Физическое моделирование и методы визуализации при разработке основ нетрадиционных технологий на базе инвертных дисперсий

Физическое моделирование и методы визуализации при разработке основ нетрадиционных технологий на базе инвертных дисперсий
Новость

9 марта 2004, 14:23
А. Ахметов, к.ф.-м.н., совместная лаборатория Института механики УНЦ РАН и Уфимского филиала ООО "ЮганскНИПИнефть", А. Телин, к.х.н., ООО "ЮганскНИПИнефть", В. Глухов, Институт механики УНЦ РАН, М. Силин, к.х.н., ЗАО "Химеко-ГАНГ" Альфир Ахметов, к.ф.-м.н., совместная лаборатория Института механики УНЦ РАН и Уфимского филиала ООО «ЮганскНИПИнефть» Алексей Телин, к.

А. Ахметов, к.ф.-м.н., совместная лаборатория Института механики УНЦ РАН и Уфимского филиала ООО "ЮганскНИПИнефть", А. Телин, к.х.н., ООО "ЮганскНИПИнефть", В. Глухов, Институт механики УНЦ РАН, М. Силин, к.х.н., ЗАО "Химеко-ГАНГ"

Альфир Ахметов, к.ф.-м.н., совместная лаборатория Института механики УНЦ РАН и Уфимского филиала ООО «ЮганскНИПИнефть»

Алексей Телин, к.х.н., ООО «ЮганскНИПИнефть»

Владимир Глухов, Институт механики УНЦ РАН

Михаил Силин, к.х.н., ЗАО «Химеко-ГАНГ»

В работе, выполненной при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ РФ (Грант НШ-2059.2003.1) и по программе фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН «Динамика и акустика неоднородных жидкостей газожидкостных систем и суспензий», исследованы процессы вытеснения нефти при моделировании потокоотклоняющих технологий с применением пен и эмульсий. Проведена серия экспериментов с водонефтяной эмульсией, полученной при перемешивании пластовой воды и нефти, а также с эмульсией, стабилизированной нефтенолом. Использование методов визуализации позволило уточнить механизмы извлечения и удержания нефти, а также выработать новые представления о характере протекающих физико-химических процессов. В основе нетрадиционных технологий нефтеизвлечения с использованием физико-химических методов лежат, как правило, яркие физические эффекты, грамотное использование которых приводит к желаемым результатам. К примеру, в случае применения таких систем, как пены и эмульсии, работает эффект превышения на несколько порядков псевдовязкости систем по сравнению с вязкостью составляющих компонентов. При течении пен в пористых структурах этот эффект может в одних случаях многократно усилиться, а в других не проявиться. В случае дисперсных систем «жидкость — жидкость» ситуации могут быть еще более разнообразными. Чтобы выявить их, наряду с традиционными экспериментами на вискозиметре и линейной модели пласта были использованы методы визуализации процессов в вискозиметре и в элементах пласта — капиллярах, трещине и пористой структуре.

При разработке потокоотклоняющих технологий, связанных с пенами, пена генерируется при вытеснении пенообразующего состава из пористой структуры газом. Лабораторные эксперименты на микромодели [1] показали, что чем с большим усредненным градиентом давления нагнетается газ, тем более плотная образуется пена (рис. 1). При этом пористая структура с более плотной пеной обладает большим гидравлическим сопротивлением [2]. Но дальнейшее увеличение усредненных градиентов давления при нагнетании газа вместо образования более прочного заслона может привести к прорыву газа на выбранном участке.

На линейных моделях пласта в экспериментах с инвертными дисперсиями, на насыпной модели с огромной проницаемостью при последовательной прокачке: вода пластовая — ДИСИН (3Vпор) — вода пластовая (8Vпор) — наблюдается эффект «залечивания» (рис. 2). Т.е. при фильтрации воды в количестве 8 и более объемов вначале при 2Vпор наблюдается прорыв, а далее остаточное сопротивление снова возрастает до значений, в сотни раз превышающих начальное по воде [3].

