Разработка составов микроэмульсий на основе кубового остатка синтетических жирных кислот для увеличения нефтеотдачи пластов

А.А. Байда, С.Г. Агаев
Тюменский государственный нефтегазовый университет,
г. Тюмень

В настоящее время главной задачей является повышение эффективности разработки нефтяных месторождений за счет применения методов увеличения нефтеотдачи (МУН) [1], направленных на увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН) и коэффициента охвата пласта воздействием. Ожидается, что внедрение МУН позволит увеличить КИН к 2020г. – от 35-50% с перспективой дальнейшего роста [2].

Одним из перспективных методов увеличения нефтеотдачи пластов является мицеллярное заводнение. Применение мицеллярных растворов и микроэмульсий в качестве нефтевытесняющего агента позволяет достигнуть нефтеотдачи 80-95 % [3, 4].

В работе приводятся данные по подбору оптимальных составов мицеллярных растворов (МР) и микроэмульсий (МЭ) для повышения нефтеотдачи пластов на основе кубового остатка синтетических жирных кислот. Разрабатываемые мицеллярные растворы включают в свой состав концентрат кубового остатка синтетических жирных кислот (КОСЖК), полиэтиленполиаминов (ПЭПА) и изобутилового спирта (ИБС) в керосине. Подобранный МР оптимального состава способен поглощать воду, сохраняя при этом прозрачность. Мицеллярные растворы, содержащие воду, называют микроэмульсиями.

Для оптимизации состава использовали метод планирования эксперимента. Составляли матрицу полного факторного эксперимента по методу Бокса с набором комбинаций варьируемых факторов. Оптимизация проводилась по максимальному количеству воды, входящей в состав МЭ (Y), при котором сохраняется прозрачность. Варьируемыми факторами являлись: X₁ – содержание концентрата в керосине (концентрат МР представлял собой смесь КОСЖК, ПЭПА и ИБС); X₂ – массовое соотношение КОСЖК:ПЭПА в концентрате МР; X₃ – массовое соотношение ИБС:ПЭПА в концентрате МР.

Оптимизацию составов МР проводили в три стадии. С учетом предварительных исследований при составлении матрицы были выбраны базовый, верхний и нижний уровни варьирования, интервал варьирования. На первом этапе базовый уровень и интервал варьирования по факторам составлял соответственно, %масс.: по Х₁ = 40 и 10; по Х₂ = 3,5 и 1; по Х₃ = 1,7 и 0,7 (табл. 1). Полученное уравнение регрессии имеет вид . Из изученных девяти растворов на первом этапе два сохраняли свою прозрачность до содержания воды 70 % масс.

На втором и третьем этапе планирования эксперимента для получения МР, способных поглощать воду в больших количествах, на основе полученных данных был изменен базовый уровень по Х₂ и Х₃ и интервал варьирования (см. табл. 1). Содержание концентрата МР в керосине оставили прежним – 40 % масс. на втором этапе и постоянным – 50 % масс. на третьем. Массовое соотношение КОСЖК:ПЭПА было снижено с 3,5 до 2 на втором этапе и до 1,5 на третьем этапе; массовое соотношение ИБС:ПЭПА снижено с 1,7 до 1,5 на втором этапе и снижено до 1,1 на третьем этапе. Интервал варьирования для Х₂ и Х₃ и уравнения регрессии на втором и третьем этапах планирования эксперимента приводятся в табл. 1.

Исследования показали, что большинство из новых растворов значительно лучше поглощают воду. Максимальное количество поглощаемой воды с сохранением прозрачности МЭ достигает 90 %масс.

По результатам исследований выбран оптимальный состав МР для изучения его физико-химических свойств. Оптимальный начальный состав МР представляет собой 50 %-ый раствор концентрата в керосине при массовом соотношении КОСЖК:ПЭПА=1,75 и ИБС:ПЭПА=1,75. Концентрат представляет собой смесь КОСЖК, ПЭПА и ИБС.

Таблица 1

Планирование эксперимента и регрессионный анализ

Х₁-содержание концентрата в керосине, %масс.; X₂-массовое соотношение КОСЖК:ПЭПА; X₃-массовое соотношение ИБС:ПЭПА; Y - содержание воды в МЭ, % масс.

