книги из ГПНТБ / Муравьев, Виталий Михайлович. Новые методы вытеснения нефти из пластов

В АзНИИ по добыче нефти проводились также лабора­ торные исследования по определению вымывающей способ­ ности различных вод.

Наилучшими водами, как и следовало ожидать, оказа­ лись пластовые щелочные воды. Конечная нефтеотдача при применении этих вод получалась в среднем на 13—15% вы­ ше, чем при морской воде.

Кроме того, если применять морскую воду, то происходит неравномерное продвижение контура нефтеносности, быстрый прорыв воды к забоям скважин, преждевременное их обвод­ нение и выход из эксплуатации.

Результатом этого этапа работ явились рекомендации АзНИИ по добыче нефти о предпочтительном применении для законтурного и площадного заводнения щелочных пласто­ вых вод. При недостаточных ресурсах этих вод рекомендо­ ван метод так называемой «оторочки». Этот метод состоит в том, что в начальной стадии заводнения закачивается ще­ лочная вода, которая хорошо отмывает нефтяные пески. После создания в пласте вала или «оторочки» из щелочной воды дальнейшее проталкивание ее в глубь пласта произ­ водится обычной морской водой.

Следующим этапом работ АзНИИ по добыче нефти в этой области было изыскание поверхностноактивных веществ (де­

тергентов) для облагораживания морской воды [3].

При проведении работ имелось в виду, что детергенты должны обладать следующими основными свойствами: вы­ сокой поверхностной активностью, которая позволяет при

незначительных присадках их в воде уменьшать ее поверх­ ностное натяжение, полярной автивностью и сродством с сульфогруппой. До 1955 г. в АзНИИ по добыче нефти испы­ тывались следующие детергенты: сульфанол — продукт окис­ ления осветительного керосина хлором; азолят—продукт сульфирования производных пентана и гексана бензольного ядра; лакричный экстракт, получаемый из солодкового корня.

Последние два детергента при испытании не дали хоро­ ших результатов в смысле снижения поверхностного натя­

жения воды на границе нефть—вода.

Опыты с сульфанолом проводились при постоянной тем­

пературе как при атмосферном давлении, так и при избыточ­ ном давлении в 10 и 25 атм. Взятая для экспериментов нефть имела удельный вес 0,869 и вязкость при температуре 20°С— 8—9 спз. Опыты проводились на модели пласта, состоящей из трубки длиной £ = 595 мм и диаметром d = 60 мм, запол­

ненной песком. Опыты дали следующие результаты:

1) добавка к морской воде сульфанола в количестве 0,1% снижает поверхностное натяжение на границе нефть — вода

до 3,2 дин!см\ повышение добавки сульфанола еще более снижает поверхностное натяжение;

— 9 —

2) снижение поверхностного натяжения до указанной ве­ личины устраняет быстрый прорыв воды, способствует более равномерному продвижению водонефтяного контакта и в соответствии с этим приводит к большей нефтеотдаче за

безводный период; 3) добавка сульфанола к морской воде в указанных ко­

личествах увеличивает конечную нефтеотдачу по сравнению

сморской водой на 5,5%;

4)удельные расходы щелочной пластовой воды и морской

воды с добавкой указанных количеств сульфанола оказа­

лись к моменту 99%-ной обводненности выходящей струи величинами одного и того же порядка. Удельный же расход чисто морской воды оказался в два раза больше.

К недостаткам этого реагента относится его высокая адсорбционная способность, что приводит к быстрому повтор­ ному повышению поверхностного натяжения морской воды.

Поэтому АзНИИ по добыче нефти не рекомендует суль­ фанол для использования в промышленных условиях и счи­ тает необходимым продолжить исследования различных де­ тергентов на длинных колонках (моделях пласта).

В последние годы, кроме АзНИИ по добыче нефти, иссле­ довательские работы по применению поверхностноактивных

веществ в добыче нефти проводили также Институт нефти Академии наук СССР, ВНИИнефть и другие научные орга­ низации.

