Введение к работе
Актуальность темы. В нефтяной промышленности наблюдаются
тенденции, отрицательно влияющие не только на эффективность разработки
месторождений, но и на уровни добычи нефти в перспективе. Среди таких
проблем - малое количество открываемых нефтяных месторождений,
ухудшение свойств остаточных нефтей при неуклонном росте доли
трудноизвлекаемых запасов, вступление в позднюю стадию разработки
большинства месторождений. [*] Следует признать, что одним из основных
негативных факторов является ограниченность внедрения современных
научно обоснованных методов увеличения нефтеотдачи. Тенденция
ухудшения структуры запасов на протяжении последних десятилетий не
компенсировалась совершенствованием используемых технологий
нефтеизвлечения. Не оправдались надежды на приход в Россию новых
зарубежных технологий. В ряде случаев на месторождениях возможно
применение не только физических методов воздействия на матрицу
геологической породы, например, таких как гидроразрыв пласта (ГРП), но и
химических методов, которые являются весьма перспективными способами
повышения нефтеотдачи пластов. Применение физико-химических
(третичных) методов увеличения нефтеотдачи (МУН) в нашей стране хранит в себе большой потенциал для развития. Несмотря на то, что в мире отмечается снижение числа проектов с применением химических методов нефтеотдачи, количество добытой с их помощью нефти растет, что косвенно говорит об эффективности этих методов. Практика последних лет показала, что применение МУН на месторождениях в Коми, Башкирии, Татарстана, Западной Сибири положительно повлияло на динамику изменения среднего коэффициента нефтеотдачи в стране за последние годы. Таким образом, активное применение третичных методов с применением новых химических составов, учитывающих специфику коллоидно-химических процессов воздействия на пласт для месторождений на поздней стадии разработки, является актуальнейшей проблемой для будущего развития нефтяной отрасли не только в России, но и в мире в целом. Поэтому представляется весьма перспективным направлением создание новых композиций на основе анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в области разработки физико-химических методов повышения нефтеотдачи пластов.
Работа выполнена в соответствии с Распоряжением Правительства
Российской Федерации от 13 ноября 2009 года N 1715-р [Об утверждении
Энергетической стратегии России на период до 2030 года], а также в рамках
реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 -
2020 годы» Минобрнауки РФ по Соглашению № 14.577.21.0176
(Уникальный идентификатор № RFMEFI57715X0176).
* - Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 года N 1715-р [Об утверждении Энергетической стратегии России на период до 2030 года]
Цель работы: Разработка композиционных составов на базе коллоидно-химических систем и технологий их производства для повышения эффективности извлечения остаточных запасов нефти на месторождениях, вступивших в позднюю стадию эксплуатации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- изучение щелочного гидролиза триглицеридов растительных масел
для получения поверхностно-активных веществ в режиме развитой
турбулентности;
- разработка турбулентных аппаратов и определение основных
технологических параметров процесса синтеза ПАВ;
- исследование эффективности полученных ПАВ (нефтеотмывание,
нефтеемкость, поверхностная активность, мицеллообразование и ККМ и пр.)
с многофункциональными свойствами композиций и совместимости их с
пластовыми водами;
- установление причин образования водонефтяных эмульсий, влияния
разработанных АПАВ на поведение бентонитовых глин, определение
эффективности разработанных композиций в ходе фильтрационных
испытаний;
- изучение физико-химических и реологических свойств ПАВ-
полимерных композиционных составов, разработанных на основе
синтезированных анионных ПАВ;
- выявление пригодности и оценка эффективности разработанных
ПАВ-полимерных композиций в процессах заводнения нефтяной залежи на
примере фильтрационных испытаний на петрофизической модели керна.
Научная новизна работы
Впервые проведен процесс гидролиза триглицеридов кислот растительного происхождения на границе раздела фаз системы жидкость-жидкость в режиме развитой турбулентности и обнаружено, что классическая реакция омыления триглицеридов в турбулентном потоке протекает в гомогенной фазе, стабилизированной полиглицерином, который образуется за счет протекания реакции конденсации глицерина без внешнего источника нагрева.
Установлено отличие протекания реакции гидролиза триглицеридов непредельных органических кислот в турбулентном потоке от аналогичной реакции, осуществляемой в объемном реакторе.
Показано, что для реакции гидролиза растительных масел в разработанных турбулентных реакторах характерно образование фрагментов полиглицеринов с кратностью роста полимерной цепи равной трем звеньям мономера (глицерина). Выявлено, что в развитом турбулентном потоке, реакция щелочной конденсации глицерина протекает при значительно более низкой температуре (~50-70C), в то время как классическим способом она осуществима лишь при 250 C.
Обнаружено, что для образования синергетической смеси ПАВ с оптимальными характеристиками для низкотемпературных коллекторов наиболее эффективным является применение полиакриламида (ПАА) с молекулярной массой 16 млн. ед. и степенью гидролиза 20-25%, а для высокотемпературных (90 С) - ПАА с молекулярной массой 12 млн. ед. и степенью гидролиза 40-50%.
Практическая значимость работы
Обнаружено, что в условиях развитой турбулентности формируются продукты реакции гидролиза триглицеридов жирных кислот, которые отсутствуют при проведении процесса по стандартной схеме производства в объемном реакторе. Показано, что по новой технологии синтеза АПАВ в продуктах реакции образуются фрагменты поликонденсации глицерина с удвоенной, утроенной молекулярной массой. Шаг увеличения молекулярной массы полученных соединений говорит о цикличности присоединяемых фрагментов, и соответствует молекулярной массе в среднем трех полиглицериновых звеньев.
