ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И. М. Губкина

Кафедра физической и коллоидной химии

Д. Ю. Митюк, В. И. Фролов

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие для подготовки дипломированных специалистов по направлению 130500 «Нефтегазовое дело»,

специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

Москва 2007 г.

УДК 541.18-541.135-145:536.7

М 60

Д. Ю. Митюк, В. И. Фролов

Физико-химические основы процессов добычи нефти

Учебное пособие, М., ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007, -114 с.

Учебное пособие создано на основе опыта преподавания спецглав курса «Физическая и коллоидная химия» для студентов факультета «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» по специальности 130503 («Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений») В пособии представлены основные закономерности протекания физико-химических процессов в объеме химической термодинамики на базе общих законов термодинамики, основные разделы, предусмотренные при изучении курса «Физическая и коллоидная химия» в нефтегазовой отрасли, необходимые для понимания большинства явлений и процессов при добыче нефти и газа. В отдельных разделах рассмотрена термодинамика истинных и реальных растворов, растворимости газов в жидкостях, поверхностных явлений на границах раздела фаз «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость», классификация и характеристики поверхностно-активных веществ и их применение для повышения нефтеотдачи пластов, термодинамика мицеллообразования, явления смачивания, адгезии и растекания, основные дисперсные системы и их устойчивость, структурно-механические свойства дисперсных систем.

Рецензенты:

А.С. Казанская – кандидат технических наук, доцент РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Д. Ю. Митюк, В. А. Винокуров, В. И. Фролов, 2007

РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2007

Введение

Добыча нефти — комплекс сложнейших технологических процессов. Это понятие включает в себя бурение скважин, разработку и эксплуатацию нефтяных месторождений, подготовку нефти.

Оптимизация технологии каждого из перечисленных процессов требует глубокого понимания их физико-химических основ, базирующихся на учете законов протекания физических и химических процессов, при использовании термодинамических и кинетических закономерностей. Эти законы универсальны, т.к. они применимы к явлениям, протекающих в различных системах.

Нефтяной пласт (коллектор) является гетерогенной системой с огромной межфазной поверхностью. Один метр кубический песчаного коллектора обладает межфазной поверхностью равной десяткам тысяч квадратных метров. Фильтрация (миграция) нефти, воды, газа (флюидов) в нефтяном коллекторе во многом зависит от явлений происходящих на границе раздела фаз (твердое тело-жидкость, жидкость-газ, жидкость-жидкость). Большую роль здесь играют адсорбция, абсорбция, капиллярные явления, явления смачивания и адгезии, рапределение объема пор по их радиусам, гидрофобизация и гидрофилизация поверхности пор нефтяного коллектора, представляющих основной путь интенсификации процесса добычи нефти. Адсорбционные и абсорбционные методы широко используются при отбензинивании природных и попутных нефтяных газов.

При разработке месторождений в пластах непрерывно изменяются давление, температура и количественное соотношение газа и нефти. Непрерывно меняется состав газовой и жидких фаз и переход различных углеводородов из одной фазы в другую. Интенсивные фазовые превращения происходят при подъеме нефти на поверхность, а также при дальнейшет транспорте нефти к потребителям. Закономерности фазовых переходов и фазовое состояние газонефтяных смесей при различных условиях необходимо знать при составлении проектов разработки газоконденсатных и других месторождений. Теорией фазовых изменений пользуются при расчете количества и состава газа, выделяющегося из нефти при различных давлениях и температурах, количества и состава бензиновых фракций, содержащихся в газе. В основе теории фазовых превращений лежат фазовые диаграммы нефтегазовых смесей, знание которых для специалистов нефтепромыслового дела трудно переоценить.

Скважинная продукция с самого начала разработки месторождений представляет дисперсную систему (нефть с пузырьками газа и кристаллами парафинов, газ с капельной нефтью, при обводнении продукции водонефтяные эмульсии). Частицы дисперсной фазы в скважинной продукции по размерам характеризуются логарифмически нормальным распределением. Дисперсный состав скважинной продукции нефтяных месторождений определяет технологические особенности подъема продукции на поверхность, систему промыслового обустройства сбора скважинной продукции на месторождении, технологию процесса отделения нефти и нефтяного газа, разделение нефти и воды, добываемую попутно с нефтью из недр, эффективные способы очистки нефтепромысловых сточных вод до кондиций, позволяющих утилизировать ее в систему ППД и др.[Дунюшкин И.И., Мищенко И.Т., Елисеева Е.И. Расчеты физико-химических свойств пластовой и промысловой нефти и воды: Учебное пособие для вузов.- МЖ ФГУП Изд-во «Нефть ьи газ» РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина].

Управление свойствами дисперсных систем и поверхностными явлениями (например, смачиванием), применение поверхностно-активных веществ, регулирование вязкости и других реологических свойств флюидов—эти и другие факторы имеют первостепенное значение для квалифицированного и научнообоснованного использования современных методов добычи углеводородов.

Приведем лишь несколько примеров.

Важная роль в обеспечении рациональных темпов отбора при наиболее высоких значениях коэффициентов компонентоотдачи пласта принадлежит методам воздействия на призабойную зону.

