолированные стальной анод и углеродный (нерастворимый) катод. Стенд ИПВ оснащен комплексом приборов для наблюдения за характеристиками процесса. Для проведения испытаний использован специальный источник питания, позволяющий обеспечить бесступенчатое регулирование выходного напряжения постоянного тока.

Колонна стенда заполнялась пластовой водой, состав которой включал катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH+, всего – 7888 мг/л, анионы Cl-, SO42-, CO32-, HCO3-, всего – 12061 мг/л. Напряжение, подаваемое в зону реакции изменялось от 5 до 65 В. ИПВ проводилось при полном погружении электрода в воду. Рост температуры и давления происходил плавно, наблюдались скачки показаний напряжения и силы тока. Они обусловлены электрическими разрядами в газовых пузырьках, образующихся вокруг электрода в электролите. При увеличении разности потенциалов был слышен стук – звуки электрических пробоев с максимумами показаний на вольтметре (до 50 В) и амперметре (до 30 А). Это говорит о реализации режима ИПВ.

В результате ИПВ образец пластовой воды содержит хлопья темного (ржавого) вещества, выпадающие в осадок. Результат рентгено-флюоресцентного анализа осадка указывает на то, что осадок состоит в основном из солей железа, полученных в результате анодного растворения материала электрода. В составе окисленных металлов содержится: железа 88,2 %, натрия 4,6 %, марганца и меди по 0,3 %, кремния и хрома по 0,2 %, никеля и других металлов менее 0,1 %.

Измерения на рН-метре показали, что пластовая вода без внесения в нее дополнительных химических реагентов вследствии ИПВ превращается в активный раствор с преобладающими кислотными свойствами. Так, значения водородного показателя меняются от исходного рН=7,5 до рН=6,4 (время воздействия 55 минут) и рН=4,5 (171 минута воздействия). В результате подобного воздействия она изменяет свою плотность, вязкость, химический состав и другие свойства.

Результаты экспериментальных исследований ЭХВ и ИПВ на пластовые воды показали, что в зависимости от параметров воздействия (сила тока, напряжение и время) и материалов электродов (растворимые и нерастворимые) возможно получение активных водных растворов в широком диапазоне значений рН (от 1,5 до 12,5).

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по определению влияния электрохимически активных водных растворов на фильтрационно-емкостные характеристики пород, которые включили в себя определение показателя смачиваемости пород, снятие кривых капиллярного давления, измерение удельного электрического сопротивления, определение межфазного натяжения на границе раздела флюидов. Помимо этого выполнялось лабораторное моделирование процесса вытеснения нефти водой и водой после ЭХВ с определением относительных фазовых проницаемостей (ОФП) и коэффициента нефтевытеснения.

Первая серия экспериментов проводилась по трем направлениям: исследования изменения кривых капиллярных давлений методом центрифугирования, удельного электрического сопротивления и смачиваемости образцов керна, насыщенных активной водой.

Эксперименты показали, что при одних и тех же величинах капиллярных давлений Рк образцы керна песчаника, насыщенные водой после ЭХВ с щелочным рН, удерживают большее количество воды, чем при насыщении исходной пластовой водой (рис. 3). Значение остаточной водонасыщенности, отражающее изменения, происходящие в очень малых порах, для образцов керна песчаника также больше в случае насыщения водой после ЭХВ. Следовательно, активная вода с щелочным рН изменяет смачиваемость поверхности среды в гидрофильную сторону, что является благоприятным фактором при вытеснении ею нефти.

Электрические свойства пород-коллекторов связаны со степенью их смачиваемости. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) частично водонасыщенных пород зависит от характера распределения минерализованной воды в поровом пространстве и от водонасыщенности, определяющей долю объема пор, в которых возможно прохождение электрического тока. С уменьшением водонасыщенности площадь поперечного сечения, сквозь которую протекает электрический ток, уменьшается, а длина линий тока увеличивается.

Рис. 3 – Зависимость капиллярного давления от водонасыщенности

Измерение УЭС образцов керна производилось по компенсационной мостовой схеме с использованием моста переменного тока. Эксперименты показали, что УЭС образцов керна имеют меньшие значения в случае насыщения их водой после ЭХВ с щелочным рН, чем при насыщении минерализованной водой с нейтральным рН. Уменьшение УЭС может происходить за счет улучшения смачиваемости поверхности водой, когда покрытие ее водой становится менее прерывистым. Значит, вода после ЭХВ лучше смачивает породу, следовательно, заполняет более мелкие поры и капилляры, что удлиняет токопроводящие водные каналы, тем самым уменьшая УЭС образцов.

