Применение коллоидных систем для увеличения нефтеотдачи пластов

О. Ю. Сладовская, Н. Ю.Башкирцева, Д. А Куряшов, А. И. Лахова,

Р. Р. Мингазов, И. Ф. Исмагилов, Б. Р. Вагапов

ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

Ключевые слова: трудноизвлекаемые запасы, заводнение, методы увеличения нефтеотдачи,

коллоидные системы.

В статье приведен анализ научно-технической литературы по состоянию запасов углеводородов, тенденциям и особенностям развития процессов нефтеизвлечения. Показано, что характерной особенностью современного этапа разработки нефтяных месторождений является изменение структуры запасов в сторону увеличения доли трудноизвлекаемых нефтей. Промышленное освоение таких запасов осложняется низкими и неустойчивыми дебитами скважин, увеличением обводненности добываемых нефтей, неблагоприятными для извлечения геолого-физическими характеристиками и условиями залегания нефти. Очевидно, что рациональное освоение месторождений с трудноизвле-каемыми запасами нефти требует применения инновационных технологий, с целью увеличения глубины извлечения. Однако предлагаемые сегодня технологии увеличения нефтеотдачи, в большинстве своем не обладают комплексным действием, т.е. позволяют дополнительно извлечь лишь один тип остаточной нефти - обойдённую либо плёночную и капиллярно-удерживаемую. Использование мицеллярных систем, обладающих структурно-механической прочностью, на основе современных поверхностно-активных веществ (ПАВ) позволило бы объединить в одной технологии поверхностно-активные и вязкостные свойства и как следствие увеличить эффект от её применения.

Keywords: difficult to extract resources, water flooding, methods for enhancing oil recovery,

colloid systems.

In the article analysis of scientific-technical literature of the state of the hydrocarbon reserves, trends and specifics of the development of the oil recovery process is provided. It has been shown that the specific property of the development stage of oil fields is the change in the structure of the reserves, i.e. increase in the portion of oils which are difficult to recover. Industrial reclamation of such reserves is complicated by low and unstable well outputs, increase of the watercut of the recovered oils, unfavorable for recovery of geo-physical properties and conditions of oil occurrence. It is obvious that the rational reclamation of oil fields requires application of novel technologies with the goal of increasing degree of recovery of the reserves. Today technologies aimed at increasing oil recovery do not possess complex activity which determines their low effectiveness. And application of micellar systems, possessing structural-mechanical strength on the basis of modern surfactants would allow to unite in a single technology surface-active and viscous properties and as a consequence increase effect from its application.

Характерной особенностью современного этапа развития нефтяной промышленности является существенное изменение структуры запасов в сторону увеличения доли труд-ноизвлекаемых нефтей. Последнее обусловлено вступлением большого числа высокопродуктивных месторождений в позднюю стадию разработки, характеризующуюся интенсивным снижением добычи нефти и значительным ростом обводненности, а также неблагоприятными качественными характеристиками запасов нефти в залежах, вновь вводимых в разработку. Если до начала 1980-х гг. наращивание добычи нефти в России происходило в основном за счет расширения масштабов разработки высокопродуктивных месторождений (рис.1), то, начиная с 1981 г., существенную роль в структуре добываемой нефти стали составлять трудноизвлекаемые запасы, доля которых увеличилась примерно в 3 раза. [1]. По мнению специалистов, доля трудноизвлекаемых нефтей в общем балансе составит к 2020 до 75% [2]. Таким образом, в Российской Федерации, как и в мире в целом, рост добычи нефти в долгосрочной перспективе будет связан не только и не столько с введением в разработку новых месторождений, сколько с увеличением темпов отбора из разрабатываемых месторождений, увеличением нефтеотдачи на старых месторождениях, вступивших в позднюю стадию эксплуатации, введением в эксплуатацию малодебитных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. Роль таких запасов в общей структуре будет ежегодно возрастать.