На линейной модели из керна при последовательной прокачке: стабилизированная инвертная эмульсия (0,3Vпор) — пластовая вода (2Vпор) — инвертная эмульсия (0,1Vпор) — пластовая вода (12Vпор) обнаруживается эффект «большого остаточного сопротивления» (рис. 3). Хотя прокачивается более 10Vпор воды, остаточное сопротивление в 20 раз превышает начальное по воде [3].

Для того чтобы понять, что приводит к таким удивительным результатам, была проведена серия экспериментов с наиболее простыми инвертными дисперсиями, высококонцентрированной водонефтяной эмульсией, полученной при перемешивании пластовой воды и нефти, и подобной эмульсией со стабилизатором — нефтенолом. Использованный реагент «Нефтенол НЗ» разработан ЗАО «Химеко-ГАНГ».

Исследование процессов вытеснения нефти с использованием методов визуализации позволяет уточнить существующие, а в ряде случаев выработать новые представления о характере вытеснения нефти при различных физико-химических условиях, механизме извлечения и удержания нефти. Мы использовали плоскую разборную прозрачную микромодель пористой структуры, картина пор которой отображает срез реального керна, щелевидную модель трещины — ячейку Хили-Шоу и капиллярную стеклянную трубку. Также нам удалось визуализировать процессы в вискозиметре, протекающие при использовании метода «конус-пластина».

Поведение эмульсии в двух случаях, с эмульгатором и без него, при движении в поровых структурах заметно отличается друг от друга. В ячейке Хили-Шоу при больших скоростях деформации сдвига обычная эмульсия существенно преобразуется: коалесцируют микрокапли (1-5 мкм) эмульсии, выделяются капли воды, которые по мере движения сливаются друг с другом (рис. 4). Наблюдается красочная картина. Эмульсия движется сплошным фронтом, который по мере движения выравнивается. Видимые на рисунке капли воды по мере движения укрупняются, вытягиваются (скорость их движения значительно выше скорости несущей фазы), прорывают фронт движущейся эмульсии и сливаются с водой, которую вытесняет эмульсия. Со временем в щели образуются застойные зоны, в которых из исходной эмульсии происходит образование сложной эмульсии. Под микроскопом видно, что течение в щели осуществляется не сплошным потоком, а только по «руслам», в которых происходит также образование и движение водной фазы [4].

При нагнетании эмульсии со стабилизатором в ячейку Хили-Шоу при постоянном перепаде давления начальная реструктуризация незначительна, но обнаруживается эффект динамического запирания, когда процесс фильтрации, несмотря на значительный градиент давления 5 МПа/м, в течение нескольких десятков минут практически полностью прекращается. Зависимость объема жидкости, протекшей через модель трещины при постоянном перепаде давления, приведена на рис. 5. Ход кривой обнаруживает «запирание» модели со временем.

Наблюдения под микроскопом показали, что в состоянии «запирания» обнаруживается, как в ячейке Хили-Шоу, так и микромодели, небольшой поток флюида у входного и выходного отверстий [5]. Величина потока на 4 порядка ниже исходного расхода и со временем не увеличивается, хотя структура эмульсии в ячейке и микромодели по истечении большого срока времени (сутки и более) значительно преображается и напоминает сложную эмульсию, образовывавшуюся при течении нестабилизированной эмульсии. Поскольку микропоток эмульсии всегда присутствует, обнаруженный эффект «запирания» был назван эффектом динамического запирания. При длительном течении происходит реструктуризация эмульсии без уменьшения гидравлического сопротивления [6].

В аналогичном эксперименте с моделью трещины производилось нагнетание оторочек воды, общая картина кривой запирания при этом практически не изменилась. Образующиеся при вязкостно-неустойчивом вытеснении языки, как видно из рис. 6, существенно преображаются по мере перехода системы в состояние динамического запирания. Картина запирания наблюдалась также и в капиллярной структуре на микромодели, ход кривой запирания был аналогичен ячейке Хили-Шоу [6].