Из литературы известно, что кривые параметра насыщения Рн (отношение УЭС частично водонасыщенной породы к УЭС полностью водонасыщенной породы) от водонасыщенности для гидрофильной и гидрофобной породы различны как по наклону, так по направлению изгиба линий. Кривые параметра насыщения для гидрофильной породы ниже при определенной водонасыщенности и изменяются незначительно, в то время как при лучшей смачиваемости породы нефтью при той же водонасыщенности – выше.

Сравнение зависимостей Рн от водонасыщенности при насыщении образцов керна водой и водой после ЭХВ с рН=9,04 показывают, что значения параметра насыщения для песчаника ниже при их насыщении водой после ЭХВ (рис. 4). Для образцов керна известняка эффект от насыщения активной водой не наблюдался.

Сравнения экспериментальных данных определения показателей смачиваемости н и в ( – отношение вытесненного объема жидкости при самопроизвольной пропитке керна к общему объему жидкости, вытесненному как при пропитке, так и при принудительном вытеснении) образцов керна методом Амотта при использовании модели пластовой воды и воды после ЭХВ с рН=10,16 (рис. 5) показали, что активный водный раствор повышает гидрофильность пород.

Рис. 4 – Зависимости параметра насыщения от водонасыщенности

Рис. 5 – Сопоставление экспериментальных данных определения показателей смачиваемости н и в пород методом Амотта с водой с нейтральным рН и водой после ЭХВ с щелочным рН

Определение межфазного натяжения на границе раздела жидкостей (нефть – активная вода) производилось методом счета капель на сталагмометре. Эксперименты проводились с использованием пластовой воды и модели пластовой воды плотностью 1140 кг/м3. Были подобраны три образца нефти из терригенных пластов с известными значениями плотности и вязкости.

Результаты экспериментальных измерений показали, что во всех случаях при использовании воды после ЭХВ с щелочным рН наблюдалось снижение межфазного натяжения. В активной воде капля каждого образца нефти вытягивалась из капилляра и отделялась с длинной шейкой. Капли нефти в воде после ЭХВ были мелкими и отделялись от кончика капилляра за гораздо меньшее время, чем в воде. Это говорит о том, что нефть образует эмульсию в активной воде.

На рис. 6 приведены полученные экспериментальные зависимости межфазного натяжения от значения рН активной воды с щелочным рН. Графический вид данных зависимостей схож с видом аналогичных зависимостей при использовании щелочного раствора, указанных в литературе. Полученные результаты экспериментов не имеют противоречий с известными работами: повышение значения рН водного раствора способно уменьшить межфазное натяжение на границе контакта между флюидами. Разница состоит в том, что изменение значения рН обычно достигается введением в воду реагентов, а в данной работе – путем ЭХВ на пластовую воду.

Рис. 6 – Зависимость межфазного натяжения на границе «нефть-вода» от рН воды после ЭХВ

При проведении опытов наблюдалось, что образцы нефти 1 и 2 при смешивании с водой после ЭХВ практически самопроизвольно диспергируются, образуя мелкодисперсную, устойчивую эмульсию. Капля нефти этих образцов на поверхности воды после ЭХВ с щелочным рН вытягивается, становится неровной, т.е. наблюдается практически мгновенное снижение межфазного натяжения. Капля нефти разбивалась на мелкие, окруженные переходным слоем, капли, у ее поверхности раздела с окружающей водой после ЭХВ формировался мутный переходной слой.

Образец нефти 1 характеризуется значительно большей вязкостью, чем другие два образца нефти (=127,6 сПз). При контакте этого образца нефти с водой после ЭХВ поверхность раздела фаз оставалась все время гладкой, окрашивания и помутнения раствора не наблюдалось. Уменьшение нв у этой нефти происходило меньше всего (рис. 6).

Из проведенных экспериментов следует, что основные факторы, которые могут быть использованы для повышение нефтеотдачи при заводнении водой после ЭХВ, коррелируют с характеристиками щелочного заводнения, а именно: снижение межфазного натяжения, увеличение гидрофильности породы, образование эмульсии нефти в воде.

Вторая серия экспериментов – моделирование вытеснения нефти – проведилась на 8 образцах керна, характеристики которых приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что для образца 10 значение открытой пористости m больше после его заводнения ЭХВ-раствором. Это единственный образец, для заводнения которого был использован кислотный водный раствор, полученный в результате ЭХВ на пластовую воду. Видимо, вода после ЭХВ растворила некоторую карбонатную часть породы. Для остальных образцов керна существенное отклонение пористости не произошло.

