На современном этапе, при широком внедрении высокоэффективных технологий, состояние нефтяной промышленности России можно охарактеризовать сокращением объема прироста и ухудшения структуры промышленных запасов, что в основном связано с выработкой многих уникальных и крупных месторождений и их высоким обводнением, а также вводом в разработку месторождений с трудноизвлекаемыми запасами [1].
Снижение темпов роста добычи происходит на фоне роста объемов бурения и увеличения капитальных затрат нефтяных компаний.
Основные причины снижения эффективности развития нефтедобывающего сектора – это высокая себестоимость добычи нефти и значительная степень выработки легкодоступных месторождений [2].
В таких условиях обеспечение рентабельного прироста извлекаемых запасов экономически оправдано за счет технологий увеличения нефтеотдачи пластов, содержащих остаточные запасы на освоенных и обустроенных объектах.
Более привлекательным и экономически оправданным является создание высокоэффективных технологий увеличения нефтеотдачи пластов на заводненных нефтяных месторождениях, содержащих значительные остаточные запасы на освоенных и обустроенных объектах. Это внесет существенный вклад в обеспечение рентабельного прироста извлекаемых запасов и дополнительной добычи нефти при минимальных капитальных вложениях. [3].
Очень редко под месторождением понимается одна залежь нефти и газа. В основном это набор залежей представленных коллекторами разного типа, имеющих разнообразные размеры по толщине и площади, различные условия образования и физико-химический состав флюидов [4].
В таких условиях управление движением нефти к нефтедобывающим скважинам с целью вовлечения в разработку залежей нефти и газа с учетом наиболее полного извлечения углеводородов из недр – это сложная задача, не имеющая единственного решения.
Согласно [5] для месторождений с физическими обусловленными затруднениями вытеснения, вызванными высокой вязкостью нефти, реологическими свойствами, высокой долей микрокапилляров, требуется прямой длительное действие на флюиды для стимуляции фильтрационных процессов.
Ранее, в работе [6] было высказано предположение о влиянии на эффективное сечение поровых каналов сил межмолекулярного взаимодействия - сил Ван-дер-ваальса. Рассматривая природу этих сил можно предположить, что в процессе движения молекул нефти в пористой среде, на участках свободной поверхности диполи (молекулы) располагаются в одном направлении вдоль общей оси, а на участках в пределах контакта частиц грунта дипольные моменты ориентированы хаотически. В местах контакта частиц наблюдается увеличение концентрации полярных молекул, образуются устойчивые полимолекулярные слои, обладающие высокой механической прочностью, размер слоев может достигать десятки микрометров и зависит от физико-химических свойств нефти и свойств горной породы.
Аналогичные исследования, посвященные вопросам аккумуляции полярных молекул, а также ориентацией молекул на поверхности твердой фазы были проведены А.С. Ахматовым, в его работе «Молекулярная физика граничного трения» [7].
Рассматривая структурную схему контактного взаимодействия гетерогенных композиционных покрытий в условиях граничного трения, рис. 1, автор утверждает, что разделение поверхностей трения 1, 2 осуществляется как за счет металлического (герцевского) взаимодействия, так и за счет адсорбированных поли- и мономолекулярных граничных слоев, полярных молекул, расположенных на поверхностях трения.
Полимолекулярный слой играет роль преобладающего фактора смазочного действия и способен обеспечить очень низкий коэффициент трения, лишь ненамного выше, чем коэффициент жидкостного трения [8].
Рис. 1 Схема силового взаимодействия единичных сферических сегментов при наличии полимолекулярного слоя:
1, 2 – поверхностные слои взаимодействующих тел;
3 – поры;
4 – адсорбированный полимолекулярный слой полярных молекул на поверхностях трения;
5 – приконтактная зона, в которой адсорбированные молекулы обладают упругостью формы.
На участках вокруг пятен фактического контакта, концентрация полярных молекул существенно выше, чем на участках свободной поверхности, вследствие повышения потенциала адсорбции в узких зазорах, где действуют ван-дер-ваальсовые силы обеих поверхностей. Молекулы образуют полимолекулярные слои толщиной 40-50 линейных размеров полярных молекул
где
- диаметр молекулы.
Участки, примыкающие к зонам фактического, могут рассматриваться как участки контакта, на которых полярные адсорбированные молекулы обладают упругостью формы и создают противодавление.
