CC BY
33
- © Д.Г. Антониади, О.В. Савенок,
Н.Н. Буков, Е.Д. Ганоцкая, В.Т. Панюшкин, 2014
УДК 622.276.43
Д.Г. Антониади, О.В. Савенок, Н.Н. Буков, Е.Д. Ганоцкая, В.Т. Панюшкин
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ ДЛЯ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОЗВРАТНЫХ ПЛАСТОВЫХ ВОД НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ
Рассмотрены возможности использования метода электрокоагуляции для понижения минерализации сточных пластовых вод, используемых для вытеснения нефти на некоторых месторождениях Краснодарского края. Показано, что при этом одновременно решается вопрос загрязнения пластовых вод и экологического состояния недр региона.
Ключевые слова: низкоминерализованные пластовые воды; экологическая безопасность недр; электрокоагуляция.
В последнее время за рубежом для повышения нефтеотдачи истощенных нефтяных коллекторов большое внимание уделяется методу заводнения пласта низкоминерализованной водой [1-11].
Практическое использование метода введения низкоминерализованной воды лабораторией компании British Petroleum (в настоящее время -Beyond petroleum) на ряде месторождений показало, что эффективность данной технологии (LoSal ™ - в английской транскрипции) позволяет значительно (до 40%) увеличить нефтеотдачу [2-1].
При этом необходимо отметить, что были зарегистрированы и негативные случаи проявления эффекта низкоминерализованной воды, при которых наблюдалось либо разрушение нефтяных коллекторов как в карбонатных породах, так и в песчаниках [3, 4], либо разбухание глин пласта с нарушением притока нефти и путей ее вытеснения нагнетаемой водой [5]. В ряде случаев прирост нефтедобычи был либо незначителен, либо увели-
чения добычи вообще не происходило [6, 7].
Основная проблема использования низкоминерализованной воды заключается в том, что механизм ее действия на пласт до сих пор окончательно не выяснен [4]. Это связано с использованием различными исследователями [1-11] различных материалов (различия в сортах нефти, породах пласта) для проведения опытов, а также большим разнообразием тестовых процедур. Всевозможные взаимодействия между минералами, сырой нефтью и водной фазой вносят путаницу в выяснение причин эффекта низкоминерализованной воды. Сложностью также, является то, что в большинстве экспериментов эффект низкоминерализованного заводнения исследовался при глубоком заводнении, когда наблюдения проводятся не напрямую, а путем регистрации конечного эффекта изменения нефтеотдачи на кривой добычи.
Большое разнообразие обстоятельств, в результате которых может протекать процесс нефтеотдачи, поз-
воляет сделать вывод, что на него могут влиять различные механизмы. Всесторонний анализ различных механизмов, протекающих в пласте при низкоминерализованном заводнении, был проведен Морроу [4] и Ладжером [5] в обзорных статьях. В результате проведенных исследований было показано, что многие механизмы, влияя на повышение нефтеотдачи пласта, не являются непосредственной причиной возникновения самого процесса.
Основной же эффект увеличения добычи нефти при использовании низкоминерализованной воды является результатом катионообмена между породой и водой, в результате которого свойства пласта меняются, и он перестает удерживать нефть.
Были определены [4, 5] необходимые условия для проявления эффекта повышения нефтеотдачи при использовании низкоминерализованной воды это:
• песчаная основа нефтяного пласта (т.н. песчаник Береа на более 90% состоящий из БЮ2);
• присутствие глинистых пород (особенно и желательно - каолинита);
• наличие жесткой природной пластовой воды;
• адсорбция сырой нефти на поверхности породы пласта.
В работах [6-9] было показано, что большинство песчаников представляют собой смесь из песка и глинистых частиц. Молекулы нефти удерживаются на поверхности отрицательно заряженных глинистых частиц в основном двухвалентыми катионами (Са2+ и Мд2+), которые удерживают молекулы нефти на поверхности пород. Когда происходит заводнение пласта водой с минерализацией меньшей, чем минерализация природной воды, свободные катионы в нагнетаемой воде, например ионы Ыа+, замещают двухвалентные катионы Са2+ и Мд2+, удерживающие нефть и высвобождают
молекулы нефти, позволяя им быть извлеченными из пор породы. Так же было показано, что не только изменения в степени минерализации, но и сам химический состав воды может повлиять на эффективность добычи нефти. Компанией British Petroleum было установлено, что при этом смачиваемость породы может меняеться от олеофильности к гидрофильности [11]. По этим причинам выявление возможности использования рассматриваемого метода в каждом конкретном случае проводится в результате лабораторных и полевых тестов.
