CC BY
27ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
УДК 622.276.72
В.М. Шамилов1, Е.Р. Бабаев2, e-mail: Eibey.Babayev@socar.az
1 Департамент нанотехнологий SOCAR (Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики) (Баку, Азербайджанская Республика).
2 Институт химии присадок, Национальная академия наук Азербайджана (Баку, Азербайджанская Республика).
Разработка многофункциональных композиционных смесей на основе водорастворимых ПАВ, полимеров и металлических нанопорошков в качестве агентов вытеснения нефти
В статье приведены результаты тестирования в лабораторных условиях разработанной многофункциональной композиции, совмещающей водорастворимые полимеры и поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также неорганические компоненты (нанопорошки Cu, Al), предназначенные для извлечения остаточных или трудноиз-влекаемых запасов нефти.
В лабораторных условиях установлена возможность повышения эффективности гидродинамического воздействия на пласт за счет применения вытесняющих составов, разработанных на основе водорастворимых ПАВ, полимеров и порошков металлов. В качестве водорастворимого полимера был использован полиакриламид, а в качестве ПАВ - композиция, состоящая из солей нафтеновых кислот и N-содержащих соединений и обладающая моющими и ингибирующими свойствами. Используемые наночастицы Al и Cu имели размерность 50-70 нм. В качестве исследуемой нефти использовали нефть месторождения Гала Апшеронского полуострова Азербайджана. Данная нефть относится к нефтям метанонафтенового типа, характеризуется низким содержанием смолисто-асфальтено-вых веществ (САВ). Эксперименты проводили на установке, имитирующей модель пласта. В качестве наполнителя стеклянной трубки использовали песок из скважины данного месторождения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение поверхностно-активных веществ и нанопорошков металлов улучшает свойства полиакриламида как агента вытеснения нефти. Очевидно, что нанопорошки металлов по-разному влияют на коэффициент нефтевытеснения. Композиция с нанопорошком Al в данном эксперименте была более эффективна, чем с участием нанопорошка Cu.
Ключевые слова: нанотехнологии, поверхностно-активные вещества, нефтеотдача, полиакриламид, порошки нанометаллов, нефть.
V.M. Shamilov1, E.R. Babayev2, e-mail: Elbey.Babayev@socar.az
1 Nanotechnologies Department, SOCAR (State Oil Company if Azerbaijan Republic) (Baku, Azerbaijan Republic).
2 Institute of Chemistry of Additives, National Academy of Sciences of Azerbaijan (Baku, Azerbaijan Republic).
Development of multifunctional composite mixtures based on water-soluble surfactant, polymer and metallic nanopowder as agents of oil displacement
The article presents the results of laboratory testing for developed multifunctional composition combining water-soluble polymers and surface active agents (surfactants) as well as inorganic components (nanopowders Cu, Al), intended for extracting residual or HTR oil reserves.
The possibility of the reservoir hydrodynamic stimulation efficiency improvement was established under laboratory conditions, through the use of displacing compounds, developed on the basis of water-soluble surfactants, polymers and metal powders. Polyacrylamide was used as the water-soluble polymer, and the composition consisting of naphthenic acid salts and N-containing compounds was used as surfactant with cleaning and inhibiting properties. Used Al and Cu nanoparticles had the dimension of 50-70 nm. The oil from Gala field, Absheron Peninsula, Azerbaijan was analysed. This oil refers to oils of methane-naftene type and is characterized by low content of resinous- asphaltene substances (RAS). Experiments were carried out with a unit simulating a reservoir model. Sand from the well of this field was used as a filler of glass tube.
60
№ 6 июнь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
The results obtained indicate that the use of surfactants and metal nanopowders improve the properties of polyacrylamide as the oil displacement agent. Obviously, metal nanopowders have different effects on oil displacement factor. Nanopowder Al composition in this experiment was more effective than a nanopowder with Cu.
Keywords: nanotechnology, surfactants, oil recovery, Polyacrylamide, nanometal powders, oil.