Таблица 2 – Характеристики образцов керна

№ обр.

Горизонт

Литология

k, 10-3 мкм2

Исходное значение

m, %

m после ЭХВ-раствора, %

воды до обработки, кг/м3

рН воды после ЭХВ

5

Бобриковский

Песчаник слабоалев-

ритистый

78

22,64

23,02

1000

9,58

6

Бобриковский

Песчаник

363

24,55

24,67

1000

9,74

7

Бобриковский

Песчаник

461

25,09

25,27

1140

10,76

8

Бобриковский

Песчаник

721

26,58

26,35

1140

10,58

9

Бобриковский

Песчаник

1528

18,25

18,52

1140

10,73

10

Верейский

Известняк

646

21,27

24,50

1000

4,35

11

Верейский

Известняк

460

16,03

15,20

1000

10,21

12

Верейский

Известняк

681

25,27

25,61

1000

10,33

Результаты определения коэффициентов вытеснения нефти Квыт для образцов керна представлены на рис. 7.

Для образцов керна известняка заводнение оказалось эффективным, когда была использована вода после ЭХВ с кислотными свойствами (образец 10). При заводнении известняков водой после ЭХВ с щелочными свойствами эффекта не было, что коррелируется с результатами экспериментов по определению капиллярного давления и УЭС.

Прирост Квыт водой после ЭХВ для образцов песчаника наблюдался в четырех случаях из пяти.

Образец керна 5, в котором эффект от заводнения водой после ЭХВ не наблюдался, имеет наименьшую проницаемость. В гранулометрическом составе образца керна 5 содержится повышенное содержание пелитовой фракции – 7,7 %. Известно, что глина поглощает большое количество щелочной компоненты и сильно разбухает. В результате это, по-видимому, уменьшает фазовые проницаемости.

В ходе экспериментов определялись ОФП и регистрировались параметры, необходимые для расчёта функции Баклея-Леверетта. Если проанализировать кривые ОФП для образца 6, то можно отметить следующее (рис. 8): ОФП для нефти в случае вытеснения электрохимически активированной водой с щелочным рН выше, чем в случае вытеснения водой с нейтральным рН; ОФП для воды при прокачке активного водного раствора ниже, чем при фильтрации воды с нейтральным рН; точка пересечения кривых ОФП по нефти и воде при использовании воды после ЭХВ с щелочным рН сдвигается вправо, в область больших значений водонасыщенности, что указывает на гидрофилизацию породы.

Динамика вытеснения нефти, представленная на рис. 9, показывает преимущество заводнения активной водой.

Рис. 7 – Значения коэффициентов вытеснения нефти водой после ЭХВ и водой

Рис. 8 – Зависимость ОФП для нефти и воды от водонасыщенности

Рис. 9 – Динамика изменения коэффициента вытеснения нефти при закачке воды и воды после ЭХВ

В четвертой главе приводятся результаты численной реализации математической модели вытеснения нефти агентами, полученными путем ЭХВ на пластовые воды. При решении задачи использовался метод конечных разностей. Задача состоит в следующем.

Через скважину проводится закачка оторочки воды после ЭХВ с щелочным рН, которая в последующем вытесняется обычной водой. Динамика движения оторочки раствора в пласте рассматривается с учетом адсорбции активного агента пористой средой. Необходимо найти распределение водо- и нефтенасыщенности, концентрации активного агента и давления в пласте.

Уравнения неразрывности для фаз ( 1 – вода, 2 – нефть) и активного агента (гидроксид натрия NaOH) имеют вид:

где p – давление, s – водонасыщенность, С – концентрация активного агента в растворе, Г – коэффициент Генри, k – абсолютная проницаемость, q – удельный расход скважины, f1(s) и f2(s) – относительные фазовые проницаемости, 1 и 2 – вязкости воды и нефти соответственно.

Эта система уравнений решалась при следующих краевых условиях:

; , ; , ;

, .

Здесь t0 – время закачки электрохимически активированной воды с концентрацией NaOH С0.