8

Н

-&

<и

X

Я

т

л

\о

о

700

600

500

400

300

200

100

<\{\{\{\{\а©а©а©а©а©аоооооооооС^а^с^о>о^о^О'>о^о^о^ооооооооо*--<*--<с\>

оуоуо\о\о\о\о\о ооооооооооо

1—,г 1—# 1—,г 1—,г 1—,г 1—^ ^ ^ ^ ^ # 1—,г 1—# 1—^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Ч—^ ^ Ч—^ Оч/ Оч/ Оч/ Оч/ Г\/ Г\/ Г\/ Г\/ Г\/ Г\/

общая добыча  добыча трудноизвлекаемых запасов

Годы

0

Рис. 1 - Динамика добычи нефти в России [1]

Основная часть трудноизвлекаемых запасов Российской Федерации приурочена к низкопроницаемым и карбонатным коллекторам 73%, к пластам, содержащим высоковязкую нефть 12%, обширным подгазовым зонам нефтегазовых залежей около 15% и пластам, залегающим на больших глубинах 7% [3]. Разработка таких запасов с использованием традиционной для нашей страны технологии заводнения экономически не эффективна. Хотя почти 90% месторождений России традиционно разрабатываются с применением заводнения [4], метод характеризуется удовлетворительной степенью извлечения нефти только в случае разработки месторождений с активными запасами. Поэтому в 50-х годах масштаб-

ное применение заводнения, с одновременным введением в разработку месторождений с высокой долей активных запасов (Ромашкинского, Туймазинского, Мухановского, и др.) позволяло поддерживать высокий уровень нефтеотдачи - более 50% (рис.2). Однако по мере выработки активных запасов и ввода в разработку объектов с трудноизвлекаемыми запасами эффективность заводнения снижалась. В итоге за последние 40 лет коэффициент извлечения нефти (КИН) постоянно падает, сокращаясь за десятилетие на 3-4 %, что равноценно снижению возможных извлекаемых запасов на 14 млрд. т. [1]. В Татарстане за все время, начиная от первого подсчета запасов нефти по Ромашкинскому месторождению в 1954 г, нефтеотдача снизилась почти в 1,5 раза [6].

Учитывая сложившуюся ситуацию, очевидно, что рациональное освоение месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти требует применения новых технологий и методов, заметно повышающих эффективность обычного заводнения. Решение проблемы повышения степени выработки запасов нефти связано, прежде всего, с предупреждением причин формирования остаточной нефти. Известно, что к этим причинам относятся неоднородное строение коллектора, различия в свойствах пластовой нефти и вытесняющего агента, разная скорость их фильтрации в пласте, а также высокое межфазное натяжение на границе раздела фаз вода - нефть - порода. Все эти причины обусловливают преждевременный прорыв вытесняющего агента в добывающие скважины, низкие коэффициенты вытеснения нефти из пористой среды и охвата пластов дренированием.

Рис. 2 - Динамика нефтеотдачи [5]

В настоящее время основное внимание сконцентрировано на следующих методах увеличения нефтеотдачи (МУН) пластов, которые широко применяются в мировой промысловой практике: тепловых, газовых, физико-химических методах, основанных на создании внутрипластовых оторочек, регулировании фильтрационных потоков, с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимеров, осадкогелеобразующих композиций, растворов кислот и щелочей, органических растворителей, а также опытноэкспериментальных методах, включая микробиологическое, волновое, электрическое воздействие на пласт и др. Второе направление развития технологий связано с методами воздействия на пласт, обеспечивающими высокий уровень коэффициента нефтеизвлечения,

таких как: гидроразрыв пластов, бурение горизонтальных и многозабойных скважин, регулирование режимов работы действующей системы разработки, уплотнения сетки скважин, разукрупнения объектов разработки [7-13]. Доля физико-химических методов в общей структуре представленных МУН составляет лишь 3,3% [14]. Вместе с тем, положительный опыт применения физико-химических МУН на объектах ОАО «Лукойл», ОАО «Татнефть», ОАО «Башнефть» позволяет прогнозировать, что физико-химические МУН в ближайшие годы получат наибольшее развитие [15].

