глина. Исследование вод различной минерализации для заводнения глинистых коллекторов investigation of different salinity water flooding in
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
374 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОД РАЗЛИЧНОЙ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ (INVESTIGATION OF DIFFERENT SALINITY WATER FLOODING IN CLAY RESERVOIRS) Ямщикова Е.А. (научный руководитель: д.т.н., профессор Рогачев М. К.) СПГУ Введение В настоящее время на территории Российской Федерации в более, чем 90% случаев применяется заводнение. Поэтому проектирование и управление этим процессом является важной задачей для недропользователей. Более весомыми эти параметры становятся в условиях снижения коэффициентов нефтеотдачи и увеличению количества разрабатываемых ТРИЗов. По данным Минэнерго России с каждым годом добыча из нетрадиционных коллекторов увеличивается. В 2016 году прирост по ТРИЗам составил 12%, в 2017 году планируемый рост ещё 8-9%. Поэтому добыча из низкопроницаемых глинистых коллекторов является одним из приоритетных направлений в разработке месторождений. На территории России колоссальные запасы нефти сосредоточены в глинистых коллекторах (баженовская карбонатно-кремнисто-глинистая свита – Салымское месторождение, майкопская глинистая серия – Журавское месторождение, песчано-глинистые горизонты карбона - Ново- Елховское и Ромашкинское месторождения и др.). Однако низкая эффективность разработки глинистых коллекторов обусловлена отсутствием технологий с высокой результативностью, что вызывает ряд осложнений. Например, на Самотлорском месторождении в связи с избирательным снижением проницаемости в неоднородных глинистых коллекторах остаточные запасы нефти остаются сосредоточенными в набухших глинистых прослоях [1]. ТРИЗы в глинистых коллекторах содержатся как на новых, так и на месторождениях на поздней стадии разработки. Поэтому актуальным является вопрос регулирования полного цикла разработки: от стадии ввода скважин в эксплуатацию и до вывода высокообводненного фонда в связи с нерентабельностью добычи. Изучением вопросов эффективных методов и технологий физико- химического воздействия на глинистые коллектора занимались отечественные и зарубежные ученые Андреев В.Е., Бабалян Г.А., Валеев М.Д., Владимиров И.В., Гладков П.А., Дияшев Р.Н., Газизов А.Ш., Газизов А.А., Желтов Ю.В., Задорожный Е.В.,Закиров С.Н., Зейгман Ю.В., Кудинов В.И., Кульчинский Л.И., Ленченкова Л.Е., Машорин В.А., Мусабиров М.Х., Муслимов Р.Х., Рогачев М.К., Рябоконь С.А., Салихов 375 И.М., Саркисов Н.М., Уметбаев В.Г., Фахретдинов Р.Н., Хавкин А.Я., Хисамутдинов Н.И., Храмченков М.Г., Шаймарданов М.Н., Ali S., Austad T., Economides М., Fabiane Q da Silva, Fogler H.S., Hughes D., Kehew A.E., Kline W.E., Larsen S., Lee SY, McLeod G., Smith C., Wright R. и др. Остаются непроработанными процессы комплексного внедрения минерализованного заводнения при разработке глинистых коллекторов с учетом изменений условий эксплуатации в процессе добычи. Одной из областей дальнейших исследований является создание универсальных критериев для внедрения минерализованного заводнения глинистых коллекторов. Структура глинистых минералов Набухание и другие специфические свойства глинистых минералов с лабильной решеткой оказываются связанными со структурно- кристаллохимическими особенностями глинистых минералов. Структура глинистых минералов образована сочленением двух типов слоев (рисунок 1). Рисунок 1 – Тетраэдр-октаэдрическая структура глин (класс 1:1) [2] Первый слой сформирован кремнекислотными (SiO 4 ) тетраэдрами, а второй состоит из двух слоев плотно упакованных атомов кислорода и гидроксильных групп, между которыми расположены атомы алюминия, железа или магния, образующих октаэдрическую форму (Al 2 (OH) 6 , Fe 3 (OH) 6 , Mg 3 (OH) 6 ) n . Молекулы воды могут проникать между частицами глины (тетраэдрическими и октаэдрическими структурами) и формировать единый ионно-гидратационный слой, вызывая изменения в решетке и подвижность кристаллов [3]. По структуре глины разделяются на 2 типа: 1) 1:1 – породы, в которых глинистый минерал состоит из одного октаэдрического и одного тетраэдрического слоев; 2) 2:1 – породы, в которых глинистый минерал состоит из одного тетраэдрического слоя между двумя октаэдрическими слоями. 