16.2. Методи збільшення нафтовіддачі пластів

Шляхи підвищення ефективності заводнення.

На нафтових родовищах широко застосовують заводнення як засіб підтримання пластового тиску і штучного відтворення найбільш сприятливого з точки зору нафтовіддачі водонапірного режиму витіснення. Заводнення дозволило значно підвищити нафтовіддачу покладів (порівняно з режимом розчиненого газу). Проте на сьогодні звичайне заводнення практично вичерпало свої можливості і для підвищення його ефективності застосовуються нові, більш досконалі його види. Теоретичні задачі видобування базуються на пошуках і обгрунтуванні найбільш ефективних регульованих параметрів процесу заводнення. До них відносяться: швидкість (тиск) нагнітання води в поклад, поверхневий натяг води на межі з нафтою, її змочувальні властивості, в'язкість, густина і температура. Завдання полягає у виборі регульованих технологічних характеристик процесу заводнення з урахуванням особливостей специфіки геолого-фізичних характеристик кожного покладу таким чином, щоб забезпечувались максимальні значення коефіцієнтів витіснення і охоплення пластів впливом. Конкретні заходи, які сприяють підвищенню ефективності заводнення, випливають з аналізу факторів, що впливають на коефіцієнти витіснення і охоплення. Зменшення капілярних сил і підвищення миючих властивостей води сприяють збільшенню коефіцієнта витіснення. Тому для поліпшення якості води, що нагнітається в неї добавляють водорозчинні поверхнево-активні речовини (ПАР), які сприяють зниженню поверхневого натягу (σ) води на межі з нафтою і поліпшують змочувальні і миючі властивості вод. Якість їх як добавок до води характеризується кількома основними показниками – поверхневою активністю на межі розділу нафту – вода, ступенем граничної адсорбції на поверхні мінералів пласта, залишковим поверхневим натягом нафти на межі з водою при підвищених концентраціях ПАР у воді, швидкістю дифузії і деякими іншими (біорозкладання в аеробних умовах, здатність до десорбції, емульгуючі властивості і т. п.).

Добавка ПАР до води, що нагнітається може сприяти підвищенню коефіцієнта витіснення на 5 – 6 %.

Недоліком ПАР як засобів підвищення нафтовіддачі є їх значна адсорбція на поверхні мінералів. Для ПАР типу ОП-10 гранична адсорбція на кварцевому піску досягає 0,69 мг на 1 г породи. Тому при нагнітанні, наприклад, в розрізаючий ряд свердловин навіть з підвищеною концентрацією ПАР вони осідають на стінках порових каналів позаду фронту витіснення і нафта вимивається водою, яка практично не містить поверхнево-активних компонентів.

Лужне заводнення. При взаємодії нафт (що містять кислотні компоненти) з лужними розчинами утворюються водорозчинні солі, які є поверхнево-активними компонентами. На відміну від процесу нагнітання розчинів ПАР при лужному заводненні останні формуються безпосередньо на контакті нафти з розчином лугу. Внаслідок цього покращуються миючі та нафтовитісняючі властивості вод. Встановлено, що при низьких значеннях поверхневого натягу води деякі нафти здатні спонтанно (практично мимоволі) утворювати емульсії нафти у воді, що мають підвищену в'язкість. Вважається, що, прямуючи в першу чергу шляхами з найменшим фільтраційним опором, вони забивають їх, вирівнюючи таким чином неоднорідність фільтраційних полів, що супроводжується збільшенням коефіцієнта охоплення пластів заводненням. У процесі нагнітання лужного розчину в нафтонасичене пористе середовище внаслідок взаємодії з кислотними компонентами нафти і з деякими мінералами концентрація лугу на фронті витіснення знижується. При цьому утворюються три зони: збіднена лугом; взаємодії лугу з кислотними компонентами нафти; область контакту лужного розчину з нафтою, що не містить кислотних компонентів. Для збереження високої активності розчину лугу у свердловини нагнітають облямівку (рос.-оторочку) з підвищеним вмістом NaOН, яка потім просувається по пласту під впливом чистої води. В результаті лужного заводнення нафтовіддача збільшується на 5 – 15 %.