Наши опыты также показали, что использование низкоминерализованной воды позволяет существенно изменить смачиваемость породы коллектора.
Особый интерес представляет экологическая сторона вопроса. В результате закачки низкоминерализованной воды в пласт не происходит загрязнение почвы и грунтовых вод опасными веществами. Кроме того, после определенных исследований возможно использование природной пластовой воды соответствующего состава, либо создание кругового водоснабжения с многократным использованием и очисткой воды.
Из анализа литературных данных ясно, что данный метод повышения нефтеотдачи дает наибольшую эффективность для грунтов с большим содержанием песчаных пород, т.е. по составу сходных с песчаником Береа. В Краснодарском крае подобные виды грунта характерны для многих коллекторов, которые можно найти, в частности, на месторождениях Таманского полуострова и северной части Азово-Кубанской нефтегазоносной области [12, 13].
Не смотря на достигнутые успехи за рубежом, в России плановые исследования эффекта низкоминерализованной воды до сих пор не про-
водились. Мы считаем, что данный метод повышения нефтеотдачи пласта является перспективным и может найти применение для добычи нефти в Краснодарском крае. Главными достоинствами метода являются, помимо повышения эффективности добычи нефти, его низкая стоимость и экологическая безопасность.
При рассмотрении методов деминерализации возвратных пластовых вод, образующихся после отделения нефти из водно-нефтяных эмульсий наиболее предпочтительным, на наш взгляд является метод электрокоагуляции [14-17]. По сравнению с реагентной коагуляцией при электрокоагуляции не происходит обогащения очищаемой воды сульфат и хлорид анионами и другими солями, что в сочетании с компактностью создает предпосылки применения данного метода в замкнутых и мобильных системах, характерных для нефтедобывающих комплексов.
Электрокоагуляционная очистка загрязненных вод вообще является на сегодняшний день одной из самых перспективных методик. Принцип работы электрокоагулятора заключается в образовании под действием проходящего электрического тока высокоактивных гидроксидов алюминия и/ или железа, немедленно вступающих в реакцию с загрязняющими примесями воды с последующим быстрым переходом связанных примесей и не прореагировавших реагентов в нерастворимый, химически-инертный, легко отделяемый шлам [17]. При этом электрокоагуляционная очистка существенно не затрагивает естественный солевой состав обрабатываемой воды. Известно также [14, 17], что стоимость кубического метра очищенной воды при электрокоагулировании более чем в полтора раза меньше чем при реагентном коагулировании.
В КубГУ на кафедре ОНХиИВТвХ был проведен анализ процесса элек-
трокоагуляционного обезвреживания водных нефтяных загрязнений и моделирующих их систем [14-16]. Одной из главных задач был выбор оптимальных параметров тока при проведении электрохимической очистки загрязненных нефтевод. Было установлено, что при использовании постоянного тока происходит пассивация электродов, в результате чего резко возрастает напряжение в системе, при этом снижается проводимость системы и падает общая эффективность очистки. Для устранения указанной проблемы нами был использован переменный ток, при применении которого снижаются негативные эффекты мешающие проведению процесса водоочистки [15, 16]. Это обусловлено периодической сменой полярности электродов сопровождающейся сменой анодного растворения и катодного выделения водорода, в результате чего значительно уменьшается пассивация электродов. Было показано, что эффективность электрокоагулирования максимальна при электрообработке всего объема воды, что связано с комплексом воздействий на очищаемую воду в при-электродном пространстве (электромагнитное поле, окислительно-восстановительные реакции, проистекающие на поверхности электродов, электролиз, флотация, колебания рН и т.д.).
Другим дополнительным эффектом является понижение минерализации вод за счет дополнительной сорбции на золе Ре(ОИ)3 катионов растворенных солей (железа, кальция и магния, частично) и понижении концентрации анионов хлора за счет электролиза и полного удаления гидрокарбонатных анионов за счет возрастания рН водной среды. Дело в том, что при электрокоагуляции сточных вод протекают и другие электрохимические, физико-химические и химические процессы: электрофорез; катодное восстановление растворенных в воде органиче-
ских и неорганических веществ или их химическое восстановление, а также образование катодных осадков металлов; химические реакции между ионами Ре3+ или Ре2+, образующимися при электролитическом растворении металлических анодов, и некоторыми содержащимися в воде ионами (Б2-, С032-) с образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок; флотация твердых и эмульгированных частиц пузырьками газообразного водорода, выделяющегося на катоде; сорбция ионов и молекул растворенных примесей, а также частиц эмульгированных в воде примесей на поверхности гидроксидов железа (II) и (III), которые обладают значительной сорбционной способностью, особенно в момент образования.
