На фоне возрастающей доли трудноизвлекаемых запасов для поддержания объёмов добычи нефти на необходимом уровне используются различные технологии, например химические методы увеличения нефтеотдачи (ХМУН) [1]. Данный метод относится к процессам, в которых щелочь, поверхностно-активные вещества и/или полимеры используются для снижения межфазного натяжения, изменения смачиваемости и контроля подвижности с целью увеличения количества нефти, извлекаемой из ранее обводненного коллектора [1–4]. Одной из основных проблем является потеря поверхностно-активного вещества из-за процессов адсорбции на породах пласта [3, 4]. Фактически высокая адсорбция ПАВ может сделать химические процессы повышения нефтеотдачи экономически невыгодными, поэтому необходимо подбирать композиции, которые будут как можно меньше сорбироваться на керне и при этом не терять своих свойств при закачке через керновый материал.
Сырая нефть извлекается с помощью трех основных процессов: первичного, вторичного и третичного методов увеличения нефтеотдачи. При первичной добыче сырая нефть выбрасывается из нефтяного пласта под действием естественного давления захваченной жидкости. По мере продолжения первичного процесса пластовое давление становится ниже определенного значения, так что оно больше не может продвигать мобильную нефть к добывающим скважинам. Следующим этапом закачивается вода или газ для увеличения и поддержания существующего давления в пласте, что обычно известно как вторичный процесс добычи нефти. Возможное количество нефти, извлеченной как в первичном, так и во вторичном процессах, обычно соответствует примерно 20–50 % залежи в зависимости от характеристик нефти и коллектора [1, 2, 5, 6]. Остальную нефть, оставшуюся в пласте, можно собрать с помощью процесса повышения нефтеотдачи (EOR) [1, 2, 6].
Учитывая рост энергопотребления и спроса на новые углеводородные ресурсы, а также принимая во внимание тот факт, что снижается продуктивность первичной добычи нефти, для интенсификации добычи необходимо применять новые МУН. До настоящего времени различные операции закачки воды и/или газа выполнялись в качестве методов поддержания давления [1]. Тем не менее только одна треть от общего объема нефти будет извлечена на первичных и вторичных стадиях добычи, что является причиной, по которой необходимо предложить варианты третичной добычи [2, 5]. Подвижность пластовой нефти будет повышаться с помощью процедур ХМУН, в основном за счет снижения межфазного натяжения (IFT) между нагнетательной жидкостью и пластовыми флюидами [2, 3, 7].
В прошлом для извлечения легкой и тяжелой нефти использовались различные методы увеличения нефтеотдачи, и их можно условно разделить на термические и нетермические методы. Термические методы, которые в основном используются для тяжелых нефтей и битуминозных песков, используют тепловую энергию, поступающую с горячей водой, паром или электрическим нагревом для сбора оставшейся нефти. Нетермические методы, которые обычно используются для легкой нефти, используют другие средства, такие как химическое заводнение, смешивающееся вытеснение или несмешивающийся газ [3, 4, 8–10]. Химическое заводнение – это процесс закачки химических растворов поверхностно-активных веществ, полимеров, щелочей или мицеллярных растворов в пласт для эффективности вытеснения остаточной нефти за счет повышения её мобильности [3–6]. Заводнение поверхностно-активными веществами считается наиболее перспективным, но неэкономичным, главным образом из-за значительной потери поверхностно-активных веществ в процессе адсорбции на поверхности породы и изменения смачиваемости породы непродуктивным образом [5–7, 10]. Все это сдерживало его применение до появления новых типов ПАВ. В настоящее время вклад химического заводнения в мировую добычу сырой нефти составляет лишь несколько процентов [2, 7, 11]. При минимизации потерь поверхностно-активных компонентов во время процесса химического заводнения, химические МУН являются методами с наиболее высокой эффективностью извлечения [12, 13].
Механизмы, вовлеченные в процесс введения поверхностно-активного вещества, недостаточно хорошо исследованы и смоделированы. Среди ключевых параметров большое значение имеет величина адсорбции поверхностно-активных веществ, которая влияет на применимость процесса ПАВ-полимерного заводнения в полевых условиях [3, 4, 14, 15].
Поверхностно-активные вещества адсорбируются на твердых поверхностях в виде мономеров [16–17]. Адсорбция поверхностно-активного вещества во время процесса химического заводнения является наиболее важной проблемой, которая может повлиять на успех или неудачу этого процесса. Адсорбция ПАВ может происходить на поверхности породы вследствие электростатического взаимодействия и ван-дер-ваальсовых взаимодействий, которые возникают между молекулами ПАВ и твердой поверхностью [11, 12, 18].
Как правило, адсорбция поверхностно-активного вещества зависит от многих факторов, таких как тип ПАВ, его эквивалентная масса, концентрация, ионная сила, pH раствора, минерализация и температура коллектора. Эти факторы также могут влиять на структуру породы, следовательно, могут привести к значительным изменениям в адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности породы [5–7]. Практически адсорбция поверхностно-активного вещества может быть уменьшена только до определенного предела. Увеличение производительности, а следовательно, и эффективности извлечения нефти в результате процесса химического заводнения может быть достигнута только в том случае, если процесс будет экономически оптимизирован за счет снижения адсорбции ПАВ [3, 5, 19].
