РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.6
© Р.Ш. Салихов, Ю.В. Пахаруков, 2015
Исследование структуры адсорбционного слоя гидрофобных частиц на поверхности твердого тела и его влияния на фильтрацию нефти в пористой среде
Р.Ш. Салихов, Ю.В. Пахаруков, д.ф.-м.н. (Тюменский гос. нефтегазовый университет)
Адрес для связи: Salihov.R.Sh@gmail.com
Ключевые слова: адсорбция, гидрофобизатор, моделирование, ускорение фильтрации.
Investigating the structure of adsorption layer consist of hydrophobic particles on surface of solid substance and its influence on oil filtration in porous medium
R.Sh Salikhov, Yu.V. Pakharukov
(Tyumen State Oil and Gas University, RF, Tyumen)
E-mail: Salihov.R.Sh@gmail.com
Key words: adsorption, hydrophobizator, simulation, filtration acceleration.
The question of surfactant adsorption layer structure on the surface of the solid substance is investigated. The mathematical analysis showed that the formed surfactant adsorption layer in case of low concentrations doesn't have a continuous but a "mosaic" structure. It is determined that the heterogeneous periodic adsorption bed leads to hydrocarbons filtration velocity increase.
Текущее состояние разрабатываемых месторождений Западной Сибири характеризуется значительной обводненностью добывающих скважин при сравнительно низкой доле выработки запасов. Сложившаяся ситуация обусловливает значительный интерес со стороны нефтедобывающих компаний и научных институтов к разработке новых и совершенствованию существующих методов воздействия на призабойную зону скважины и пласт в целом. Одной из эффективных технологий, позволяющих реализовать добычной потенциал скважин путем снижения их обводненности, является обработка призабойной зоны гидрофобизирующими веществами. Изменение смачиваемости поверхности с гидрофильной на гидрофобную путем адсорбции гидро-фобизатора на поверхности породы увеличивает долю нефти в потоке жидкости и способствует интенсификации притока. Несмотря на распространенность метода гидрофобизации, вопрос строения и структуры адсорбционного слоя гидрофобизирующих частиц в зависимости от концентрации активного вещества и его влияния на фильтрацию практически не рассматривался.
Существует ряд теорий о строении адсорбционных слоев. Первая теория мономолекулярной модели адсорбции была впервые предложена И.Ленгмюром в 1916 г. Теория полимолекулярной адсорбции Брунауэра, Эммета и Теллера, основанная на модели монослойной адсорбции Ленгмюра, была предложена в 1940 г. В основе теории лежит отказ от положения теории Ленгмюра о том, что на одном центре может адсорбироваться только одна молекула [1]. Несмотря на широкую распространенность указанных моделей распределения адсорбированного вещества на поверхности твердого тела, существует теория частичного заполнения поверхности активным веществом. Одним из характерных признаков неравномерного распределения адсорбированных ча-
стиц на поверхности является особая форма изотерм смачивания и адсорбции. Появление на них локальных максимумов связывают с фрагментарным адсорбционным слоем [2-4]. Коллективом авторов [5] предложено математическое описание процесса периодической адсорбции гидрофобных частиц в процессе фильтрации. Исследование адсорбции неионогенного ПАВ на поверхности полиэтилена показало его неравномерное распределение [6]. «Островковую» структуру адсорбционного слоя подтверждают также асимметрия капель жидкости, нанесенных на модифицированную поверхность, и значительная разница в значениях краевых углов оттекания и натекания (существенно выше погрешности метода измерения), которая свидетельствует о неполном покрытии поверхности веществом [2, 7].
В работе [8] предложена теоретическая модель процесса ускорения фильтрации нефтяных капель при течении в капилляре с «островковым» адсорбционным слоем. Отмечается, что движение коллоидной частицы зависит от размера гидрофобных «островков». Чем меньше размер последних и больше потенциал электрического поля, создаваемый этими «островками», тем быстрее нефтяные капли движутся в жидкости. Так как поле периодическое, ускорение частиц будет циклическим, т.е. участки ускорения будут чередоваться с участками замедления. Следовательно, движение нефтяных капель в жидкости будет иметь прерывистый характер. Пульсирующее движение нефтяной фракции также наблюдалось Г.Г. Старобинцевым (1985-1989 гг.)
С целью изучения строения адсорбционного слоя ПАВ на поверхности твердого тела и его влияния на фильтрацию нефти и воды в поровой среде авторами проведен ряд лабораторных экспериментов.
Первый этап исследований заключался в изучении распределения молекул неионогенного ПАВ «Неонол
!
Рис. 1. Исходная поверхность слюды
БС-1» на поверхности твердого тела (слюды) с применением сканирующего атомно-силового микроскопа Nte-gra Aura. Работы проводились по следующей методике: сканирование поверхности без нанесения адсорбционного слоя; регистрация изменений структуры поверхности после взаимодействия с раствором ПАВ различной концентрации. Сканирование чистой поверхности выполнялось для определения наличия исходных деформаций, чтобы в дальнейшем не учитывать их в качестве возможных молекул ПАВ. Результаты сканирования чистой поверхности представлены на рис. 1.