За последнее время появились сообщения о том, что в США для повышения нефтевымывающей способности воды и увеличения коэффициента нефтеотдачи также проводятся широкие лабораторные и промысловые работы по облагора­ живанию воды поверхностноактивными веществами.

Широко применялись детергенты на Бредфордском место­ рождении в Пенсильвании [4], но полученные результаты

оказались неубедительными, хотя в некоторых случаях и бы­

ло достигнуто увеличение нефтеотдачи. Промысловые испы­ тания по применению детергентов проводились также на месторождениях Мидконтинента. Лабораторные испытания проводятся во многих штатах.

Терека и Батлер в своей статье [5] указывают, что из множества детергентов, изготовляемых промышленностью, лучшие результаты по вытеснению нефти дали водораство­

римые неионные поверхностноактивные вещества.

В лабораторных условиях было установлено, что наилуч­ шими из всех испытанных детергентов являются производные алкилфенолов. Производные канифоли и окиси этилена, так­ же относящиеся к неионным детергентам, менее эффективны,

чем производные алкилфенолов. Катионные и анионные де­ тергенты, как правило, оказывались неэффективными или малоэффективными.

— 10 —

На основании анализов и длительных лабораторных ис­ следований, Терека и Батлер пришли к выводу, что влияние ловерхностноактивного вещества на нефтеотдачу при отмыв­

ке заключается в. следующем:

а) на границе раздела нефть — вода уменьшается поверх­ ностное натяжение;

б) поверхность породы из гидрофобной превращается в

гидрофильную; в) с поверхности породы вытесняется нефть.

При этом поверхностноактивное вещество должно доста­ точно хорошо растворяться в нефти и иметь минимальную тенденцию к адсорбции на поверхности породы, чтобы потери были наименьшими.

Торрей [6, 7, 8] в своих последних работах указывает, что предложенные в 1951. г. и позже многие поверхностноак­ тивные вещества для повышения нефтеотдачи или. увеличе­ ния темпов нефтедобычи в настоящее время производятся в больших количествах. П. Д. Торрей констатирует, что сов­ местное применение двух или нескольких поверхностноак­ тивных веществ оказалось значительно более эффективным,

чем применение одного лишь вещества или нескольких ве­ ществ последовательно.

Причины такого совместного влияния еще не выяснены.

Однако известно, что одни вещества обладают значительно большей эффективностью на границе раздела между жид­

для увеличения нефтеотдачи пластов и для облагораживания воды и разных растворов при обработках призабойных зон скважин.

Эта область весьма перспективна. Можно рассчитывать, что наряду с другими проблематичными методами вытесне­ ния нефти из пористой породы, применение поверхностно-

активных веществ окажет большое влияние на дальнейшее

совершенствование технологии разработки нефтяных место­ рождений.

ВЫТЕСНЕНИЕ НЕФТИ СМЕШИВАЮЩИМИСЯ С НЕЙ ФЛЮИДАМИ

Выше было сказано, что основной причиной неполного вытеснения нефти из пласта является действие капилляр­ ных сил, существующих в пористой среде. Эти силы могут быть преодолены с помощью поверхностноактивных веществ или, что более эффективно, нагнетанием в пласт жидкости или газа, смешивающихся с пластовой нефтью. При смешива­

11

нии пластовой нефти с другим флюидом или растворителем

поверхность раздела между нефтью и вытесняющей средой ликвидируется и действие капиллярных сил сводится к нулю. Поэтому при вытеснении нефти смешивающейся с ней жид­ костью или газом из пласта может быть извлечена почти

вся нефть.

Однако этот процесс в США считался нецелесообраз­ ным с точки зрения экономики, поскольку все вещества, сме­

шивающиеся с нефтью, стоят почти столько же или больше,

чем сама нефть. Чтобы процесс извлечения нефти из по­ ристой среды был экономически целесообразным, стоимость вытесняющей фазы должна быть существенно меньше сто­ имости эквивалентного объема сырой нефти. Это утвержде­ ние основано на том, что на каждый закаченный в пласт

кубометр вытесняющей фазы будет добыт в лучшем случае

только один кубометр нефти.