Для проведения расчетов составлена программа численного интегрирования системы уравнений приведенной выше модели при следующих базовых значениях параметров: m=0,2; k=0,5 мкм2; s01=0,1; 1=1,51 мПа⋅с; 2=20 мПа⋅с; pс=10 МПа; =5 МПа; Г=0,1; С0=0,0005; l=100 м; h=5 м; t0=10 сут.; rс=0,06 м. Для нахождения насыщенностей и концентрации использована явная схема, а для нахождения давления – неявная. При расчетах использованы зависимости ОФП от водонасыщенности, полученные на основе аппроксимации результатов лабораторных экспериментов (рис. 8). Таким образом, для случая вытеснения водой после ЭХВ имеем:

,        ;

Для случая вытеснения водой:

,        .

Получено, что кривая водонасыщенности в случае вытеснения нефти водой после ЭХВ с щелочным рН выше, чем в случае вытеснения водой (рис. 10), следовательно, значение водонасыщенности на скачке больше при вытеснении активной водой.

Рис. 10 – Профили водонасыщенности на момент времени t=50 суток при вытеснении нефти водой после ЭХВ (кривая 1) и водой (кривая 2)

В виду того, что скорость фронта вытеснения нефти больше скорости фронта оторочки (рис. 9-10), применение активной воды при заводнении увеличивает период безводной эксплуатации: при использовании ЭХВ-раствора прорыв воды к добывающей скважине происходит через 200 сут., при использовании воды – через 165 сут.

Рис.11 – Распределение концентрации активного агента раствора в пласте в разные моменты времени

Сравнение результатов численного расчета и аналитического решения по теории Баклея-Леверетта показали их хорошее согласие (рис. 12). На рис. 12 точками обозначены значения водонасыщенности, определенные по теории Баклея-Леверетта.

Рис. 12 – Результаты сравнения численного решения с аналитическим решением по теории Баклея-Леверетта

В четвертой главе также приводятся расчеты материального и энергетического балансов процесса ЭХВ на минерализованные воды и параметров забойного электрохимического генератора.

В табл. 3 приведены режимы и параметры воздействия электрическим током на пластовую воду для получения активных водных растворов.

Таблица 3 – Критерии применения ЭХВ и ИПВ на пластовую воду

Режим воздействия

током

Параметры

ЭХВ на пластовую воду

ИПВ на пластовую воду

Напряжение / Сила тока

5 В, 1-2 А

Более 50 В, 2-30 А

Материал анода

Графит, медь

Графит, оксида рутения и титана, сталь

Активный водный раствор

Щелочной раствор

Кислотный раствор

Коллектор

Терригенный

Карбонатный

Нефть

Высокое кислотное число

 

Технологические процессы

Заводнение пласта

Очистка призабойной зоны пласта

На основе анализа опыта применения электрообработок скважин и проведенных экспериментов предложен способ электрохимической обработки нагнетательных скважин, который состоит в следующем. В нагнетательную скважину производится спуск электрически связанного с источником постоянного тока специального скважинного генератора, в конструкции которого применяются электроды. Совершается воздействие электрическим током на пластовую воду в скважине до получения водной среды с щелочным рН. Время обработки и интенсивность воздействия определяются мощностью, параметрами продуктивного интервала. Далее производят закачку воды в скважину при продолжающейся обработке электрическим током для задавки щелочной среды вглубь пласта и создания оторочки водной щелочной среды в пласте.

Предлагаемая технология позволяет повысить нефтеотдачу без использования химических реагентов путем щелочного воздействия на нефтяной пласт электрохимически активированных гидрокарбонатно-натриевых пластовых вод.

Выводы.

  1. На основе проведения лабораторных исследований показана возможность электрохимической активации минерализованных вод нефтяных месторождений с диапазоном значения рН от 1,5 до 12,5 за счет выбора параметров процессов ЭХВ и ИПВ (сила тока, напряжение и время), состава минерализованных вод и материалов электродов (растворимые и нерастворимые). Предложено полученные активные водные растворы использовать в нефтедобыче путем воздействия на поровое пространство коллекторов с учетом конкретных физико-химических и геологических условий месторождения.
  2. На основе лабораторных исследований установлено:

– снижение межфазного натяжения на границе раздела нефти с водой после ЭХВ с щелочным рН, образование эмульсии нефти в активной воде;

– изменение кривых капиллярного давления при заводнении активной водой: при одних и тех же величинах капиллярных давлений образцы керна песчаника, насыщенные водой после ЭХВ с щелочным рН, удерживают большее количество воды;

– вода после ЭХВ с щелочным рН изменяет характер смачиваемости терригенных коллекторов с гидрофобного на гидрофильный, этот эффект в известняках не наблюдается. Значения параметра насыщения для песчаника меньше при их насыщении водой после ЭХВ с щелочным рН, что подтверждает увеличение гидрофильности породы. Основные факторы, определяющие повышение нефтеотдачи при заводнении водой после ЭХВ, коррелируют с характеристиками щелочного заводнения;

– при вытеснении нефти водой после ЭХВ в песчаниках коэффициент нефтевытеснения увеличивается в среднем на 6 % по сравнению с вытеснением водой.