376 Основные виды глин и их характеристики представлены в таблице 1. У каолинитовых глин есть небольшой отрицательный поверхностный заряд. Он образуется вследствие реакций комплексообразования: на границе внутри поверхность каолинита положительно заряжена, за пределами – отрицательно. На границе заряд нейтральный. Стоит отметить, что плотность поверхностного заряда каолинита значительно меньше, чем у других глин [4]. Таблица 1 – Свойства глин [4] Группа Название глины Тип Способность к катионному обмену (мэкв/100 г) Постоянный поверхностный заряд Набухаемость Каолинитовая Каолинит, диккит, накрит 1:1 3-15 Нет Не набухающие Галуазит Набухающие Смектитовая Монтмориллонит, сапонит, нонтронит 2:1 80-120 Отрицательный Набухающие Иллитовая Иллит 2:1 20-50 Отрицательный Не набухающая Хлоритовая Разнообразное 2:1 10-40 Положительный Не набухающая Вермикулит (дитэтраэдрический) 10-50 Набухающая Вермикулит (триэтраэдрический) 100-200 Особенности механизма набухания глин В условиях ограниченного объема пор процесс набухания сводится к заполнению глинистыми частицами свободного пространства пор. При произошедшем процессе набухания глин и снижении проницаемости породы-коллектора невозможным является процесс восстановления проницаемости до первоначального значения. Это подтверждают исследования натурных кернов в ООО «РН-УфаНИПИнефть» пластов АС4, БС8, и Ач Западно-Малобалыкского месторождения [6]. Было произведено заводнение с минерализацией воды 15 г/л (сеноманская вода) и 8 г/л (техническая вода), затем долговременная фильтрация с использованием сеноманской воды. Коэффициенты восстановления проницаемости составили 52,5 % для пласта АС4, 53,7 % - для пласта Ач и 76,7 % - для БС8. В связи с такими низкими показателями восстановления проницаемости необходимо свести к минимуму набухание глин в пласте на начальном этапе разработки месторождения [5]. Подбор закачиваемой воды для заводнения глинистых коллекторов на начальном этапе разработки месторождений С начала 60-х годов двадцатого века началось исследование извлечения нефти из глинистых нефтенасыщенных коллекторов в связи с открытием Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. На основе опыта выполненных проектов ТатНИПИнефтью были разработаны 377 принципы разработки низкопродуктивных глинистых коллекторов [7], включающие необходимость использования в качестве вытесняющего агента при заводнении алевролитов высокоминерализированной воды. Ключевыми аспектами для конкретного месторождения являются подбор степени минерализации воды с целью минимального уменьшения проницаемости пласта. По опытно-промышленным испытаниям установлено, что при глинистости пласта до 0,05 (доли ед.) падение приемистости незначительно, до 0,1 случается снижение КИНа на 5%,а свыше 15% происходит практически полная изоляция призабойной зоны [8, 9, 10]. Поэтому необходимо учитывать фактор набухания глинистых частиц при их содержании более 5% и подбирать состав закачиваемой воды с целью минимального спада проницаемости ПЗП. Для оптимизации степени минерализации закачиваемой воды рассмотрены влияния пресной, низкоминерализованной (до 5 г/л) и высокоминерализованной вод (15 г/л) на проницаемость глинистого низкопродуктивного коллектора [6]. Лабораторные исследования по закачке вод различной степени минерализации производились на кернах пласта БС10-11 Тарасовского месторождения. На начальном этапе эксперимента керн насыщался высоко очищенной пластовой водой, затем последовательно нагнетались воды с различной минерализацией с КНС-1 (15, 85 г/л), КНС-2 (4,63 г/л), КНС-3 (2,05 г/л) и КНС-4 (2,81 г/л). Результаты приведены на рисунке 2, из которого видно, что замена пластовой воды на воду, нагнетаемую КНС-1, приводит к заметному снижению проницаемости (с 4.7 до 2.0 мД) и росту перепада давления. Затухание фильтрации происходит из-за набухания глинистого цемента. Следовательно, пластовая вода высокой степени очистки лучше всего подходит для ППД, и со снижением степени минерализации воды происходит уменьшение проницаемости. Но для поддержании энергии в пласте недостаточно отобранной пластовой воды, поэтому рекомендуется совместное закачивание воды со степенью минерализации около 15 г/л. При взаимодействии пластовой и высокоминерализированной вод увеличивается риск выпада гидратообразования в пласте и в эксплуатационной колонне. Поэтому изучение совместимости пластовых вод и закачиваемых рассолов с учетом их индивидуального химического состава, возможности протекания конкурирующих реакций, низких пластовых температур, возможности образования нерастворимых солей на фильтрационные свойства пород-коллекторов является важной задачей. 