Ежегодно на месторождениях России проводится около 10000 обработок призабойной зоны скважин. При этом дополнительно добывается несколько миллионов тонн нефти.

Существует целый ряд успешных и эффективных физико-химических методов воздействия на призабойную зону скважин, которые применимы в процессе разработки для решения задач, связанных с регулированием выработки запасов.

Перечислим некоторые из них:

Методы интенсификации притока жидкости и приемистости скважин:

• кислотные обработки (соляной, серной, плавиковой кислотами и др.) воздействие нефтерастворимыми жидкостями (гексановая фракция, толуол, бензол, ШФЛУ и др.);

• воздействие водорастворимыми жидкостями (ацетон, метанол, этиленгликоль и др.);

• обработка водными или углеводородными растворами ПАВ;

• закачка и продавка ингибиторов солеотложений (комплексоны, сульфосоединения, этиленгликоль и др.) ;

• термогазохимическое воздействие;

• обработка глинистых растворов добавками оксиэтилированных жирных кислот, растворами биополимеров для регулирования их структурно-механических свойств.

Методы ограничения и изоляции водопритока в добывающих скважинах:

• закачка углеводородных жидкостей высокой вязкости (мазут, тяжелая нефть,

окисленный битум и др.);

• закачка гидрофобизаторов;

• закачка двух- и трехфазных пен;

• закачка гелеобразующих составов (растворы полимеров, биополимеров, жидкое стекло и др.);

• закачка вязкоупругих систем ;

• закачка водонефтяных эмульсий ;

• закачка суспензий закупоривающего материала;

Методы выравнивания профиля приемистости в нагнетательных скважинах:

• закачка суспензий гашеной извести;

• закачка полимерных суспензий;

• закачка гелеобразующих составов;

• закачка жидкого стекла с раствором хлорида кальция или биополимеров поэтапная закачка водоизолирующих материалов.

Чтобы избежать быстрого прорыва воды к добывающим скважинам, на месторождениях с вязкой нефтью или на сильно обводненных площадях применяется метод полимерного заводнения. В качестве полимера используются водорастворимые полисахариды, полиакриламиды и т.д. С их помощью увеличивается вязкость воды, способствуя выравниванию скоростей фильтрации полимерного раствора и нефти, что в конечном счете приводит к повышению нефтеотдачи.

Осложнением, связанным с полимерным заводнением, является образование в пласте твердой фазы. Это обусловлено одним из характерных свойств полимера — его адсорбцией на поверхности пористой среды. Сформировавшаяся полимерная корка в результате приводит к уменьшению сечения пор и изменению их формы. Существование такой корки меняет смачиваемость стенок пор.

Микроорганизмы, присутствующие в большинстве случаев в закачиваемой воде для заводнения, могут, попадая в пласт, воздействовать на него биологически и повышать нефтеотдачу. Обычный способ заключается в закачке в пласт питательных веществ и микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности производят поверхностно-активные вещества и другие агенты, способствующие вытеснению нефти из малопроницаемых пор. В результате проникновения в пласт питательных веществ в порах, каналах и трещинах создаются условия для развития микроорганизмов, что приводит к закупорке высокопроницаемых зон и перераспределению вытесняющего агента в малопроницаемые зоны.

Вскрытие продуктивных пластов бурением на многих месторождениях осуществляется с промывкой забоя жидкостями на водной основе, преимущественно глинистыми растворами, которые представляют собой полидисперсную систему, днсперсная фаза которой состоит из глины. Фильтрация промывочной жидкости в пласт сопровождается физико-химическими и термохимическими процессами, которые обусловлены активностью фильтратов промывочной жидкости и могут оказывать влияние на состояние околоскважинных зон — изменение характера смачиваемости пласта, а также его фильтрационно-емкостные свойства и геофизические характеристики.

В преимущественно гидрофильных коллекторах с ухудшенными коллекторскими свойствами, развитой удельной поверхностью при наличии глинистого цемента на поражение пласта фильтратом промывочного раствора существенно влияет поверхностное взаимодействие фильтрата и твердой фазы коллектора. В природном состоянии поверхностные силы прочно удерживают мельчайшие гидрофильные частицы на скелетных зернах. При внедрении фильтрата промывочной жидкости в гидрофильной пленке погребенной воды резко уменьшается действие поверхностных сил, в результате чего мельчайшие частицы твердой фазы приходят в движение и увлекаются фильтратом. Взаимодействуя друг с другом и со скелетом породы, частицы могут образовывать ассоциаты и перекрывать места сужений и пережимов пор. Кольматация за счет мельчайших гидрофильных частиц наиболее сильно проявляется при использовании промывочных растворов на основе пресной воды. В результате кольматации проницаемость пласта может существенно снизиться.

Помимо кольматации, взаимодействие фильтрата промывочного раствора с твердой фазой породы приводит к поверхностной гидратации, в результате чего в зоне проникновения увеличивается количество прочно связанного фильтрата, уменьшаются эффективная пористость и проницаемость коллектора.

Таким образом, приведенные нами отдельные примеры различных воздействий на пласт показывают безусловную необходимость анализа и изучения явлений, протекающих на микроскопическом уровне, т.к. особенности и характер этих физико-химических явлений в большинстве случаев определяют эффективность и даже сам выбор технологии процессов добычи нефти.