Одними из первых в промысловую практику были внедрены физико-химические МУН с применением осадкообразующих технологий. Достаточно широко применяются технологии силикатно-щелочного воздействия (СЩВ), щелочно-полимерного воздействия (ЩПВ), закачка дистиллерной жидкости (ДЖ), латексов (СТЛ), воздействие стиромалями (СТМ) и сухим активным илом (САИ). Широко используются композиции на основе растворимых солей алюминия «ГАЛКА» [16], а также технология на основе высокомодульных растворимых стекол [17]. Большинство из них основано на взаимодействии закачиваемых химических реагентов с природными компонентами водонасыщенных коллекторов

- высокоминерализованными водами (общей минерализацией до 240 г/л), содержащими значительные количества ионов кальция и магния. В результате образуются сложные водоизолирующие составы, значительно снижающие проницаемость водопроводящих каналов пласта [15,18,19]. Изменение поровой структуры коллектора за счет селективной изоляции дает быстрый и достаточно хороший эффект. Однако данные технологии необратимо изменяют структуру порового пространства и приводят к опасности блокирования запасов нефти в отдельных зонах пласта. Поэтому такие технологии, как гелеобразующие на основе силиката натрия и других нерастворимых осадков, применяют в основном на выработанных участках залежи, в промытых зонах [19, 20].

Начиная с середины 60-х годов двадцатого столетия в нашей стране, как и во всем мире, проводились опытно-промысловые работы по полимерному заводнению нефтяных месторождений с применением, как правило, полиакриламида (ПАА). Применение растворов полимеров позволяет повысить охват пласта заводнением в результате выравнивания профиля приемистости и перераспределения потоков нагнетаемой воды в глубине пласта на макро- и микроуровне (поры). Сейчас, технологии на основе ПАА являются ведущими в группе химических методов повышения нефтеотдачи. Например, в ОАО «ЛУКОЙЛ» они занимают первое место по дополнительной добыче нефти, а по числу скважино-операций уступая только обработкам призабойной зоны скважин. В 2002 г. на предприятиях компании проведены 903 скважино-операции по реализации полимерных технологий и добыто дополнительно 1501 тыс. т нефти, или 35,8 % всех скважино-операций и 43,5 % дополнительной добычи, полученной от внедрения всех химических технологий [20]. Кроме полиакриламидных реагентов в отечественной нефтяной промышленности широко используются разновидности эфиров целлюлозы: карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) [21], оксиэтили-рованные эфиры целлюлозы (ОЭЦ) [22]. Интенсивно развивается и модификация полиакриламидов, среди которых можно отметить полимерно-гелевую систему «Темпоскрин» [23], «ПОЛИКАР», который получают с помощью радиационной технологии на основе гелеобразного ПАА [24].

Несмотря на то, что данные технологии являются весьма гибкими, имеются определенные ограничения их применения, связанные с минерализацией воды не более 150 г/л и вязкостью нефти до 25 мПа-с. Последние разработки модифицированных ПАА: технология КПС с применением сернокислого алюминия в качестве сшивателя, разработанная ТатНИПИнефть [25], реагент «РИТИН-10», разработанный в РГУ нефти и газа им. И.М.

Губкина, который представляет собой композицию ПАА, модифицированную ионизирующим излучением, с добавлением карбоксилметилцеллюлозы - позволяют снять ограничения по минерализации и термостойкости реагентов [26], однако остается открытым вопрос о проблемах, возникающих в процессах подготовки.

Одним из перспективных направлений развития технологий полимерного заводнения является использование микробных полисахаридов, из которых наибольшей совокупностью требуемых технологических качеств обладает ксантан. Можно отметить положительный опыт ОАО «Татнефть»: в результате внедрения технологии «Ксантан» дополнительная добыча составила 325 тыс. т. [27]. Вместе с тем, пока рано вести речь о массовом применении биополимеров.