378 Рисунок2 – Динамика фильтрации различных вод через пористую среду Тарасовского месторождения [6] Применение заводнения глинистых коллекторов в процессе длительной разработки месторождений Проведены эксперименты по вытеснению нефти водой с различным минеральным составом на образцах керна пласта АВ 1-2 1 Самотлорского месторождения [11]. Опыты показали, что большинство из используемых реагентов (пресная вода, 5%-й раствор KCl, 1%-й KOH, 5%-й CaCl 2 и пластовая вода) малопригодны для закачки в пласт, так как приводят к значительному снижению проницаемости. Даже необработанная пластовая вода из-за наличия механических примесей приводит практически к полному прекращению фильтрации. Результаты экспериментов представлены на рисунке 3. Коэффициент β (%) является отношением текущей проницаемости к начальной. Положительным результатом отличается только использование раствора CaCl 2 . Здесь даже имеет место рост проницаемости по мере увеличения времени контакта раствора с породой. Увеличение проницаемости коллектора при закачке хлор- кальциевых вод может быть объяснено изначальной водонасыщенностью образцов. При закачке воды с содержанием солей произошли изменения в микроструктуре коллектора, а именно извлечение внутрикристаллической воды из минерального состава и декольматация поровых каналов. Уменьшение проницаемости при закачке пластовых вод может быть объяснено содержанием механических примесей в составе воды. Поэтому для закачки следует использовать воду высокой степени очистки, так как вода с низкой степенью очистки показывает неудовлетворительные результаты. 379 Рисунок 3 – Динамика изменения проницаемости при лабораторных опытах с различными рабочими агентами [11] Применение низкоминерализованного заводнения на конечных этапах разработки высоко обводненного фонда скважин Низкоминерализкованное заводнение применяется после заводнения водами высокой минерализации или пластовыми водами. Оно вызывает реакции между нагнетаемой, пластовой водами и поверхностью глинистых частиц. В частности, ионный обмен и изменение состава двойного электрического слоя глинистых частиц, их отделение из скелета породы и вовлечение в разработку связанной нефти на поверхности вынесенных частиц. Этот процесс способствует уменьшению остаточной нефтенасыщенности и увеличению КИНа. Проведено множество исследований российских и зарубежных ученых по применению низкоминерализованного заводнения [12-15], но во многих случаях не произошел значительный прирост КИНа. Результаты исследований представлены в таблице 2. Существует множество причин неудачного проведения опытов, связанных со сложным механизмом процесса низкоминерализованного заводнения. Но можно установить условия для успешного применения данной технологии: 1. Значение обводненности скважинного флюида более 60% [16]. Тогда при закачке вод низкой минерализации происходит изменение состава двойного электричекого слоя молекул, приводящее к вовлечению связанной нефти и допустимое набухание глинистых частиц. 380 Таблица 2 – Результаты применения низкоминерализованного заводнения [12-15] 2. Небольшое содержание глинистых частиц (эксперименты увенчались успехом с содержанием частиц до 13%) с преимущественным содержанием каолинита. Из-за своей минеральной структуры частицы каолинитовых глин имеют постоянный заряд на поверхности слоёв. Изменение заряда возможно только на краях граней частиц, что способствует их низкому набуханию [17]. 3. Допустимое значение 4,5 < pH < 8,5 [18]. В процессе низкоминерализованного заводнения происходит замена Ca 2+ на Н + из ДЭС, что увеличивает значение pH. Поэтому некоторые полярные компоненты нефти растворяются в воде, и уменьшается межфазное натяжение на границе с водой. Но вследствие расширения ДЭС и отделения органических частиц нефти происходит увеличение смачиваемости на поверхности породы. Это приводит к увеличению межфазного натяжения на границе вода-порода и отделению глинистых частиц из скелета породы [19,20]. При растворении нефти в воде и увеличении межфазного натяжения на границе вода-порода жидкости оказываются прочно связанными на поверхности глинистых частиц, что выражается в отсутствии дополнительного притока нефти. Исходя из данных