В последние годы в нефтедобывающей промышленности

появился значительный интерес к процессу вытеснения неф­ ти смешивающимися с ней флюидами, так как этот про­ цесс можно осуществить с использованием лишь сравни­

тельно небольшого количества дорогостоящей вытесняющей фазы. Эта идея возникла в результате интенсивных лабо­

раторных исследований механизма вытеснения нефти сме­ шивающимися с ней флюидами. Было замечено, что в по­

ристой среде два растворимых друг в друге флюида сме­ шиваются быстро и полностью, благодаря чему позади фронта вытеснения остается небольшое количество смеси вытесняющего флюида и нефти. В этом случае требуется небольшое количество вытесняющей фазы для полного из­ влечения нефти, поскольку позади фронта вытеснения бу­ дет находиться небольшое количество растворяющей фазы. Были разработаны следующие методы вытеснения нефти:

среды смешивающимися с ней веществами. Ниже детально разбираются разновидности процесса вытеснения нефти из пласта смешивающимися с ней флюидами.

Закачка в пласт сжиженных газов. До последнего вре­ мени не было обобщающего теоретического положения, поз­ воляющего определять эффективность вытеснения нефти при помощи сжиженных нефтяных газов.

Для изучения этого вопроса в 1953 г. Гендерсон и др. ис­ следователи [9) проводили лабораторные опыты по вытес­ нению нефти и нефтепродуктов из кернов.

В задачу исследований входило определение влияния вязкости нефти, скорости вытеснения и начальной насыщен­

— 12 —

ности ее свободным газом на эффективность нефтеотдачи, а также определение роли закачки сжиженных нефтяных га­

зов перед заводнением.

Вопытах по вытеснению жидкости сжиженными газами

вкачестве вытеснителя применялся жидкий технический изо­ бутан. В качестве вытесняемых фаз были нефть и различ­ ные нефтепродукты с вязкостью от 0,5 до 187 спз.

Несмотря на ограниченность лабораторных эксперимен­ тов, удалось установить, что при использовании изобутана

для вытеснения нефти конечная нефтеотдача превышает

95% нефти, первоначально присутствующей в образце, при­

чем для снижения нефтейасыщенности до 1 или 2% объема пор требуется от 4 до 6 объемов изобутана на 1 объем полу­

ченной нефти в зависимости от ее вязкости.

Было установлено, что при закачке изобутана в нефть,

насыщенную газом в размере 20—25%, нефтеотдача до про­ рыва изобутан'а примерно равна нефтеотдаче систем, пол­ ностью насыщенных жидкостью. Также было установлено, что вязкость нефти является самым решающим фактором, влияющим на извлечение нефти. Так, в проводимых опытах при вязкости нефти 0,4 спз извлекалось от 83% всей нефти, в то время как при вязкости 187 спз нефтеотдача не превы­ шает 10%. Анализ лабораторных данных показал, что за­

и закачкой воды имеется некоторый промежуток времени.

Закачка изобутана после заводнения показала, что такая

последовательность процессов также значительно увеличи­ вает нефтеотдачу.

Талаш и Кроуфорд в своей работе [10] приводят резуль­ таты лабораторных исследований по вытеснению нефти сжиженными газами. В качестве искусственной пластовой жидкости была применена смесь нефти с природным газом. При вытеснении этой смеси водой (заводнение) нефте­

отдача составила около 70% всей нефти, насыщающей об­ разцы. Нагнетание в керны растворителя после заводнения дало еще 29% нефти. Таким образом, остаточная нефтенасыщенность кернов равнялась всего 1% начальной нефтенасыщенности.

На рис. 1 показана типовая кривая вытеснения нефти

растворителем после заводнения образца. Вначале при на­ гнетании растворителя из керна вытесняется только вода.

Первые следы нефти отмечены после извлечения воды в

объеме, равном 19% объема пор. За счет нагнетания раство­

рителя из керна было добыто 99% нефти, оставшейся в порах после 100%-ного обводнения продукции. Объем ра­ створителя, который потребовался для извлечения этой неф-

ти, равен 1,3 объема пор.' В качестве растворителя применя­

лись пропан и бутан.