Отсюда вытекают основные критерии подбора эффективных ПАВ для ПАВ-полимерного заводнения [2, 4, 5], представленные в таблице 1.
Поэтому целью исследования является оценка адсорбции компонентов ПАВ-полимерных композиций для химического заводнения на одном из месторождений Западной Сибири.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
· Оптимизировать методики определения концентрации ПАВ в составе активной оторочки фильтрационных тестов.
· Оценить адсорбцию ПАВ в статических и динамических условиях на песчанике.
Экспериментальная часть
В данной работе использовались ПАВ класса алкоксилированных глицедилсульфонатов, акилбензосульфонаты, алкилсульфаты.
Исследование состава синтезированных ПАВ методом ВЭЖХ МС проводили на аналитическом комплексе: высокоэффективный жидкостной хроматограф Agilent 1260 Infinity II с масс – детектированием Agilent 6545 LC/Q-TOF. Пробы вводились в масс-детектор без предварительного разделения в колонке. В качестве подвижной фазы выступал буферный раствор с 5,2 ед. pH.
Для исследования адсорбции ПАВ, содержащих хромофорную группу, использовали жидкостной хроматограф «Миллихром А–02» с хроматографической колонкой N2599, сорбент: ProntoSIL 120-5-C18. Эффективность колонки составляла 56 000 т.т. В качестве подвижной фазы использовали смесь ацетатный буфер – ацетонитрил.
Для удаления присутствующих в порах песчаника углеводородов и солей, применяли горячую сливную экстракцию с органическим растворителем (хлороформ) в аппарате Сокслета. Гранулометрический состав полученного песка/кернового материала определяли ситовым методом. Пробу просеивали через серию сит с диаметром отверстий 0,8, 0,6, 0,315, 0,2 и 0,1 мм. Для дальнейшего анализа использовали фракцию 0,315–0,2 мм.
Для проведения экспериментов по изучению статической адсорбции [12, 15, 18, 21] в герметичные флаконы помещали 1 г песчаника с диаметром частиц 0,315–0,2 мм. Добавляли по 3 см3 раствора ПАВ различных концентраций, содержимое флаконов интенсивно перемешивали и термостатировали при температуре 87 °С. Отбор проб водной фазы производили спустя 1 сутки. Отбирали по 1 см3 водной фазы и затем аликвоту разбавляли в мерной колбе и анализировали согласно методике оценки адсорбции ПАВ фотометрическим методом с добавлением метиленового синего [20]. Для определения содержания ПАВ измеряли оптическую плотность полученного хлороформного экстракта при длине волны 650 нм на приборе Agilent UV-VIS 8453.
Для проведения экспериментов по изучению динамической адсорбции [7, 11, 13, 21] хроматографические колонки длинной 200 мм и с диаметром 3 мм промывалась дистиллированной водой, затем ацетоном, после чего высушивалась и заполнялась песчаником. После этого колонку насыщали модельной пластовой водой, затем нефтью месторождения Западной Сибири и далее выполняли закачку модели пластовой воды, химических реагентов, затем довытесняли раствором полимера и модельной пластовой водой, все операции выполняли при температуре 87 °С. Осуществляли отбор проб вынесенных флюидов и анализировали их на наличие ПАВ селективными методами ВЖЭХ-УФ и ВЖЭХ -МС.
Результаты и обсуждение
Основной проблемой при оценке содержания ПАВ в выносных флюидах после ПАВ-полимерного заводнения является то, что ПАВ может быть одновременно растворен в различных фазах, в том числе в добытой нефти, как указано на рисунке 1.
Поэтому для более полной оценки адсорбции ПАВ необходимо проводить исследование во всех фазах пробы.
На начальном этапе необходимо оценить адсорбцию ПАВ и ПАВ-полимерных композиций в статических условиях, чтобы иметь представления о максимально возможной сорбции ПАВ [15, 18, 21, 22]. Для оценки адсорбции на керновом материале месторождения Западной Сибири был выбран лабораторный образец алкоксилированного глицедилсульфоната-1 (ПАВ-1). Оценку адсорбции вели на нефтенасыщенном и отмытом керновом материале с разной глубины залегания (глубина залегания 1 и глубина залегания 2). Определение концентрации ПАВ-1 проведено методом МС-анализа водных растворов композиций в диапазоне концентраций от 0,01 до 0,4 % масс. на минерализованной воде с общей минерализацией 16 г/дм3 до и после процедуры адсорбции в статических условиях. Результаты анализа адсорбции ПАВ представлены на рисунках 2–3. Изотермы адсорбции ПАВ на различном керновом материале представляет собой классический вид с выходом на плато максимального значения адсорбции и описываются уравнением Лэнгмюра [21–24].