Для оценки нефтевытесняющих свойств МР и МЭ изучены некоторые физико-химические свойства оптимального состава МР при различном содержании в нем воды. Предположительно физико-химические свойства МР и МЭ позволят определить «длину» углеводородной фазы МЭ, относительную способность МЭ перемещаться в пластах различной проницаемости, их стабильность и т.д. По известным методикам в работе изучены следующие физико-химические свойства МЭ: растворимость МЭ в воде и керосине (см. табл. 1), температура застывания (см. рис. 1), показатель преломления при 25 ºС (см. рис. 2), вязкость при 50 ?С (см. рис.3) и поверхностное натяжение при 25 ?С (см. рис. 4).

В работе изучена стабильность разработанных МЭ. Стабильность МЭ оценивалась на центрифуге при скорости вращения 4200 об/мин. и времени фугования 10 мин. Данные по стабильности не приводятся, поскольку все МЭ оказались стабильными и не подверженными разделению на водную и углеводородную фазы.

Таблица 2

Растворимость МЭ

Р – МЭ растворима; НР – МЭ не растворима; Э – МЭ эмульгируется

Данные по растворимости позволяют определять внешнюю фазу МЭ. Эта фаза может быть углеводородной, когда МЭ растворимы в керосине. Или эта фаза может быть водной, когда МЭ растворяется в воде. Могут быть и промежуточные состояния, когда внешняя фаза трудно определима и точку инверсии определить не удается. Для таких систем характерна эмульгируемость МЭ в керосине или воде.

Сравнительный анализ данных табл. 2. показывает, что до содержания воды в МЭ 50 % масс. сохраняется внешняя углеводородная фаза. МЭ растворимы в керосине и одновременно не растворимы в воде - как раз до содержания в них 50 %масс. воды. Внешняя водная фаза разработанных микроэмульсий в чистом виде начинается с содержания в них воды 70 %масс. Начиная с содержания воды в МЭ 60 % масс. и до содержания воды в МЭ 70 % масс. они значительно легче эмульгируются в керосине. Это чисто визуальные наблюдения.

Температура застывания МЭ (см. рис. 1) определялась для оценки стабильности МЭ (транспортировка и хранение МЭ при пониженных температурах) и для определения возможной инверсии фаз при низких температурах в зависимости от содержания воды в МЭ.

Данные по вязкости и по поверхностному натяжению разработанных микроэмульсий от содержания воды позволяют оценить перспективы возможного применения микроэмульсий для повышения нефтеотдачи пластов

По совокупности всех физико-химических свойств обращение фаз в микроэмульсии происходит при содержании воды в интервале от 50 до 70 % масс. Область между низким и высоким содержанием воды относится, очевидно, к промежуточному состоянию, когда в МЭ существуют прямые и обратные эмульсии. При содержании воды в МЭ более 50 % масс. происходит частичное обращение фаз и при содержании воды более 70 % масс. - полное обращение фаз и переход МЭ типа В/М в МЭ типа М/В. Это следует из данных по растворимости МЭ в воде, по температуре застывания, по показателю преломления, по вязкости и по поверхностному натяжению. Хорошие совпадения разными методами делают наши предположения о фазовых переходах в МЭ достоверными.

Таким образом, по совокупности физико-химических свойств для нефтевытеснения могут быть рекомендованы микроэмульсии, представляющие собой растворы мыл КОСЖК и полиэтиленполиаминов, стабилизированные изобутиловым спиртом при содержании в них воды от 0 до 90 % масс. Оптимальное отношение КОСЖК:ПЭПА = 1,75, оптимальное отношение ИБС:ПЭПА=1,75, содержание концентрата МР (КОСЖК+ПЭПА+ИБС) в керосине 50 %масс. Рекомендуемые микроэмульсии характеризуются благоприятной зависимостью вязкости от температуры, хорошими низкотемпературными свойствами, высокой стабильностью и низким поверхностным натяжением.

Список литературы

1. С заседания Центральной комиссии по разработке Роснедра // Нефтяное хозяйство. – 2008. – № 3. – С. 20-21.

2. Карабалин У.С. О методах увеличения нефтеотдачи пластов на поздней стадии заводнения месторождений / У.С. Карабалин, К.Н. Ибрашев, М.М. Ермеков // Нефтепромысловое дело. – 2008. – № 10. – С. 43-45.

3. Сургучев М.Л. Применение мицеллярных растворов для увеличения нефтеотдачи пластов / М.Л. Сургучев, В.А. Шевцов, В.В. Сурина. – М.: Недра, 1977. – 175 с.

4. Козин В.Г., Башкирцева Н.Ю., Гарипов Р.Н., Хасанов И.Р. Повышение нефтеотдачи пластов с применением мицеллярных растворов с гидрофобизирующей составляющей // Нефтяное хозяйство. – 2004. – № 8. – С. 79 – 81. 

Назад к списку