Сравнение результатов очистки сточных пластовых вод различных месторождений показывает, что помимо очистки вод от нефти и снижении их общей минерализации, концентрации ионов кальция и магния снижаются не значительно (снижение концентрации иона магния связано с ростом рН и, в принципе может контролироваться, если в этом будет необходимость). Это может оказаться главным достоинством метода электрокоагуляцион-ной очистки, так как наличие ионов Са2+ и Мд2+ будет препятствовать разрушению глинистых пропластков нефтяных коллекторов и, в свою очередь, конкурировать с глинами по связыванию нефти. Что, естественно, будет приводить к большему содержанию нефти при ее вытеснении.
Таким образом, можно сделать вывод, что метод электрокоагуляционной очистки со стальными электродами позволяет решить две основных задачи: снизить до рекомендуемых уровней содержание нефти в возвратных пластовых водах и понизить их общую минерализацию и, следовательно, может быть достаточно эффективен на
практике при доочистке возвратных пластовых сточных вод нефтяных месторождений Краснодарского края, а также увеличению нефтеотдачи на истощенных коллекторах.
Однако данный процесс нуждается в дальнейшем исследовании. Необходимо определить возможность его применения для различных видов грунтов и пластовых вод, изучить причины и факторы, влияющие на процесс. Для рекомендаций практического применения данного метода обработки сточных пластовых вод на территории Краснодарского края необходимо провести лабораторные исследования эффективности метода на конкретных пластообразующих породах нефтяных коллекторов и скважин.
Резюме
Основной эффект увеличения добычи нефти при использовании низкоминерализованной воды является результатом катионообмена между породой и водой, в результате которого свойства пласта меняются, и он перестает удерживать нефть.
Метод электрокоагуляционной очистки со стальными электродами позволяет решить две основных задачи: снизить до рекомендуемых уровней содержание нефти в возвратных пластовых водах и понизить их общую минерализацию.
Однако данный процесс нуждается в дальнейшем исследовании. Необходимо определить возможность его применения для различных видов грунтов и пластовых вод, изучить причины и факторы, влияющие на процесс.
Для рекомендаций практического применения данного метода обработки сточных пластовых вод на территории Краснодарского края необходимо провести лабораторные исследования эффективности метода на конкретных пластообразующих породах нефтяных коллекторов и скважин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yildiz H.O., Morrow N.R. Effect of brine composition on recovery waterflooding of Moutray crude oil by. Petroleum science & engineering, 1996. p. 159-168.
2. Alagic E., Skauge A. Combined Low Salinity Brine Injection and Surfactant Flooding in Mixed-Wet Sandstone Cores. Energy & Fuels 24 (6) 2010. р. 3551-3559.
3. Tang G.-Q., N.R. Morrow. Influence of brine composition and fines migration on crude oil brine rock interactions and oil recovery. Journal of petroleum science & engineering, 1999. p. 99-111.
4. Norman Morrow, Jill Buckley. Improved Oil Recovery by Low-Salinity Waterflooding. Journal of Petroleum Technology MAY 2011, p. 106-113.
5. Lager A. , Webb K.J., Black C.J.J., Singleton M., Sorbie K.S. / Low salinity oil recovery - an experimental investigation // International Symposium of the Society of Core Analysts held in Trondheim, Norway 1216 September, 2006.
6. AgbalakaC.C., DandekarA.Y., PatilS.L., Khataniar S., Hemsath J.R. Coreflooding Studies to Evaluate the Impact of Salinity and Wet-tability on Oil Recovery Efficiency. Transport in Porous Media 76 (1) 2009. р. 77-94.
7. Fathi S.J., Austad T., Strand S. «Smart Water» as a Wettability Modifier in Chalk: The Effect of Salinity and Ionic Composition. Energy & Fuels 24 (4) 2010. р. 2514-2519.
8. Buckley J.S., Morrow N. Improved Oil Recovery by Low Salinity Waterflooding: A Mechanistic Review. 11th International Symposium on Evaluation of Wettability and Its Effect on Oil Recovery, Calgary, 6-9 September. 2010.