Другим распространенным методом увеличения нефтеотдачи является заводнение пластов с применением ПАВ. Вопрос об их использовании решался неоднозначно на разных этапах развития и внедрения МУН. Однако сегодня уже нет никаких сомнений в том, что применение ПАВ в различных технологиях повышения нефтеотдачи пластов является наиболее предпочтительным с точки зрения сохранения коллекторских свойств продуктивных пластов, влияния на процесс подготовки и транспортирования нефти. Это определяется многоплановым механизмом действия ПАВ [28]:

1. Добавка ПАВ в воду снижает межфазное натяжение воды на границе с нефтью. При низком межфазном натяжении капли нефти легко деформируются и фильтруются через сужения пор, что увеличивает скорость их перемещения в пласте.

2. Добавка ПАВ в воду за счет снижения поверхностного натяжения уменьшает краевые углы смачивания, т.е. увеличивает смачиваемость породы водой. Гидрофилизация в совокупности со снижением межфазного натяжения приводит к сильному ослаблению адгезионных взаимодействий нефти с поверхностью породы.

3. Водные растворы ПАВ проявляют моющее действие по отношению к нефти, покрывающей поверхность породы тонкой пленкой, способствуя разрыву пленки нефти.

4. Лучшее вытеснение нефти водой, содержащей ПАВ, связано также с сильным влиянием ПАВ на реологические свойства нефти.

Начало применения ПАВ в нефтепромысловой практике относится к 50-ым годам XX века [29]. За прошедшие 50 лет сложился широкий спектр ПАВ, применяемых для увеличения нефтеотдачи: сульфонолы, сульфоэтоксилаты, алкилсульфонаты, оксиэтилиро-ванные алкилфенолы и др. Причем первоначально, указанные ПАВ использовались индивидуально, а теперь преобладает применение их композиций, обладающих синергическим эффектом. Известны композиции, основанные на совместном действии АПАВ и НПАВ, такие как «Сепавет» фирмы ВАББ, «Нефтенол», технология «СНО АН МФК». Также известны технология на основе композиции Нефтенола НЗ «ЗАО Химеко-ГАНГ», композиция СНПХ-95 ОАО «НИИНефтепромхим» и т.п. Технологии данного типа осуществляются путем использования составов, содержащих разные классы ПАВ, которые при введении в воду позволяют снизить межфазное натяжение, обладают высокой солюбилизирующей способностью, образуют на границе с углеводородом микроэмульсионную фазу и не дают устойчивых, плохо разрушающихся эмульсий.

Успешность применения растворов ПАВ, как и других технологий, повышения нефтеотдачи пластов, зависит от особенностей геологического строения пласта, фильтрационно-емкостных свойств коллекторов, текущего состояния разработки участка залежи, эксплуатации конкретной скважины и кратности применения технологий. При этом правильный выбор метода воздействия на пласт, а также своевременное начало применения позволяет значительно увеличить эффективность разработки трудноизвлекаемых запасов.

Несмотря на большой ассортимент, предлагаемые сегодня технологии увеличения нефтеотдачи, как показано выше, не обладают комплексным действием. Существующие технологии позволяют дополнительно извлечь лишь один тип остаточной нефти - обойдённую (оставшуюся нефть в слабопроницаемых зонах), либо плёночную и капиллярно-удерживаемую. Это обусловлено наличием вязкости, либо поверхностно-активных свойств у закачиваемой системы. Полимерные системы используются для выравнивания фронта заводнения (увеличение коэффициента охвата). А действие ПАВ направлено на оставшуюся нефть в промытых зонах (плёночную и капиллярно-удерживаемую) и не значительно позволяет увеличить коэффициент охвата нефтяного коллектора за счёт наличия только поверхностно-активных свойств.