Полімерне заводнення – процес, при якому у пласт нагнітається у вигляді облямівки водний розчин високомолекулярного полімеру, що сприяє значному підвищенню в’язкості води. Облямівка просувається по пласту під впливом звичайної води. Підвищена в'язкість цієї облямівки і специфічна будову полімерного розчину сприяють підвищенню коефіцієнтів витіснення і охоплення пластів впливом і зниженню витрати звичайної води, необхідної для заводнення покладу. При додаванні у воду, наприклад, поліакриламіду (ПАА) концентрацією 0,05 – 0,06 % в’язкість розчинів може підвищуватися у декілька разів. Це пов’язано із специфікою будови водорозчинних полімерів типу ПАА, молекули яких мають структуру асоціатів ланцюжків, згорнутих у клубки. Утворюючи у воді просторові сітчасті структури, вони збільшують її в’язкість і скорочують рухливість у пористому середовищі. Вважається, що для успішного застосування процесу об’єм облямівок розчинів полімерів повинен становити 20 – 30 % від об’єму пор ділянки, яка заводнюється. При цьому порода повинна утримувати в порах не більше 100 г полімеру на 1 м³ пласта. Витіснення нафти розчином поліакриламіду концентрацією 0,05 % призводить до збільшення нафтовіддачі на 5 – 10 %.

Використання пін і емульсій. При введенні в пласт облямівок з пін і емульсій скорочується рухливість води, що нагнітається, зменшується водопроникність неоднорідного пласта, зростає коефіцієнт охоплення його впливом η_ох.. Піни, приготовлені із застосуванням ПАР-піноутворювачів, при нагнітанні в неоднорідне пористе середовище в початковий період рухаються в найбільш проникних напрямках, знижуючи провідність порід і вирівнюючи її з провідністю в інших напрямках. У результаті цього збільшується коефіцієнт охоплення пластів впливом. Затиснутий у порах газ сприяє зниженню фазової проникності пористого середовища для води. Аналогічний механізм збільшення нафтовіддачі у процесі нагнітання в пласт емульсій нафти в розчинах лугів і ПАР.

Витіснення нафти гарячою водою і паром – один з найбільш ефективних процесів її вилучення. З підвищенням температури у пласті знижується в’язкість нафти, поліпшуються миючі і нафтовитісняючі властивості води, зростають швидкості капілярного її вбирання в нафтонасичені блоки. При тепловій обробці пласта виникає проблема рентабельності цього процесу. Сучасні методи теплового впливу дозволяють знизити витрати палива на нагрів 1 м³ породи до 5 – 10 кг у. п.

Замість суцільного прогріву пласта спочатку у привибійній зоні нагнітанням теплоносія створюють високотемпературну зону, яку потім просувають в глибину пласта потоком води з поверхневою температурою без витрат палива. Об’єм і вихідну температуру цієї попередньо прогрітої зони вибирають за балансом тепла, необхідного для нагрівання всієї води, що нагнітається, до заданої температури (60 – 90 ⁰С) з урахуванням деяких втрат тепла в покрівлю і підошву пласта. При вмісті в 1 м³ породи 100 – 120 кг нафти теплові методи дозволяють витягти до 80 – 90 кг замість 50 – 60 кг нафти в процесі звичайного заводнення. Теплові методи впливу застосовують в покладах з високов’язкої нафтою (50 – 100 мПа^.с).

Міцелярне заводнення – процес витіснення нафти облямівками міцелярних розчинів (МР), що просуваються по пласту спочатку полімерним розчином, а потім водою. Такий розчин складається з міцел (мікроасоціатів) або згустків водо- і нафторозчинних ПАР, здатних поглинати великі кількості води (до 80 % від обсягу розчину). При цьому зовнішньою фазою (дисперсним середовищем) залишається нафта. Отже, МР здатний змішуватися в пористому середовищі з нафтою (не утворюючи меж розділу і менісків) незважаючи на вміст у ньому великої кількості води. Із збільшенням у розчині внутрішньої фази міцели збільшуються, що призводить до зміни фаз: міцелярний розчин із зовнішньою нафтовою фазою переходить у розчин із зовнішньої водної фазою, який добре змішується з водою. До складу МР входять вуглеводнева рідина, вода і ПАР різного складу, включаючи спирти.

Вміст ПАР у розчині досягає 5 – 10 %, тому МР мають велику вартість. Для їх просування по пласту використовують розчини полімерів, висока в’язкість яких дозволяє застосовувати облямівки МР менших об’ємів. Змішуваність міцелярних розчинів з водою і нафтою, а також досить низький поверхневий натяг на межі розділу МР з нафтою і водою створюють сприятливі умови для витіснення нафти. Коефіцієнт витіснення при заводненні міцелярними розчинами становить 80 – 98 %.

Витіснення нафти двоокисом вуглецю.