  1. Осуществлена численная реализация математической модели вытеснения нефти оторочкой электрохимически активированной воды с использованием экспериментально определенных значений фазовых проницаемостей. Показано, что значение водонасыщенности на скачке больше при вытеснении активной водой, что подтверждает эффективность вытеснения нефти водой после ЭХВ с щелочным рН. Применение активной воды при заводнении увеличивает период безводной эксплуатации и коэффициент безводной нефтеотдачи.
  2. Произведены расчеты материального и энергетического балансов процесса ЭХВ на минерализованные воды, параметров забойного электрохимического генератора.
  3. Предложен способ ЭХВ на пластовые воды с забойной генерацией, подтвержденный патентом РФ на изобретение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Хабибуллин И.Л., Газаров А.Г., Мугатабарова А.А., Султанов Р.Г. Ионно-плазменное воздействие как способ интенсификации добычи нефти // Газовая промышленность – 2009. №. 6 – С. 49-51.
  2. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А., Курамшин Ю.Р. Экспериментальные исследования влияния электрохимически активированных водных растворов на изменение поверхностных характеристик системы «нефть – водная фаза – порода» // Нефтепромысловое дело. – 2011. №. 10 – С.22-26.
  3. Мугатабарова А.А. Комплекс электрохимических и ионно-плазменных технологических процессов для интенсификации добычи нефти // Нефтегазовое дело. – 2010. – Т. 8. - № 1. – С. 39-42.
  4. Патент на изобретение 2432453 РФ. Способ электрохимической обработки нагнетательных скважин / А.Г. Газаров, И.Л. Хабибуллин, Р.Г. Касимов, А.А. Мугатабарова. – Опубл. 27.10.2011.
  5. Мугатабарова А.А. Ионно-плазменные технологии интенсификации добычи нефти // Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14). Уфа, 2008. – с. 272-273.
  6. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А. Ионно-плазменные технологии интенсификации добычи нефти // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.13: Сборник трудов Пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 28-30.04.2008, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – С. 386-387.
  7. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А. Физико-математическое моделирование вытеснения нефти электрохимическими агентами // Актуальные проблемы современной физики: Материалы Всероссийской дистанционной научно-практической конференции (Краснодар, 15 июня 2008года) / Кубанский гос. ун-т. Краснодар, 2008. – С. 232.
  8. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А., Милованов И.В. Ионно-плазменное воздействие на пластовую воду как способ интенсификации добычи нефти // Энергоэффективность. Проблемы и решения: Материалы научно-практической конференции 23 октября 2008г. – Уфа, 2008. – 174 с.
  9. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А. Технология обработки призабойной зоны пласта электрохимически активированными растворами минерализованных вод // VII международная конференция "Химия нефти и газа" 21-26 сентября 2009 года, Томск, 5-я конференция молодых ученых "Химия нефти и газа-2009". – С. 420-423.
  10. Мугатабарова А.А. Комплексный метод воздействия на призабойную зону пласта // Сборник тезисов студенческой научно-практической конференции по физике. Уфа 2009. – С. 35.
  11. Мугатабарова А.А. Подборка варианта технологической схемы электрохимической обработки продуктивного пласта // Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании: Тезисы докладов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых – Уфа: РИЦ БашГУ, 2009. – С. 217.
  12. Мугатабарова А.А. Некоторые результаты лабораторных исследований по вытеснению нефти обработанной электрическим током водой // Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании: Тезисы докладов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых – Уфа: РИЦ БашГУ, 2010. – С. 152.
  13. Мугатабарова А.А. Эксперименты по определению межфазного натяжения на границе раздела нефти и активной воды // Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании: Тезисы докладов Международной молодежной школы – Уфа: РИЦ БашГУ, 2011. – 218 с.
  14. Хабибуллин И.Л., Мугатабарова А.А., Мусин И.Р. Особенности вытеснения нефти электрохимически активированной водой // Физико-химическая гидродинамика. – Уфа, 2011. – С. 139-146.
  15. Мугатабарова А.А. Снижение межфазного натяжения на границе раздела нефти и пластовой воды после электрохимического воздействия на воду // Физико-химическая гидродинамика. – Уфа, 2011. – С. 98-101.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.