В связи с этим, использование мицеллярных систем на основе современных ПАВ обладающих структурно-механической прочностью, по нашему мнению, позволило бы объединить в одной технологии поверхностно-активные и вязкостные свойства и как следствие увеличить эффект от её применения. Поэтому дальнейшие работы по совершенствованию методов увеличения нефтеотдачи должны быть направлены на разработку структурированных дисперсных систем с применением ПАВ, обладающих наряду с оптимальными поверхностно-активными, вязкостными и структурно-механическими свойствами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Литература

1. Боксерман, А.А. Концепция государственного управления рациональным использованием запасов нефти / А.А. Боксерман [и др.]. - М.: ОАО «Зарубежнефть», 2005. - 118 с.

2. Муслимов, Р.Х. Нанотехнологии в геологии и повышении эффективности освоения залежей с трудноизвлекаемыми нефтями / Р.Х. Муслимов // Нефтяное хозяйство. - 2009. - № 1. - С. 38-41.

3. Телков, В. П. Разработка технологии водогазового воздействия на пласт путём насосно-эжекторной и насосно-компрессорной закачки водогазовых смесей с пенообразующими ПАВ: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.17: защищена 10.03.09 / Телков Виктор Павлович. - М., 2009. - 168 с.

4. Садыков, М.Р. Проблемы разработки с заводнением низкопроницаемых пластов, недонасыщенных нефтью / М.Р. Садыков // Нефтяное хозяйство. - 2006. - № 11. - С. 24-27.

5. Байков, Н.М. Зарубежный опыт внедрения методов увеличения нефтеотдачи / Н.М. Байков // Нефтяное хозяйство. - 2006. - № 7. - С. 120-122.

6. Муслимов, Р.Х. Повышение роли методов увеличения нефтеотдачи в обеспечении воспроизводства запасов нефти / Р.Х. Муслимов // Георесурсы. - 2007. - № 3 (22). - С. 2-7.

7. Поддубный, Ю.А. О классификации методов увеличения нефтеотдачи пластов (в порядке обсуждения) / Ю.А. Поддубный [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 2003. - № 4. - С. 19-25.

8. Шелепов, В.В. Деятельность центральной комиссии по разработке нефтяных и газонефтяных месторождений Минэнерго РФ по решению проблем повышения нефтеотдачи / В.В. Шелепов,

А.Ю. Коршунов, Н.Н. Лисовский // Нефтяное хозяйство. - 2002. - № 5. - С. 66-69.

9. Антониади, Д.Г. Состояние добычи нефти методами повышения нефтеизвлечения в общем объеме мировой добычи / Д.Г. Антониади, А.А. Валуйский, А.Р. Тарушев // Нефтяное хозяйство.

- 1999. - № 1. - С. 16-23.

10. Байков, Н.М. Основные показатели внедрения новых методов увеличения нефтеотдачи в США / Н.М. Байков // Нефтяное хозяйство. - 2002. - № 11. - С. 127-129.

11. Муслимов, Р.Х. Современные методы повышения извлечения. Проектирование, оптимизация и оценка эффективности / Р.Х. Муслимов. - Казань: Академия наук РТ, -2005. -300 с.

12. Дияшев, Р.Н. Тенденции развития усовершенствованных методов добычи нефти (обзор докладов на 9 Европейском симпозиуме, Гаага, 1997 г.) / Р.Н. Дияшев // Нефтяное хозяйство. - 1998. -№ 6. - С. 22-25.

13. Ибатуллин, P.P. О результатах XIII Симпозиума Общества инженеров-нефтяников и Министерства энергетики США по увеличению нефтеотдачи пластов (Талса, Оклахома, США, 2002) / P.P. Ибатуллин, Р.С. Хисамов // Нефтяное хозяйство. - 2002. - № 6. - С. 138-139.

14. Рамазанов, Д.Н. Роль методов увеличения нефтеотдачи в обеспечении социальноэкономической стабильности регионов с истощающимися ресурсами / Рамазанов Д.Н. // Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 12. - С. 68-70.