Для підвищення нафтовіддачі пластів двоокис вуглецю застосовують у вигляді водного розчину (карбонізованої води) і у зрідженому стані у вигляді облямівки, яка просувається цією водою. Вуглекислий газ СО₂ при температурі 20 ⁰С під впливом тиску 5,85 МПа перетворюється в безбарвну рідину густиною 770 кг/м³, критична його температура 31,05 ⁰С, критичний тиск 7,38 МПа. СО₂ добре розчиняється у воді і нафти, істотно змінюючи їх властивості: зменшується в’язкість нафти, значно зростає її об’єм, знижується поверхневий натяг нафти на межі з карбонізованою водою, поліпшуються її миючі та нафтовитісняючі властивості.

Двоокис вуглецю, розчиняючи карбонатний цемент, збільшує проникність пористого середовища, а при контакті з нафтою екстрагує з неї легкі вуглеводні. Якщо у нафті міститься достатньо легких вуглеводнів, а пластовий тиск і температура відповідають критичним параметрам утворюваних сумішей, то можуть виникати умови змішуваності нафти з двоокисом вуглецю. У результаті дії названих факторів нафтовіддача при використанні СО₂ може зростати на 10 – 15 % у порівнянні з нафтовіддачею при звичайному заводненні.

Витіснення нафти розчинниками і газами високого тиску.

Якщо як витискувачі використовують вуглеводневі розчинники (пропан-бутанові фракції, які при тисках вищих 0,4 МПа в умовах нормальних температур перебувають в рідкому стані) із зразків нафтонасиченої породи вимивається до 100 % нафти. Для економії розчинники нагнітають в пласт у вигляді облямівок, які просуваються під впливом газу, збагаченого важкими фракціями. При деякому підвищеному вмісті в газі важких фракції (С₃Н₈, С₄Н₁₀ та ін.) пластові тиск і температура стають вищими критичних для даної суміші вуглеводнів і тоді нафта витісняється в умовах повної змішуваності з облямівкою і з газом, що її витісняє. Важкі фракції згодом видуваються із пласта сухим газом і уловлюються на газобензинових заводах.

Гази високого тиску можна використовувати для вилучення вуглеводнів також і іншим способом – в пласт нагнітають сухий газ (метан). З підвищенням тиску з нафти в газову фазу випаровуються деякі важкі її компоненти, які потім витягуються на поверхню при відборі продукції із свердловин. Сухі гази як витискувачі нафти застосовують для нагнітання в газову шапку з метою підтримки тиску у покладі, а також у сильно обводнені пласти. Іноді газ подають з метою збільшення охоплення пластів впливом у вигляді газоводяних сумішей або по черзі з водою.

Витіснення нафти продуктами внутріпластового горіння нафти.

Нафтонасичені породи являють собою паливо з високим ступенем зольності. Спалюючи частину його і підтримуючи горіння нагнітанням повітря, у пласті отримують велику кількість гарячих продуктів. Ініціювання горіння здійснюють через запальні (а надалі нагнітальні) свердловини, породи привибійної зони яких попередньо прогріваються до температури 500 – 600 ⁰С за допомогою спеціальних газових пальників або електричних нагрівачів. Пройшовши цю зону, гаряче повітря стикається з нафтою, рідкі та газові фракції випаровуються й виносяться в глибину пласта. На поверхні пор залишається кокс (15 – 30 кг на м³ породи), який горить, виділяючи необхідне для підтримки процесу горіння тепло. По мірі нагнітання повітря фронт горіння просувається в глибину пласта (5 – 10 см/добу). Для використання тепла порід випаленої зони разом із повітрям у пласт закачують і воду 2 – 5 л на 1 м³ повітря. Залежно від кількості закачуваної води процес називають вологим (2 л/м³) і надвологим горінням (4 – 5 л/м³) на відміну від сухого горіння, що здійснюється без подачі води. При вологому і особливо надвологому горінні значно поліпшуються економічні показники, скорочується необхідна кількість повітря, що нагнітається, збільшується швидкість просування фронту горіння, температура його знижується до 250 – 300 ⁰С, скорочується кількість пального, необхідного для здійснення процесу. Метод внутріпластового горіння рекомендується застосовувати у покладах з важкою нафтою при в'язкості 500 – 1000 МПа^.с.

За даними промислової практики, для видобутку 1 м³ нафти витрати повітря становлять 3 – 5 тис. м³. Нафтовіддача може досягти 70 %.

Крім розглянутих методів збільшення нафтовіддачі вивчають і впроваджують багато інших – циклічне заводнення, зміна напрямків фільтраційних потоків рідин у пласті, нагнітання води при високих тисках, форсований відбір рідин, мікробіологічний вплив на нафтовий пласт та ін.