Нанотехнология - одна из наиболее быстро развивающихся отраслей науки и производства. Информационные технологии, медицина, сельское хозяйство, автоиндустрия, тяжелая промышленность, альтернативная энергетика и многие другие отрасли промышленности сегодня не обходятся без применения нанотехнологий. Не составляет исключения и такая важная отрасль мировой экономики, как нефтяная промышленность [1]. Ведущие мировые нефтяные компании применяют нанотехнологии в бурении, добыче, транспортировке и переработке нефти [2-4]. Особый интерес представляет применение нанотехнологий для увеличения нефтедобычи. Современный этап развития нефтяной промышленности характеризуется осложнением условий разработки нефтяных месторождений,увеличением доли трудноизвлекаемых запасов, ростом обводненности. В этом аспекте только внедрение новых технологий и методов, заметно повышающих эффективность обычного заводнения, позволяет уменьшить темп падения добычи нефти. Применение реагентов индивидуального действия не всегда оказывается эффективным, т.к. реагенты могут быть несовместимы в одном технологическом процессе с другими реагентами. Развитие физико-химических методов с применением многофункциональных композиций, в частности на основе водорастворимых полимеров, полимерных нанокомпозитов и ПАВ [5, 6] позволяет существенно расширить область их использования. Важно сделать правильный выбор способов, методов и средств воздействия для интенсификации разработки нефтя-
ных залежей, применение которых обеспечит полноту извлечения нефти. В настоящее время материалы на основе металлических нанопорошков широко применяются в разных областях промышленности, в том числе нефтяной [7]. Из опубликованных работ [8] следует, что присутствие наноразмерных порошков в каталитической системе ускоряет процесс деструкции высокомолекулярных компонентов тяжелого нефтяного сырья и увеличивает выход светлых фракций. В технологии нефтедобычи целесообразным является использование комплексных подходов, повышающих эффективность этих работ. Одним из таких подходов является химический метод, основанный на заводнении нагнетательных скважин ПАВ и полимерами (полимерными на-нокомпозитами).
Целью настоящей работы была разработка новых многофункциональных водорастворимых композиций на основе полиакриламида, ПАВ и неорганических компонентов (нанопорошки Си, А1) в качестве агентов вытеснения остаточных запасов нефти.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве исследуемой нефти использовали нефть месторождения Гала Апшеронского полуострова. Данная нефть относится к нефтям мета-нонафтенового типа, характеризуется низким содержанием смолисто-асфаль-теновых веществ и является типичной для нефтей Апшеронского полуострова. Для экспериментальных исследований в качестве ПАВ была приготовлена композиция из солей нафтеновых кислот и N-содержащих соединений, обладающая моющими и ингибирующими свойствами. Эта композиция обладает высокими поверхностно-активными свойствами и защитным эффектом от сероводородной и бактериальной коррозии.
В качестве водорастворимого полимера был использован полиакриламин. Раствор полимера готовили из концентрированного раствора разбавлением до необходимой рабочей концентрации (0,1% масс.).
Установка для определения нефтевы-тесняющей способности разработан-
Таблица 1. Результаты эксперимента
Table 1. Experiment results
№ No. Состав композиций Composition formulation Коэффициент извлечения нефти (КИН), мл; % Oil recovery factor (ORF), ml; %
1 Нефть 15 мл+0,1% ПАА+Н20 Oil 15 mL+0.1% polyacrylamide (PAA)+H2O 3,2; 21,3 (поршневой эффект) 3.2; 21.3 (swabbing effect)
2 Нефть 15 мл+0,1% ПАА+0,5 г Cu (нанопорошок)+Н2О Oil 15 mL+0.1% PAA+0.5 g Cu (nanopowder)+H20 6,5; 43,3 6.5; 43.3
3 Нефть 15 мл+0,1% ПАА+0,5 г Al (нанопорошок)+Н2О Oil 15 mL+0.1% PAA+0.5 g Al (nanopowder)+H20 9,2; 61,3 9.2; 61.3
4 Нефть 15 мл+0,1% ПАА+0,5 г Cu+ПАВ 0,5 г+Н2О Oil 15 mL+0.1% PAA+0.5 g Cu+0.5g surfactant+^О 11,3; 75,3 11.3; 75.3
5 Нефть 15 мл+0,1% ПАА+0,5 г AL+ПАВ 0,5 г+Н2О Oil 15 mL+0.1% PAA+0.5 g AL+0.5g surfactant+^О 12,2; 81,3 12.2; 81.3
Ссылка для цитирования (for citation):
Шамилов В.М., Бабаев Е.Р. Разработка многофункциональных композиционных смесей на основе водорастворимых ПАВ, полимеров и металлических нанопорошков в качестве агентов вытеснения нефти // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 60-63.