условий нельзя допускать увеличение pH выше рекомендуемого. Также следует учитывать, что газы, растворенные в пластовом флюиде (CO 2 , H 2 S) снижают уровень pH. 4. Вода с преимущественным содержанием ионов Na + . При взаимодействии глинистых частиц с водой вокруг них образуется двойной ионный (электрический) слой, состоящий из двух слоев: адсорбционного и диффузного (рисунок 4) [21]. Месторождение Содержание глин, % Обводненность Средняя пористость, % Средняя проницаемость, мД Состав воды Минерали зация, мг/л Прирост КИНа, % Endicott, Аляска+ 12 (каолинит,доп. иллит) 95 20 100 NaCl 1500 10-13 смешанная морская 440 0,5-2,6 NaCl 440 0,3-2,1 5-35 (не набухающие) 97 - - NaCl 500 1 15 (слюда, иллит) - 100 NaCl 500,00 0 8 (90 град) - 2 18 (130 град) - 0 Yme, Северное море 16 (каолинит, слюда, иллит) 100 15 большой диапазон значений NaCl 668 0 9-12 (каолинит, доп. хлорит) - 19 5 Cl - 250 27 9,3-12,6 60 16,6-17,6 10 Cl - 271 4 Snorre, Норвежское море+ 10-20 (каолинит, 90 град) - 14-32 100-4000 Приобское, Западная Сибирь Varg, Норвежское море+ смешанная вода 1900,00 20 15-27 381 Рисунок 4 - Схема формирования адсорбционного и диффузного слоев вокруг глинистой частицы при различной минерализации окружающего раствора [21] В зависимости от общей минерализации воды и ее насыщенности различными катионами диффузный слой может менять свою толщину. В одинаковой концентрации бивалентные катионы (Ca 2+ , Mg 2+ ) уменьшают толщину ДЭС больше, чем одновалетные ионы Na + . Увеличение размера адсорбционного слоя приводит к ослаблению сил сцепления между частицами, поэтому часть ионов глины отрывается и переходит в жидкость с образованием суспензии. Происходит набухание глинистых частиц и кольматация поровых каналов. Но ионы Na + обладают меньшей активностью и не могут заменить бивалентные ионы в диффузионном слое частицы [22]. В результате закачки воды низкой минерализации со значительным содержанием ионов Na + толщина диффузионного слоя частицы увеличивается незначительно. Происходит частичное заполнение ДЭС катионами Na + , которые не позволяют проникнуть большому количеству H + в ДЭС и образовать с ними прочные водородные связи. Таким образом минимизируются содержание катионов H + в адсорбционном слое и набухание глинистых частиц. 5. Высокая пластовая температура способствует дополнительной активности ионов в составе воды и, следовательно, возможности адсорбции полярных соединений в ДЭС [19, 20]. Выводы 1. Выполнен литературный анализ применения вод различной степени минерализации для заводнения глинистых коллекторов. Основное внимание уделяется выбору количества растворенных частиц в водной среде и их составу. Но проблема низкой эффективности разработки глинистых коллекторов остается нерешенной, но актуальной в условиях современности, так как существуют осложнения при разработке глинистых коллекторов. 2. Рекомендуется проводить заводнение с использованием минерализованных вод при содержании глинистых частиц более 5%. При 382 этом необходимо учитывать изменение условий эксплуатации в процессе разработки месторождения. 3. На начальном этапе разработки залежи следует производить опыты по совместной закачке пластовой воды высокой степени очистки и воды с минерализацией около 15 г/л. Основополагающим фактором при выборе воды для заводнения будет являться низкая степень снижения проницаемости образцов керна. Также следует производить лабораторные исследования на предмет выпадения гидратообразований с учетом их индивидуального химического состава и пластовых температур. 4. При длительной разработке следует осуществлять разглинизацию в случае кольматации поровых каналов (волновое, импульсное воздействие, растворители). Для предотвращения кольматации следует использовать воду высокой степени очистки. 5. На конечном этапе разработки после высокоминерализованного заводнения рекомендуется применение низкоминерализованного заводнения для увеличения КИНа. Для благоприятного протекания процесса необходимо соблюдение следующих условий: обводненность продукции больше 60%, содержание глинистых частиц преимущественно с каолинитовым составом до 13%, допустимый уровень 4,5 < pH < 8,5, применение вод с большим содержанием ионов Na+. Таким образом, было исследовано заводнение коллекторов с содержанием глинистых частиц на различных стадиях разработки месторождения и даны рекомендации по подбору степени минерализации и состава воды для данного метода разработки месторождений. Список литературы: 1. Задорожный Е.