Чтобы проверить, как будет проявляться «запирание» в осесимметричном течении, были поставлены эксперименты на стеклянных капиллярах. Зависимости объема протекшей через капилляр эмульсии от времени приведены на рис. 7. В эксперименте использовались 4-сантиметровые куски капилляра, вырезанные из одного длинного капилляра, предварительно промытого спиртом и водой. Диаметр капилляра был 100 мкм, перепад давления на нем составлял 2 атм. Переход в состояние запирания, по сравнению с моделью трещины — ячейкой Хили-Шоу и капиллярной структурой-микромоделью, происходил намного более интенсивно, за время порядка 2 минут, хотя диаметр капилляра намного превышал зазор модели трещины (17 и 35 мкм) и глубину каналов (15 мкм) микромодели (см. рис. 7).

Следует отметить довольно значительный разброс во времени и объеме протекшей жидкости до состояния запирания, в то время как величина расхода в переходном состоянии была примерно одинаковой. Также существенное различие от результатов на плоских моделях в том, что довольно значительную часть времени до начала запирания течение в капилляре идет с постоянным расходом, тогда как на плоских моделях объемный расход изменяется с самого начала эксперимента. В капиллярах переход от постоянного расхода к запиранию происходит довольно резко и составляет не более половины минуты.

Более детальное изучение запертой системы под микроскопом обнаружило, что в состоянии запирания на самом деле происходит медленное ползучее течение, объемный расход которого на 4 порядка меньше расхода в переходном состоянии, так что в случае капилляров эффект запирания также следует считать динамическим запиранием.

Необходимо отметить важность состояния поверхности пористой структуры: гидрофобизация в случае применения «Дисина» приводит к утроению гидравлического сопротивления (вместо 73 раз — 250 раз), а в случае стабилизированной инвертной эмульсии к ускорению эффекта запирания также более чем в 3 раза.

В заключение следует отметить, что при разработке нетрадиционных технологий обычный лабораторный инструментарий (вискозиметр плюс линейная модель пласта) нуждается в дополнении. К примеру, использование методов визуализации в вискозиметре и в экспериментах с элементами нефтяного пласта (трещиной, пористой структурой и капилляром) позволило выявить как механизм преобразования в них инвертных систем, так и новый эффект — динамическое запирание, лежащие в основе потокоотклоняющих технологий.

Литература:

1. Ахметов А. Т., Нигматулин Р. И., Федоров К. М. О механизме вытеснения нефти из пористой среды мицеллярными растворами // Докл. АН СССР, т. 293, I, 1987. — С. 558-562.

2. Ахметов А. Т., Амелькин С. В., Шнайдер А. В., Ручкин А. А., Ященко С. А. «Образование и течение пен в пористой структуре, влияние остаточной нефти». Материалы рег. научно-техн. конф. «Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли». Тюмень. 2001. 9 с.

3. Куликов А. Н., Исмагилов Т. А., Телин А. Г., Хакимов А. М. Применение инвертной дисперсии «Дисин» для глушения поглощающих скважин после проведения гидроразрыва пласта. Башкирский химический журнал. 2001. Том 8. № 3. С. 73-75.

4. Ахметов А.Т., Михальчук Т., Решетников А.,. Хакимов А, Хлебникова М., Телин А. «Физическое моделирование фильтрации водонефтяных эмульсий в пористой среде». Вестник инжинирингового центра ЮКОС, №4, 2002, с. 25-31.

5. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Глухов В.В., Мавлетов М.В. Движение эмульсий в щелевых и пористых структурах. Труды 12-го Европейского симпозиума «Повышение нефтеотдачи пластов». Казань, 2003. — 856 с., с. 212-217.

6. Ахметов А. , Телин А. , Глухов В. , Мавлетов М. , Силин М., Гаевой Е., Магадов Р., Хлобыстов Д., Байкова Е. Особенности течения высококонцентрированных обратных водонефтяных эмульсий в трещинах и пористых средах. Журнал «Технологии ТЭК». ИД «Нефть и Капитал», апрель, 2003. С. 54-58.

Found a typo in the text? Select it and press ctrl + enter