В американской печати опубликован ряд работ, в кото­ рых также подтверждается, что добыча нефти после завод­ нения путем нагнетания в пласт растворителей нефти резко:

возрастает.

Количество закаченногорастворителя, % поровых объёмов

Рис. 1. Добыча нефти и воды за счет нагнетания растворителя:

1 — нефть; 2 — вода

Так, Офферинго и Ван дер Пойль (11] приводят данные по извлечению нефти при циркуляции керосина через пори­ стую среду. При нагнетании керосина в образец, заполнен­ ный нефтью, нефтеотдача до прорыва вытесняющей жидко­ сти была такого же порядка, как и при заводнении. Однако нефтеотдача после прорыва при нагнетании керосина полу­ чалась значительно большей, чем при нагнетании воды.

По мнению Офферинга и Ван дер Пойль, нагнетание ке­ росина в пласт после заводнения неэкономично, так как в

пласте остается большое количество керосина.

В связи с этим был предложен метод рециркуляции, при котором часть жидкости, извлекаемой из пласта, вновь за­ качивается в пласт. Так, например, в поставленных опытах

для достижения нефтеотдачи, равной 77%, требовалось про­ качать керосин в объеме 6,5 поровых объемов. Когда приме­ няли рециркуляционную схему, нефтеотдача составляла 81%, при этом керосина было использовано всего лишь 0,48 объ­

ема пор образца. После заводнения в порах осталось керо­ сина около 10% общего объема пор образца.

14 —

полное смешивание. Газ, двигающийся по пласту позади, ва­ ла пропана, полностью очищает пласт — коллектор от про­ пана, так как последний в свою очередь растворяется в газе. В результате этого должна достигаться почти 100%-ная нефтеотдача.

Этот метод, названный методом вытеснения нефти путем создания оторочки из смешивающейся жидкости, при испы­ тании в лабораторных условиях показал прекрасные ре­ зультаты.

В этих экспериментах [13] нефть вытесняется из набитой песком трубы длиной 37,5 м путем создания очень малень­ кой оторочки пропана, равной по объему всего 1,5% общего объема пор. Пропан в свою очередь вытеснялся сухим га­

зом. Конечная нефтеотдача в результате вытеснения До­ стигла 95% содержащейся в образце нефти. Это намного больше, чем нефтеотдача, полученная при применении од­

ного сухого газа.

Фирма Carter Oil Со. провела ряд лабораторных иссле­

родной пористой среде, эксплуатирующейся при пропускании растворителя, двигаемого газом, как функцию безразмер­ ного времени и расстояния от нагнетательных скважин.

Это математическое решение было основано на уравне­

ниях материального баланса для газа, растворителя и нефти; на допущении о равновесии жидкости и газа в любом сече­

— 16 —

в пласт (для вытеснения пропана) 5—6 объемов газа в еди­ ницах объема содержания углеводородов в пласте, приведен­ ного к условиям рабочей температуры и давления.

Кривая на рис. 3 показывает, что полная нефтеотдача для рассматриваемой системы теоретически достигается при на­

гнетании жидкого пропана в количестве !/з объема содер­ жания углеводородов.

Учитывая положительный эффект от лабораторных экспе­ риментов по вытеснению нефти из пласта сжиженными га­ зами, многие нефтедобывающие фирмы еще с 1952—1953 гг.

начали осуществлять этот процесс в промышленных мас­ штабах. Фирма Carter Oil Со. в мае 1953 г. начала осуще­ ствлять метод создания оторочки из жидкого пропана на од­ ном из участков месторождения Семинол—Сити в штате Ок­ лахома [14], глубина залегания продуктивного песчаника здесь равна 1060 м. Средняя пористость песчаника —18%

и проницаемость по воздуху— 13 мдарси. Добываемая нефть имела удельный вес 0,835—0,845 и вязкость 3 спз при пласто­

вой температуре и атмосферном давлении.