9. Liegthelm D.J., Gronsveld J., Hof-man J.P., Brussee N., Marcelis F., van der Linde H.A. Novel Waterflooding Strategy by Manipulation of Injection Brine Composition. EUROPEC/EAGE Annual Conference and Exhibition, Amsterdam, 8-11 June. 2009.
10. Alotaibi M.B., Nasr-El-Din H.A. Chemistry of Injection Water and its Impact on
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Oil Recovery in Carbonate and Clastic Formations. International Symposium on Oilfield Chemistry, The Woodlands, Texas, USA, 2022 April. 2009.
11. Morrow N.R., Tan G-Q., Valat M., Xie X. Prospects of improved oil recovery related to wettability and brine composition. J. Pet. Sci. Eng. 20 (3-4) 1998. р. 267-276.
12. Бигун П.В., Пинчук Т.Н. Новые данные по стратиграфии и условиям формирования коллекторов триасовых отложений Западного Предкавказья / Сборник трудов ОАО «СевКавНИПИгаз». - Ставрополь, 2004. Вып. 40. - C. 10-43.
13. Вобликов Б.Г., Пинчук Т.Н., Бигун П.В, Айдамирова З.Г. Условия формирования и геохимическая характеристика нефтегенерирующих караган-чокракских и понт-мэотических пород северного борта западно-кубанского прогиба // Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Грозный: Академия наук ЧР, 2011. -С. 55-58.
14. Шишов В.А., Рябченко В.И., Ше-метов В.Ю., Гнусин Н.П., Витульская Н.В. Очистка буровых сточных вод электрокоагуляцией // Нефтяное хозяйство. - 1982. -№ 1. - С. 47-50.
15. Шохина К.А., Офлиди А.И., Наза-ренко М.А., Буков Н.Н. Анализ некоторых технологических факторов электрокоагу-ляционного метода очистки нефтешламов и нефтевод // Экология и промышленность России. - 2010. - № 2. - С. 50-51.
16. Шохина К.А., Фролов В.Ю., Панюш-кин В.Т. Реактор для переработки нефтяных загрязнений // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоно-сов-2008». - Москва, 2008. - С. 423.
17. Кульский Л.А., Строкач П.П., Слип-ченко В.А., Сайгак Е.И. Очистка воды электрокоагуляцией. - Киев: Будвельник, 1978. EES
Антониади Дмитрий Георгиевич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: dg@antoniadi.com,
Савенок Ольга Вадимовна - доктор технических наук, доцент, e-mail: olgasavenok@mail.ru,
Кубанский государственный технологический университет;
Буков Николай Николаевич - доктор химических наук, профессор,
зав. кафедрой, e-mail: nbukov@mail.ru,
Ганоцкая Елена Дмитриевна - аспирант, e-mail: elena.rudenko@list.ru, Панюшкин Виктор Терентьевич - доктор химических наук, профессор, e-mail: panyushkin@chem.kubsu.ru, Кубанский государственный университет.
UDC 622.276.43
THE POSSIBILITY OF USING ELECTROCOAGULATION FOR DEMINERALIZATION-RETURN FORMATION WATER OIL FIELDS KRASNODAR REGION
Antoniadi D.G., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: dg@antoniadi.com, Kuban State Technology University,
Savenok O.V., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor;
Bukov N.N., Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: nbukov@mail.ru, Ganotskaya E.D., Graduate Student, e-mail: elena.rudenko@list.ru,
Panyushkin V.T., Doctor of Chemical Sciences, Professorp, e-mail: panyushkin@chem.kubsu.ru, Kuban State University.
The article discusses the possibility of using the method of electrocoagulation for the salinity reduction of wastewater used for oil displacement in some fields of the Krasnodar Region. It is shown that at the same time such problems as the pollution of produced water and the ecological state of the region's mineral resources can be solved.
Key words: low-salinity formation water, environmental security of subsoil, electro-coagulation.
REFERENCES
1. Yildiz H.O., Morrow N.R. Effect of brine composition on recovery waterflooding of Moutray crude oil by. Petroleum science & engineering, 1996. p. 159-168.
2. Alagic E., Skauge A. Combined Low Salinity Brine Injection and Surfactant Flooding in Mixed-Wet Sandstone Cores. Energy & Fuels 24 (6) 2010. p. 3551-3559.
