1 Т.А.АЛИЕВ, Г.А.ГУЛУЕВ, А.Г.РЗАЕВ, И.Б.ЮСИФОВ ИДЕНТИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДОБЫЧЕ НЕФТИ В настоящее время деятельность нефтяных компаний сопряжена со сложными технологическими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает их доходность. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие нефтяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти. В связи с этим следует отметить необходимость более глубоко изучения механизма вытеснения нефти их нефтяных залежей в добывающие скважины. Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми материалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными системами пород, определяющими особенности взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины являются не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химическим процессом, при котором определяющую роль играют явления ионообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой [1, 2], т.е. наноразмерные процессы. Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечение во многом определяется молекулярно-поверхностными (наноразмерными) процессами, протекающими на границах фаз. Поэтому проблема смачиваемости – одна из важнейших проблем нанонауки в добыче нефти, моделированию механизма, которого посвящены наши исследования. Следует отметить, что в пластовых условиях, в огромных скоплениях капиллярных каналов, в которых движутся взаимно нерастворимые жидкости (нефть и вода) имеются контакты между двумя и тремя фазами. На этих контактах избирательное смачивание поверхности твердой фазы нефтью и водой различно (см.рис.1.), вследствие чего образуются мениски, которые создают капиллярное давления (КД). КД для сферической поверхности мениска по закону Лапласа можем определить следующим уравнением: (1) где – радиус капилляра ( ) Полное смачивание соответствует 2 неограниченному растеканию жидкости 1 по поверхности твердого тела, являющим2 ся, таким образом, самопроизвольным изотерическим процессом, т.е. сопровож3 даемому всегда убылью свободной энергии Рис.1. Форма капли, обусловленная 2 на каждый последующий 1 см смоченной поверхностными натяжениями на разповерхности. Эта убыль, называемая личных границах соприкасающихся фаз. также коэффициентом растекания: , и - поверхностные на(2) тяжения на разделах фаз 1-3, 1-2 и 2-3; должна быть, таким образом, положитель1-вода; 2-нефть или газ; 3-твердое тело; ной: , - угол смачивания где – энергия смачивания Условие полного смачивания, т.е. убыль энергии при вытеснении водой 1 нефти 2, с которой ранее граничила поверхность твердого тела 3, была бы больше , т.е. Когда это условие растекания не выполняется, т.е. 2 вода 1 образует с поверхностью 3 конечный краевой угол ( ): , где В этих случаях КД, играющей роль всасывающей силы, всегда меньше своего максимального значения ( ) и составляет Только до тех пор, пока энергия смачивания положительна ( , хотя и меньше ) КД будет направлено в сторону всасывания, что соответствует , т.е. , 0 Когда становится >90 , т.е. в случае отрицательной энергии смачивания , КД меняет знак ( ), ), переходя через нуль и становится выталкивающей силой, препятствующей проникновению воды в несмачиваемые ее , особенно при низкой проницаемости. Проведенные нами исследования показывают, что КД, значение которого зависит от свойства поверхностей раздела, определяет многочисленные капиллярные (наноразмерные) эффекты, оказывающие большое влияние на движение нефти, воды и газа в нефтяном коллекторе (К) Если вода смачивает породу К КД будет движущим фактором при вытеснении нефти водой. Если вода не смачивает поверхность частиц породы КД при вытеснении нефти водой, то является тормозящим фактором, который необходимо преодолеть. О роли капиллярных сил в процессах, происходящих в пласте при вытеснении нефти целесообразно проследить по упрощенной модели К нефтяного пласта (рис.2.), представляющей собой два цилиндрических капилляра ( ) 1 и 2 сообщающихся между собой обоим концом. Оба имеют одинаковую длину, но радиус 1 больше, чем у 2. Оба первоначально заполнены нефтью, движение воды происходит в D направлении от А к В. C Нефть Вода Рассмотрим сначала случай, когда 1 2 нефть вытесняется водой из , стенки, A B Вода которых гидрофильны (рис.2, а). Так как вода смачивает , то мениски на границе раздела вода-нефть будут выглядеть так, как изображено на рис.2, а и поэтому вытиснится водой из обоих . Давление в 1 будет согласно (1) (3) A Вода 1 2 Вода C Нефть B D Рис.2. Вытеснение нефти водой из капилляров нефтяного коллектора Давление в капилляре 2 (4) где - поверхностное натяжение на границе раздела вода-нефть; и соответственно радиусы капилляров 1 и 2. Так как по условию , то , а поэтому нефть под действием сил должна скорее вытесняться из 2, чем из 1. Следовательно, к тому моменту, когда вода пройдет через 2, вытеснив из нее нефть, из 1 будет вытеснена не вся нефть, часть ее останется в порах. Вследствие прорыва воды по 2 в соединяющий оба К канал В эта часть нефти будет удержана в порах 1. КД, действующее на эту каплю нефти слева, не в состоянии вытеснить ее, так как кривизна мениска на границе раздела воданефть справа (точка С) больше, чем кривизна мениска слева (точка Д), и, следовательно, 3 КД справа будет больше. Даже при значительном повышении давления нагнетания, захваченная капля нефти не сможет вытисниться, так как перепад давления ( ), приходящихся по длине изолированной капли меньше КД, действующего с правой стороны. В конечном счете давление, действующее на каплю слева (КД+ ) уравновешивается КД справа и капля нефти застревает в порах К и она остается за фронтом вытеснения. В гидрофобной К, в отличие от предыдущего, силы направлены против движения нагнетаемой воды (рис.1., б), а поэтому потребуется некоторое добавочное давление нагнетаемой воды для преодоления КД. Так как , КД в 2 будет больше, чем в 1 и, следовательно, скорость движения воды в 2 будет меньше. Вследствие этого к тому моменту времени, когда вода вытеснит нефть из 1 и войдет в канал В, соединяющий выходные концы обоих в 2, часть нефти еще не вытиснится м окажется за фронтом вытеснения. В коллекторе промежуточной смачиваемости (при ) впитывание воды под действием сил происходит значительно слабее, чем в средах, полностью смачиваемых водой. В этих случаях силы уже не являются преобладающим фактором. Силы сопротивления движению могут оказаться тогда в таком соотношении с -ми силами, что вода будет двигаться в обеих порах примерно с одинаковой скоростью, несмотря на разную площадь их поперечного сечения. При этом нефть вытесняется из пор разного диаметра более или менее одновременно, что должно привести к большему извлечению нефти, чем в случаях предельной смачиваемости породы водой или нефтью. Проведенные исследования показали, что смачивание породы К водой не только влияет на изменение КД, а также является причиной набухания (рис.3) и раздробления внутренней поверхности К и образования глинистых частиц в виде коллоидных систем (суспензии), приводящих к закупорке К и понижения добычи нефти. Как видно из рис.3. слой воды удерживается на поверхности 2 1 глин водородными связями с шестигранной решеткой атомов кислорода. Вода, входящая в структуру кристалла глин (структурированная вода), внедря2 ется на расстояние до 10 нм от наружной поверхности. Структурированная вода имеет большую 4 3 вязкость (в 30 раз больше), чем свободная вода 3 и создает реологические проблемы, приводящие к уменьшению добычи нефти. 2 Как результат молекулярно-поверхностных явлений (наноразмерные процессы) на границе раздела фаз в нефтяном пласте, кроме смачивае1 мости, также наибольшее значение имеет процесс адсорбции поверхностно активных компонентов Рис.3. Адсорбционные слои (особенно асфальтенов) нефти на породообразуводы между слоями дегитратироющих минералах. С этим процессом, прежде ванной глины. 1, ; всего, связана гидрофобизация поверхности, а 2-анионы кислорода; 3-катионы следовательно, и уменьшение нефтеотдачи пласта. Образование адсорбционного слоя ведет водорода; 4-шестигранная цилиндрическая структура воды. к построению на его основе граничного слоя нефти, вязкость которого на порядок выше вязкости нефти в объеме, а толщина в ряде случаев соизмерима с радиусом поровых каналов. Следует особо подчеркнуть значимость работы Беннета и Бартена [3], где установлено, что даже при наличии пленки воды на поверхности породы в результате 4 адсорбции поверхностно активных компонентов из нефти, пленка разрывается, а в результате происходит гидрофобизация гидрофильной поверхности. Кроме того, в работе [3] собрана информация о смачиваемости большого числа залежей по многим нефтедобывающим районам мира. Лабораторные исследования показали, что 27% изученных пластов гидрофильны, 66% гидрофобны и 7% имеет промежуточную смачиваемость. Для карбонатных пород число гидрофобных пластов достигает 84%. При этом неэффективно используется нагнетаемая в пласте вода. Из вышеизложенных результатов исследований формул (1-4) и формулы Пуазейла [4], позволяющая рассчитать эффективный радиус при фильтрации нефти (5) - длина капилляра (см.рис.2); где , - объем и вязкость фильтрованной нефти; - перепад давлений; - время фильтрации. Следует, что нанотехнологические процессы К могут привести к уменьшению проницаемости и увеличению сопротивления К и, следовательно, уменьшению добычи нефти. Однако эти отрицательные наноэффекты можно предотвратить, если при управлении добычей нефти использовать соответствующие реагенты, позволяющие обеспечить условия промежуточной смачиваемости ( Заключение Проведена идентификация нанотехнологических процессов в добыче нефти. Показано, что в основе интенсификации процессов добычи нефти лежат наноразмерные процессы, такие как смачиваемость породы коллектора, отложение поверхностно активных компонентов нефти на поверхности капилляров. Предложен способ увеличения нефтеотдачи пласта. Литература 1.Хавкин А.Я. Нанотехнологии в добыче нефти. Нефтяное хозяйство, 06.2007, с.58-60. 2.Хавкин А.Я. Закономерность вытеснения нефти в пористых средах. Открытие №80//Научные открытия. Сборник кратких описаний за 1998 г. РАЕН, 1999, М.: Н.Новгород, с.53-54. 3.Treibet R.E, Archer Duana L., Owens W.W. A laboratory evolution of the wet ability of fifty oil-producing resesiors. “Sos.Petrol Eng.J”, 1972, V 12, №6, p.537-540. 4.Мархасин И.Л. Физико-химическая механика нефтяного пласта. М.: Недра, 1977, 214 с.