К началу испытательных работ в пласте находилось 238,5 тыс. -и3 неизвлеченной нефти. Для повышения давления до величины, при которой пропан остается в жидком состоя­

для проталкивания этой оторочки. В итоге, к октябрю 1957 г. было закачено 16,1 млн. лР газа.

До начала работ суммарный дебит четырех эксплуата­ ционных скважин не превышал 2,4 мъ/сутк.и. Вскоре после начала закачки добыча нефти из пяти эксплуатационных скважин увеличилась до 31,8 м3/сутки. С 1953 г. „с этого

участка дополнительно добыто 19,0 тыс. м3 нефти, причем

50% закаченного пропана было извлечено обратно вместе с нефтью.

В ближайшее время фирма предполагает расширить эти

работы.

Аналогичный проект закачки сжиженных нефтяных газов осуществляется фирмой San Oil Со. на месторождении Мил­ ликан Риф в округе Клик в Техасе [15].

На этом участке площадью 592 га эксплуатируется 37

скважин. Нефть месторождения Милликан Риф является легкой с удельным весом 0,8. В марте 1955 г. давление на

опытном участке поддерживалось на уровне 120 ат. Опытная закачка пропана на этом участке представляла большой интерес, так как в него входил рифовый участок, который труднее было разрабатывать, чем пески или песчаники.

Вначале фирма San Oil Со. осуществляла'обычную закач­ ку сухого газа. Затем через одну нагнетательную скважину

— 17 —

закачали 2300 м3 смеси пропан-бутана и в настоящее время г. нее закачивается 70 тыс. м3]сутк,и, газа. Фирма рассчиты­ вает в течение года закончить испытания и при положитель­ ных результатах намечает расширить опыты.

В 1957 г. нефтяная фирма Magnoly Petroleum [16] нача­ ла осуществлять на месторождении Паркс в штате Техас крупнейший проект закачки жидкого пропана в пласт. За­

в 23 из 25 запланированных по проекту нагнетательных

скважин, в пласт бенд пенсильванского горизонта, залегаю­ щего на глубине 3172 м.

Все нагнетательные скважины размещены на большой территории, занимающей площадь свыше 3200 га. В течение последующих 9—12 месяцев в пласт бенд планируется зака­ чать не менее 240 тыс. ж3 жидкого пропана. По окончании закачки пропана в те же скважины будет нагнетаться до

450,0 тыс. я3 газа в сутки, который будет проталкивать про­ пан в пласт.

Оценивая перспективы этого метода, компания Магнолия рассчитывает за счет нагнетания пропана значительно уве­ личить добычу нефти по сравнению с заводнением, хотя по­ следнее и дает весьма удовлетворительные результаты.

По первоначальным подсчетам компании добыча нефти из этого пласта первичными методами оценивается пример­

но в 2,4 млн. м3. В результате же закачки пропана под дав­

лением газа конечный отбор нефти из пласта предполагается довести до 5—6 млн. м3. Кроме того, фирма надеется, что осуществление этого проекта позволит добыть не только

значительно большее количество нефти, но и извлечь из

пласта до 90% закаченного пропана.

Технологический процесс закачки жидкого пропана осу­

ществляется следующим образом: из 1168 м3 жидкого про­

пана, ежесуточно закачиваемого в пласт, 320 м3 фирма берет со своей газо-бензиновой установки на месторождении Пегапс. (25 км к югу). Недостающие 840—850 м3 пропана фирма

Magnoly Petroleum покупает у фирмы El Расо Natural Gas

и перекачивает его до месторождения Пегасус по 4-дюймово-

му трубопроводу. Пропан, поступающий на месторождение Паркс, при помощи дожимной станции подается в резервуар емкостью 190 м3 для хранения при давлении 13 ат.

Из резервуара пропан поступает в насосную станцию, где дожимными насосами давление пропана увеличивается до 14,7 ат, после чего подается на прием трех главных насо­ сов. Эти нагнетательные насосы сжимают пропан до 118,5 ат и через систему распределительных трубопроводов подают его в нагнетательные скважины.

— 18 —