15. Сафонов, Е.Н. Методы увеличения нефтеотдачи: реальность, перспективы, научные проблемы / Е.Н. Сафонов [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 2006. - № 4. - С. 46-48.

16. Алтунина, Л.К. Неогранические гели для увеличения нефтеотдачи неоднородных пластов с высокой температурой / Л.К. Алтунина, В.А. Кувшинов // Нефтяное хозяйство. - 1995. - №4. - С. 36-39.

17. Пат. 2154159 РФ, МПК 7 E21B43/22. Способ разработки нефтяного месторождения (варианты) / С.В. Крупин; заявитель и патентообладатель С.В. Крупин. - № 99112362/03; заявл. 08.06.99; опубл. 10.08.00; бюл. № 12.

18. Лозин, Е.В. Применение коллоидных реагентов для повышения нефтеотдачи/ Е.В. Лозин,

B.Н. Хлебников В.Н.//Башнипинефть - 2003.

19. Горшенев, В.С. Оценка эффективности и совершенствование методов обработки призабойной зоны скважин на месторождении Белый Тигр / В.С. Горшенев [и др.] // Нефтяное хозяйство. -2003. - № 4. - С. 59-60.

20. Рамазанов, Р.Г. Результаты применения химических технологий для регулирования заводнения в ОАО «ЛУКОЙЛ» / Р.Г. Рамазанов, А.А. Фаткуллин // Нефтяное хозяйство. - 2004. - № 4. -

C. 38-40.

21. Блинов, Н.П. Химия микробных полисахаридов / Н.П. Блинов. - М.: Высшая школа, 1984. - 200 с.

22. Липерт, А.И. Применение составов на основе эфиров целлюлозы для повышения нефтеотдачи / А.И. Липерт // Нефтяное хозяйство. - 1996. - № 12. - С. 71-72.

23. Каушанский, Д.А. Технология физико-химического воздействия на продуктивные пласты полимерно-гелевой системы «Темпоскрин» / Д.А. Каушанский // Нефтяное хозяйство. - 1999. - № 7. -С. 28-31.

24. Акульшин, А.А. Исследование вытеснения нефти из трещиновато-порового пласта с использованием полимера ПОЛИКАР / А.А. Акульшин // Нефтяное хозяйство. - 2000. - № 1. - С. 36-39.

25. Ибатуллин, P.P. Новые технологии увеличения охвата пластов заводнением / P.P. Ибатуллин [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 7. - С. 46-48.

26. Идиятуллин, А.Р. «РИТИН-10»: новый эффективный реагент для повышения нефтеотдачи пластов / А.Р. Идиятуллин // Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 2. - С. 54-57.

27. Хисамов, Р.С. Применение современных биотехнологий увеличения нефтеотдачи в ОАО «Татнефть» / Р.С. Хисамов // Нефтяное хозяйство. - 2009. - № 1. - С. 42-43.

28. Бабалян, Г.А. Разработка нефтяных месторождений с применением поверхностно-активных веществ / Г.А. Бабалян [и др.]. - М.: Недра, 1983. - 216 с.

29. Рубинштейн, Л.И. К вопросу о применении поверхностно-активных веществ с целью снижения остаточной нефтенасыщенности пластов при заводнении / Л.И. Рубинштейн // Нефтяное хозяйство. - 1953. - № 11. - С. 26-29.

© О. Ю. Сладовская - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа, olga_sladov@mail.ru; Н. Ю. Башкирцева - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии переработки нефти и газа, bashkircevan@bk.ru; Д. А. Куряшов - канд. хим. наук, асс. той же кафедры, kuryashov@mail.ru; А. И. Лахова - инж. той же кафедры; Р. Р. Мингазов - асп. той же кафедры, rifat18@mail.ru; И. Ф. Исмагилов - асп. той же кафедры, ilnur41@mail.ru; Б. Р. Вагапов -асп. той же кафедры, boulat88@gmail.com.