В. Повышение эффективности выработки запасов нефти из тонкослоистых глиносодержащих коллекторов типа «рябчик»: дис. … канд. технич. наук. Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»), Уфа, 2012. 2. Stephen Lower. The Earth crust [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://geo.libretexts.org/Core/Geochemistry/The_Earth_and_its_Lithosphere/T he_Earth%27s_crust. – (Дата обращения: 02.02.2018). 3. Кульчицкий Л.И., Усьяров О.Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. – М.: Недра, 1981. – 178 с. 4. Kehew, A.E. Applied Chemical Hydrogeology / A.E. Kehew. – Изд-во Prentice-Hall, 2001. - 368 с. 5. Храмченков М.Г. Изучение структурных глинистых изменений и термодинамическая модель фильтрационных свойств глинистых пород / Храмченков М.Г., Эйриш М.В., Корнильцев Ю.А. // Геоэкология. – 1996. - № 5. – с. 65-73. 383 6. Игдавлетова М. Влияние минерализации закачиваемой воды на проницаемость и нефтеотдачу коллекторов [Электронный ресурс] / М. Игдавлетова, Т. Исмагилов, И. Ганиев, А. Телин // Neftegaz.ru: деловой журн. – 2015 г. – Режим доступа: https://neftegaz.ru/science/view/1088- Vliyanie-mineralizatsii-zakachivaemoy-vody-na-pronitsaemost-i-nefteotdachu- kollektorov . – (Дата обращения: 11.11.2017). 7. Дияшев Р.Н. Особенности разработки многопластовых объектов / Дияшев Р.Н. // Экспресс-информ. Сер.: «Нефтепромысловое дело». – М.: ВНИИОЭНГ, 1987. – с. 203. 8. Владимиров И.В. Исследование выработки запасов нефти при заводнении двухпластовой системы коллекторов с повышенным содержанием глинистых минералов [Текст] / И.В. Владимиров, И.И. Родионова, Д.Т. Абилхаиров // Нефтепромысловое дело. – 2012. – №1– с. 39-45. 9. Хавкин А.Я. Влияние минерализации закачиваемой воды на показатели разработки низкопроницаемых пластов: учебное пособие / А.Я. Хавкин // М.: РГУнефти и газа, 1998 год. – 126 с. 10. Шаймарданов М.Н. Оценка влияния глинистости коллектора на КИН при разработке залежи системой вертикальных скважин / М.Н. Шаймарданов. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности – 2012. – №11. ‒ с. 40-44. 11. Закиров С.Н. Разработка залежи нефти с тонкослоистыми глинизированными коллекторами [Текст] / С.Н. Закиров [и др.] // Тр. Международной конференции «Нефтеотдача-2003». – М.: 19-23 мая 2003. 12. Hughes D. Review of low salinity water flooding / David Hughes, Susanne Larsen, Rob Wright. – Проведено для отдела энергетики и изменений климата (DECC), 2010. –41 c. 13. Гладков П.А. Обоснование технологий физико-химического воздействия на низкопроницаемые полимиктовые коллектора (на примере южной лицензионной территории Приобского нефтяного месторождения): дис. … канд. технич. наук. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Тюмень, 2015. 14. Машорин В.А. Исследование и разработка технологии повышения коэффициента вытеснения нефти водой различной минерализации: дис. … канд. технич. наук. Тюменский государственный нефтегазовый университет, СПб, 2012. 15. Fabiane Q. da Silva. The low salinity waterflooding to enhance the oil recovery in sandstone reservoir and applicability in oil fields [Текст] / Fabiane Q. da Silva, Luis G. Rodrigues // Technical Paper for Rio Oi & Gas Expo and Conference. – 2014. – 10 p. 16. Уточненный проект разработки Самотлорского месторождения: в 14 томах / ЗАО «Тюменский нефтяной научный центр», компания «ПетроАльянс Сервис Компани Лимитед». – Тюмень-Москва, 2005. 384 17. Schroth, B. Surface charge properties of kaolinite / B. Schroth, Sposito G. // Сlays and clay minerals. – 1997. - том 45, № 1. – с. 85-91. 18. ОСТ 39-225-88 Вода для заводнения нефтяных пластов. Требования к качеству. — Введ. 1990-01-07.— М.: Изд-во стандартов, 1990. 19. Lee SY. Low Salinity Oil Recovery - Increasing Understanding of the Underlying Mechanisms / Lee SY и др. // SPE IOR Symposium. – Tulsa, 2010. - SPE 129722. 20. Austad T. Chemical Mechanism of Low salinity Water Flooding in Sandstone Reservoirs / Austad T. и др. // SPE IOR Symposium. - Tulsa, 2010. - SPE 129767. 21. Бабалян Г.А. Вопросы механизма нефтеотдачи. – Баку: Азербайджанское государственное издательство нефтяной и научно- технической литературы, 1956. – 255с. 22. Зейгман Ю.В. Физические основы глушения и освоения скважин: Учебное пособие/Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996. – 78с. |