Разработаны оптимальные составы и рецептуры веществ, вовлекаемых в процесс омыления биовозобновляемого масленичного сырья. Показано, что при щелочном гидролизе триглицеридов жирных кислот избыток щелочи в диапазоне от 3 до 10 % мас. положительно сказывается на поверхностно-активных свойствах получаемых ПАВ, эффективность нефтеотмывающей способности которых увеличивается до 27%.
Разработан ряд композиционных составов - анионных поверхностно-активных веществ, отличающихся количеством и типом (карбокси- и сульфогрупп), а также местом расположения в структуре молекулы функциональных групп, и на их базе созданы ПАВ-полимерные системы с многофункциональными свойствами.
Показано, что для достижения максимальной эффективности нефтеотмывания (90+7%) оптимальной концентрацией водных растворов, разработанных АПАВ является 0,7-1,0% мас. Увеличение или уменьшение активного вещества в растворе ПАВ приводит к снижению эффективности состава до 50-60 %.
Рассчитаны конструкции, и изготовлены два новых компактных проточных турбулентных аппарата с рекуперацией или рассеиванием тепла, выделяемого в ходе протекания химической реакции.
Разработаны одностадийные и безотходные технологии производства АПАВ, отличающиеся от существующих производств компактностью и высокой производительностью оборудования, и не требующие внешнего источника нагрева реакционной смеси. Для ряда разработанных составов созданы Технические условия на реагент и Технические регламенты на производство.
Проведена серия фильтрационных испытаний ПАВ и ПАВ-полимерных композиций. Показана эффективность разработанных составов по влиянию технологии их применения на проницаемость и доизвлечение
нефти при различных давлениях, температурах, скоростях закачки, разных направлениях закачки. Выявлено, что разработанный состав Р-30 марки А показывает устойчивое довытеснение нефти до 11 % и увеличение проницаемости до 32,6 %. Показано, что ПАВ-полимерная композиция Р-30 марки Б повышает коэффициент вытеснения нефти на терригенных коллекторах до 17,7 %, на карбонатных до 18,7 % при снижении проницаемости петрофизической модели по воде в обоих случаях приблизительно в 25 раз.
Опытно-промышленные испытания разработанных составов
проводились на месторождениях, эксплуатируемых: ТОО «Табынай», Республика Казахстан (1 скв. нагнетательная); АО РД «КазМунайГаз», Республика Казахстан (1 скв. добывающая); ОАО МПК «АНГГ», АО НК «РуссНефть», РФ (1 скв. нагнетательная); ОАО «ТатойлГаз», РФ (1 скв. добывающая); НГДУ «Азнакай-Нефть», ПАО «ТатНефть» (2 скв. нагнетательные); НГДУ «Арлан-Нефть», ПАО АНК «Башнефть» (3 скв. добывающие), ЗАО «Вольновскнефть» (1 скв. нагнетательная).
Экономический эффект от внедрения
- Внедрение малогабаритного проточного турбулентного реактор-
смесителя на предприятии ООО «Крезол-НефтеСервис» при производстве
комплексного деэмульгатора марки KR-11ДЭ (ТУ 2458-014-79640352-2013)
позволило добиться снижения себестоимости продукции на 2 837 рублей в
расчете на одну тонну конечного продукта.
- Дополнительная добыча нефти от внедрения технологии с
применением ПАВ-полимерного реагента Р-30 м. Б (ТУ 2458-021-84449478-
2012) компанией ЗАО «Вольновскнефть» (лицензия №СРТ 11058НЭ) на
Вольновском нефтяном месторождении составило 349,13 тн, или 5 236,95
тыс.руб.
Личный вклад автора
В работе представлены результаты исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном научном руководстве на всех этапах проведения работы. Автору принадлежит решающая роль в постановке цели и задач исследования, обобщения и интерпретации представленных результатов, а также формулирование научных положений, выносимых на защиту и выводов по работе. Вклад автора является решающим во всех разделах работы.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры ВМС и ОХТ ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», лично академику Ал.Ал. Берлину и В.Н. Глущенко за оказанную помощь в выполнении работы.
Апробация работы
Совещание в Главном управлении по обеспечению добычи нефти и газа ОАО «ЛУКОЙЛ» по рассмотрению технологий по повышению нефтеотдачи пластов (Москва, 2011 г.). Техническое совещание ООО
«Газпромнефть-Хантос (Муравленко, 2012 г.). НТС по новой технике и
технологии ООО «Башнефть-Добыча» (Уфа, 2013 г.). Геолого-техническое
совещание ООО «Лукойл-Западная Сибирь» (Когалым, 2015 г., 2016 г.). XIII
Международная научно-практическая конференция INTECH-ENERGY
«Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века»
(Москва, 2012 г.). VIII Всероссийская научно-практическая конференция
НЕФТЕПРОМЫСЛОВАЯ ХИМИЯ. (Москва, 2013 г.). I, II, III
Международные научно-практические конференции (IX, X, XI
Всероссийские научно-практические конференции) Нефтепромысловая Химия. (Москва, 2014 г., 2015 г., 2016 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 67 научных трудах, в том числе в 20 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в 3-х патентах РФ, в 44-х статьях в сборниках научных трудов и материалах Международных конференций.
Структура и объем работы.