Классическая теория фильтрации однородной жидкости, основанная на законе Дарси гласит «В естественном грунте частицы жидкости перемещаются через мельчайшие каналы, образованные между частицами грунта вследствие их неплотного прилегания друг к другу [9]. Движение жидкости представляет собой обтекание бесчисленного множества сложных поверхностей, рис 2.
Рис. 2 Схематичное представление горной породы.
Построим упрощенную модель фиктивного (корпускулярного) грунта и оценим эффективное сечение поровых каналов, с учетом наличия адсорбированных поли- и мономолекулярных граничных слоев из молекул нефти.
Рассмотрим контактирование частиц горной породы, моделируемых сферическими сегментами, предполагающее наличие полимолекулярного слоя, рис. 3.
Рис. 3 Схема взаимодействия единичных сферических сегментов при наличии полимолекулярного слоя.
Для численной оценки сечения поровых каналов воспользуемся результатами макроописания и фотографиями керна, отобранного из поисково-оценочной скважины №6 Левобережной площади Волгоградской области, табл. 1.
Табл. – 1 Литологическая характеристика керна
Пористая структура керна исследована на подготовленном шлифе песчаника, размером 5,95х5,95 мм, рис. 4 и представлена в таблице 2.
Рис. 4 Шлиф исследуемого образца – песчаника
Таблица 2 Статистические данные исследуемого образца
Как видно из таблицы наибольшую долю площади шлифа 38,88% занимают частицы размером 0,1-0,445 мм.
Площадь зоны, адсорбированной молекулами нефти, определим как площадь треугольника ABC, со сторонами 2х и (b-а), рис. 3.
где:
- толщина полимолекулярного слоя, нм., может принимать значения от
до
Поскольку нефть, являющаяся природным продуктом, имеет достаточно разнородный состав, о процентном соотношении тех или иных химических элементов в ней можно говорить весьма условно. Тем не менее, отметим, что в различных типах нефти основными составляющими элементами являются углерод, водород и сера, реже — кислород и азот.
Наименьший размер имеет молекула метана. Наиболее крупные молекулы характерны для асфальтенов, с молекулярной массой сто тысяч и более. Между этими двумя крайними соединениями располагаются другие структуры, имеющие свои размеры в широком диапазоне от 0,01 до 10 нанометров [10].
По мере того как возрастают размеры молекул в ряду углеводородов-гомологов, газы сменяются жидкостями, а эти последние — твердыми веществами. Нефти основных продуктивных отложений в Волгоградской области по существующей классификации относятся к легким, маловязким, парафинистым, малосолистым и малосернистым. По своему групповому составу они имеют парафиновую природу. С учетом проведенного описания природы нефти можно констатировать интервал размеров основных групп соединений в пределах 0,1 – 2,2 нанометра.
- радиус пятна контакта взаимодействия сферических сегментов может быть найден из условия их взаимодействия [11].
До вскрытия месторождения скважинами все физические параметры пласта — температура, давление, распределение нефти, воды и газа в залежи — находятся в состоянии, установившемся в течение геологических периодов, прошедших с момента формирования залежи. С вскрытием пласта и началом его эксплуатации эти установившиеся условия нарушаются, и наступает динамический период в истории залежи, сопровождающийся изменением свойств пластовых жидкостей, их движением и перераспределением в пористой среде.
Породы пластов в естественном состоянии находятся в упруго-сжатом состоянии под действием веса вышележащих отложений. При проведении горных выработок это состояние всестороннего сжатия нарушается, и создаются условия «вытекания» пород в выработку. При этом в районе скважины в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий [12].
Согласно, работы [13], область влияния скважины на прилежащие горные породы не превышает 2 м в одну сторону. С учетом градиента пластового давления на скважинах Левобережной площади, равного 1,13 кг/см2 на 10 м (на глубине отбора керна 4000 м), усилие, действующее на частицы песчаников составит (1,13/10)*2м=0,226кг/см2 (0,02МПа), отсюда радиус пятна контакта взаимодействующих поверхностей:
где:
- усилие прижима контактирующих поверхностей;
- приведенный радиус кривизны сферических сегментов;
- эффективный модуль упругости сжимаемых тел.
- радиус пятна контакта с учетом адсорбированного слоя, При незначительных деформациях угол 
принимаем в несколько градусов (1-3 град.).