3. Tang G.-Q., N.R. Morrow. Influence of brine composition and fines migration on crude oil brine rock interactions and oil recovery. Journal of petroleum science & engineering, 1999. p. 99-111.
4. Norman Morrow, Jill Buckley. Improved Oil Recovery by Low-Salinity Waterflooding. Journal of Petroleum Technology, MAY, 2011, p. 106-113.
5. Lager A. , Webb K.J., Black C.J.J., Singleton M., Sorbie K.S. Low salinity oil recovery an experimental investigation. International Symposium of the Society of Core Analysts held in Trondheim, Norway 12-16 September, 2006.
6. Agbalaka C.C., Dandekar A.Y., Patil S.L., Khataniar S., Hemsath J.R. Coreflooding Studies to Evaluate the Impact of Salinity and Wettability on Oil Recovery Efficiency. Transport in Porous Media 76 (1) 2009. p. 77-94.
7. Fathi S.J., Austad T., Strand S. «Smart Water» as a Wettability Modifier in Chalk: The Effect of Salinity and Ionic Composition. Energy & Fuels 24 (4) 2010. p. 2514-2519.
8. Buckley J.S., Morrow N. Improved Oil Recovery by Low Salinity Waterflooding: A Mechanistic Review. 11th International Symposium on Evaluation of Wettability and Its Effect on Oil Recovery, Calgary, 6-9 September. 2010.
9. Liegthelm D.J., Gronsveld J., Hofman J.P., Brussee N., Marcelis F., van der Linde H.A. Novel Water-flooding Strategy by Manipulation of Injection Brine Composition. EUROPEC/EAGE Annual Conference and Exhibition, Amsterdam, 8-11 June. 2009.
10. Alotaibi M.B., Nasr-El-Din H.A. Chemistry of Injection Water and its Impact on Oil Recovery in Carbonate and Clastic Formations. International Symposium on Oilfield Chemistry, The Woodlands, Texas, USA, 20-22 April. 2009.
11. Morrow N.R., Tan G-Q., Valat M., Xie X. Prospects of improved oil recovery related to wettability and brine composition. J. Pet. Sci. Eng. 20 (3-4) 1998. p. 267-276.
12. Bigun P.V., Pinchuk T.N. Novye dannye po stratigrafii i uslovijam formirovanija kollektorov triasovyh ot-lozhenij Zapadnogo Predkavkaz'ja. Sbornik trudov OAO «SevKavNIPIgaz» (Up-to-date data on stratification and conditions of formation of reservoir rocks in Triassic measures in the Western Pre-Caucasia. Collected papers of SevKazNIPlgas JSC), Stavropol, 2004, issue 40, pp. 10-43.
13. Voblikov B.G., Pinchuk T.N., Bigun P.V, Ajdamirova Z.G. Uslovija formirovanija i geohimicheskaja harakteristika neftegenerirujushhih karagan-chokrakskih i pont-mjeoticheskih porod severnogo borta zapadno-kubanskogo progiba. Sovremennye problemy geologii, geofiziki i geojekologii Severnogo Kavkaza. Materialy Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii (Formation conditions and geochemical characterization of oil-generating Karagan-Chokrak and Pont-Meotic stage rocks in the northern wall of the West-Kuban depression. Contemporary problems in geology, geophysics and geoecology of the Northern Caucasia. All-Russian Scientific-Technical Conference Proceedings), Grozny, Akademija nauk ChR, 2011, pp. 55-58.
14. Shishov V.A., Rjabchenko V.I., Shemetov V.Ju., Gnusin N.P., Vitul'skaja N.V. Neftjanoe hozjajstvo, 1982, no 1, pp. 47-50.
15. Shohina K.A., Oflidi A.I., Nazarenko M.A., Bukov N.N. Jekologija i promyshlennost' Rossii, 2010, no 2, pp. 50-51.
16. Shohina K.A., Frolov V.Ju., Panjushkin V.T. Reaktor dlja pererabotki neftjanyh zagrjaznenij. Materialy dokladov XV Mezhdunarodnoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh «Lomonosov-2008» (Chemical reactor for processing oil waste. Proceedings of the 15th International Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists «Lomonosov-2008»), Moscow, 2008, pp. 423.
17. Kul'skij L.A., Strokach P.P., Slipchenko V.A., Sajgak E.l. Ochistka vody jelektrokoaguljaciej (Water purification by electric coagulation), Kiev, Budvel'nik, 1978.