На рис. 1 изображена максимальная площадь сканирования для используемого столика. Высветленные пятна представляют собой наночастицы слюды. Сканирование поверхности проводилось в двух режимах: контактном (непосредственное соприкосновение сканирующего элемента с поверхностью) и полуконтактном (чувствительный элемент движется под углом к поверхности, сила давления элемента на поверхность значительно ниже, что позволяет определить высоту адсорбированных элементов по амплитуде колебания сканирующей «иглы»). Фигура в центре образована многократным сканированием меньшего участка в полуконтактном и контактном режимах, при котором произошло смещение частиц к границам области сканирования «иглой».
После получения цифровой структуры исходной поверхности на нее наносился адсорбционный слой. Для модифицирования слюды применяли растворы ПАВ массовой концентрацией 0,1-5 %. Обработка проводилась следующим образом. Исследуемый материал помещали в раствор ПАВ на 30 мин, затем пластины сушились при комнатной температуре в течение 3 ч, далее - в сушильном шкафу в течение 5 ч при температуре 30 °С, после этого выполнялось повторное сканирование поверхности в двух режимах. Результаты представлены на рис. 2.
Исследования структуры адсорбционного слоя позволили получить информацию о распределении ПАВ, адсорбированного на поверхности слюды при различных концентрациях. При концентрации в растворе ПАВ, равной 5 %, адсорбция происходит в виде больших агрегатов молекул (диаметр d » 100 нм). Адсорбированное вещество полностью покрывает поверхность твердого тела и образует сплошной слой толщиной около 5-7 нм.
Рис. 2. Трехмерное изображение поверхности с нанесенным адсорбционным слоем ПАВ концентрацией 0,1 (а), 1 (б), 5 (в) %
Большая толщина адсорбционного слоя, вероятнее всего, связана с образованием полислоя адсорбированного вещества.
Образование сплошного монослоя происходит при концентрации в растворе ПАВ 1 %. По результатам сканирования поверхности в полуконтактном режиме толщина такого слоя составила около 1,4 мкм. На полученных изображениях поверхности видно, что, кроме полного покрытия поверхности слюды молекулами ПАВ, происходит адсорбция отдельных агрегатов ^ » 1-4 мкм).
Сканирование поверхности слюды, обработанной раствором ПАВ концентрацией 0,1%, показало неравномерное распределение адсорбированных частиц ПАВ.
Таким образом, можно предположить, что в пористой среде структура адсорбционного слоя ПАВ «Неонол БС-1» при концентрации 0,1 % будет иметь «островковую» структуру. В соответствии с ранее предложенной теорией [8] такое расположение гидрофобных частиц, вероятнее всего, приведет к ускорению фильтрации нефти в потоке жидкости, которое будет выражено в повышении фазовой проницаемости для углеводородной фазы.
Второй этап исследований заключался в изучении влияния адсорбции ПАВ «Неонол БС-1» концентрацией 0,1 % на фильтрацию нефти и воды в пористой среде. Для решения поставленной задачи использовались образцы керна, представленные мелкозернистым алеври-
тистым (образец № 115п-11 - алевритовым) песчаником с глинистым цементом. Основные фильтрационно-емкостные параметры образцов приведены в табл. 1.
В процессе исследований оценивались начальные фазовые проницаемости для нефти и воды, керн обрабатывался раствором ПАВ с последующим вытеснением водой, после чего повторно замерялись фазовые проницаемости на керне с адсорбционным слоем. Краткое описание проведения потоковых экспериментов представлено в табл. 2, полученные результаты - в табл. 3.
В рамках данной работы также были выполнены исследования по оценке влияния адсорбции ПАВ на фильтрацию углеводородов в условиях, моделирующих первичное вскрытие пласта и вызов притока. Для этого определялось изменение ФЕС пород под влиянием бурового раствора, содержащего ПАВ. Более подробно методика проведения данного эксперимента изложена в работах [9, 10]. Результаты опытов представлены в табл. 4.
Проведенные эксперименты показали, что проникновение в поровое пространство исследуемого раствора не ухудшает проницаемость. Фазовая проницаемость для керосина увеличилась в среднем на 20 %. Данный эффект, возможно, обусловлен ускорением фильтрации из-за периодичности адсорбции гидрофобизирующей добавки, в качестве которой выступает ФК-2000.
Номер режима фильтрации Скорость закачки флюида, см3/ч Перепад давления, МПа Объем закачки флюида, см3 Фазовая проницаемость, 10-3 мкм2 Водонасыщенность Нефтенасыщенность
для воды для нефти
Колонка керна проницаемостью около 30-1СГ3 мкм2
1 10,5 0,008 14,51 1 0
2 10,5 0,042
2 10,5 0,182 155 0,553 0,447
3 10,5 0,063 78 8,03 0,542 0,458
4 10,5 0,179 155 0,66 0,750 0,250
5 10,5 7,75 0,750 0,250
6 10,5 0,171 155 0,69 0,824 0,176
7 10,5 0,021
7 73,5 0,102 155
8 10,5 0,046 78 10.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.