Минимальная возможная площадь зоны полимолекулярных слоев на выбранном месторождении
Максимальная возможная площадь зоны полимолекулярных слоев на выбранном месторождении
Результаты расчетов для приведенной пористой структуры сведены в таблицу 3.
Табл. 3 Исходные данные и результаты расчета площади зоны, образованной полимолекулярными слоями
Принимая во внимание, что в зоне контакта сферических сегментов площадь зоны адсорбированной молекулами удваивается, определим общую площадь зоны в пределах шлифа:
Общая площадь пор в модели грунта для сечения шлифа:
Относительное уменьшение площади эффективного сечения поровых каналов при движении по ним пластового флюида составит:
Полученный результат можно сравнить с исследованиями в работе [9, с. 63], посвященной движению жидкости через пористую среду, где автор обосновывает уменьшение пористости среды на 5% влиянием существования жидкой пленки, приводящей к образованию «мертвых зон» около частиц грунта.
Выводы
Наличие полимолекулярных слоев нефти в пределах контакта частиц грунта горной породы создает дополнительное сопротивление перемещению частиц жидкости в горной породе. Установлено, что площадь зоны адсорбированной молекулами нефти зависит как от физико-химических свойств нефти, так и от свойств и условий залегания горной породы.
Полимолекулярные слои из адсорбированных молекул, обладая высокой механической прочностью, создают «застойные зоны» в горной породе, тем самым уменьшая эффективное сечение поровых каналов. Моделирование течения жидкости через фиктивный (корпускулярный) грунт с учетом конкретных условий месторождения показывает, что разрушение зон адсорбированных молекул, позволило бы увеличить сечение поровых каналов на выбранном месторождении на 6%, что соответственно увеличивает коэффициент извлечения нефти (КИН) и дебит скважины.
Одним из эффективных способов разрушения полимолекулярных слоев, принимая во внимание наличие сил межмолекулярного взаимодействия притяжения и отталкивания между молекулами - сил Ван-дер-Ваальса, является воздействие электромагнитного поля на адсорбированные молекулы, более подробно [6]. Изменение направления поля вызывает изменение положения диполя (молекулы), в результате меняется ориентационное взаимодействие между диполями (молекулами), исключаются «зоны застоя» при перемещении частиц жидкости в поровом пространстве горной породы.
Список использованной литературы:
1. Обзор «Нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленность России 2012-2012 гг. Инвестиционные проекты и описания компаний. ИА «INFOLine», 720с, 2012г.
2. Нефтяная промышленность России: Состояние и проблемы, Рыженко В. Ю. Перспективы науки и образования №1(7), 2014)
3. В.М. Максимов «О современном состоянии нефтедобычи, коэффициенте извлечения нефти и методах увеличения нефтеотдачи / Бурение и нефть, №2, 2011г.
4. Бердин Т.Г. Проектирование разработки нефтегазовых месторождений системами горизонтальных скважин. - М.: 000 "Недра-Бизнесцентр", 2001. - 199 с.: ил.).
5. Барышников А.А. Исследование и разработка технологии увеличения нефтеотдачи за счет вытеснения с применением электромагнитного поля/Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
6. В.А. Шмелев, Ю.П. Сердобинцев, П.Н. Антошкин, А.И. Сухарьков Интенсификация притока нефти при разработке месторождений горизонтальными скважинами Деловой журнал Neftegas.RU. – 2015. - № 6 – С. 20-23.
7. А.С. Ахматов Молекулярная физика граничного трения, М., Физматгиз, 1963г., 472 стр., с илл.
8. Фукс Г.И. Трение и износ, 1983, Т. 4, №3, С. 398-414).
9. Л.С. Лейбензон Движение природных жидкостей и газов в пористой среде, ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва 1947, Ленинград.
10. Богомолов А.И и др Химия нефти и газа / Под. Ред. В.А. Проскурякова. – Л.: Химия, 1989. – 424 с.
11. И.В. Крагельский, Н.М. Добычин, В.С. Комбалов Основы расчетов на трение и износ. М., 1977
12. Желтов Ю.П. Механика нефтегазоносного пласта. М., Недра, 1975, 216 с.
13. Папуша А. Н., Гонтарев Д. П. К вопросу расчета напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности сверхглубокой вертикальной скважины // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 5.
