Увеличение КИН

Влияние межмолекулярных взаимодействий на эффективное сечение поровых каналов при движении пластового флюида в горной породе.

Наличие полимолекулярных слоев нефти в пределах контакта частиц грунта горной породы создает дополнительное сопротивление перемещению частиц жидкости в горной породе. Полимолекулярные слои создают «застойные зоны» уменьшая эффективное сечение поровых каналов. Разрушение зон адсорбированных молекул, позволило бы увеличить коэффициент извлечения нефти (КИН) и дебит скважины. Какие сегодня существуют способы разрушения полимолекулярных слоев?

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 1 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 мкм 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 , - 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.

Таблица 1. Литологическая характеристика керна

Песчаники кварцитовидные светло-коричневые, коричневато-серые, с многочисленными глинисто-углистыми слойками (до 0,5 мм толщиной). Песчаники мелкозернистые, алевритовые, участками (в нижней части слоя) переходящие в алевролиты крупнозернистые, мелкопесчаные. Породы слоя плотные, крепкие, с тонкой, визуально незаметной пористостью, со следами насыщения углеводородами и отчётливым запахом углеводородов, заполненные битумно-глинистым материалом.

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

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 100 тыс и более. Между этими 2^я крайними соединениями располагаются другие структуры, имеющие свои размеры в широком диапазоне от 0,01 до 10 нм [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 нм.

а - 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 4 тыс м), усилие, действующее на частицы песчаников составит (1,13/10)*2м=0,226кг/см² (0,02МПа), отсюда радиус пятна контакта взаимодействующих поверхностей:

- радиус пятна контакта с учетом адсорбированного слоя, при незначительных деформациях угол принимаем в несколько градусов (1-3 ^оС).

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

Таблица 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:

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.

English announcement

The presence of multimolecular layer of oil within the contact of soil particles of rock creates additional resistance to movement of fluid particles in the rock. Multimolecular layers create "dead zones" reducing the effective cross-section of the pore channels. The destruction of areas of adsorbed molecules, would increase the oil recovery factor and production rate of the well. What are the ways of destruction of multimolecular layers?

Список использованной литературы:

1. Обзор - Нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленность России 2012-2012 г. Инвестиционные проекты и описания компаний. ИА «INFOLine», 720 с, 2012 г.

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.

Автор: В. А. Шмелев, Ю. П. Сердобинцев, ВолГТУ,