Shamilov V.M., Babayev E.R. Development of multifunctional composite mixtures based on water-soluble surfactant, polymer and metallic nanopowder as agents of oil displacement (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 6, P. 60-63.
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Таблица 2. Влияние металлических наночастиц на свойства нефти Table 2. Metal nanoparticl.es influence on oil properties
№ No. Объект исследования Test object Плотность Р204, г/см3 Density р204, h/sm3 Вязкость при 50 °С, мПа.с Viscosity at 50 °С, тРа^ Компонентный состав фракций, % Fractional component composition, %
Гексановая Hexane Бензольная Benzene Спиртобензольная Alcohol-benzene
1 Нефть Oil 0,862 0.862 50,76 50.76 82,50 82.50 7,50 7.50 3,75 3.75
2 Нефть + МНЧ Oil + MNP 0,852 0.852 47,70 47.70 77,20 77.20 9,10 9.10 2,70 2.70
ных композиций представляет собой стеклянные трубки длиной 70 см и диаметром 30 мм, заполненные песком соответствующего месторождения и имитирующие модели пласта. Заполняли 3/4 объема стеклянной трубки песком из скважины. На нижнем конце модели пласта устанавливали фильтр из 1-2 слоев металлической сетки. После подготовки моделей их устанавливают вертикально. Далее пропитывали модель пласта пластовой водой. Для пропитки песка водой установку подключали к системе вакуумирования и через модель пласта пропускали воду ^Н20). Поры пласта заполняли водой, а излишек воды собирали и измеряли в цилиндре (V ). Поровый объем (V )
^ "г \ выд' г * пор, мл'
модели пласта определяли по формуле V ^ -V .
пор Н20 выд
Затем производили насыщение приготовленной модели нефтью. Определенный объем подготовленной нефти пропускали через модель пласта (система работает под вакуумом). Нефть частично
вытесняла воду из пор пласта, часть пор заполнялась нефтью. В результате модель пласта имеет определенную нефте-и водонасыщенность. В мензурках, куда собиралась вытесненная жидкость (вода и нефть), замеряли объем вытесненной воды и нефти и рассчитывали исходную нефтенасыщенность пласта как разницу между объемом нефти, поданной в пласт и замеренной в мензурках - Vнефть. Объем вытесненной в мензурку нефти замеряли. Далее определяли коэффициент извлечения нефти (КИН, %):
КИН=^-100%,
под
где V1 - количество вытесненной нефти, мл;
Vпод - количество поданной нефти, мл. В таблице 1 приведены результаты проведенных экспериментов по вытеснению нефти различными композициями. Для изучения влияния металлических наночастиц на нефть с помощью адсорбционного метода анализа нефте-
Рис. Изменение количества вытесненной нефти в зависимости от состава композиции, % Fig. Displaced oil quantity alteration as a function of the composition formulation, %
продукты разделяли на три фракции: гексановую (нафтенопарафиновые и ароматические углеводороды); бензольную (полициклические ароматические углеводороды, бензольные смолы) и спиртобензольную (нафтеновые кислоты, этанол-бензольные смолы). Колонку набивали сухим способом, нефть наносили в виде раствора в элюенте. В качестве элюента использовали последовательно гексан, бензол, спирт-бензол (1:1). Фракции, близкие по составу, объединяли, упаривали на роторном испарителе при 30-40 °С и взвешивали до получения постоянного веса. Результаты исследований приведены в таблице 2.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Проведено экспериментальное изучение возможности повышения нефтеизвлечения остаточных или трудноизвлекаемых запасов нефти путем применения разработанных новых композиций на основе растворов ПАВ с наночастицами Си и А1, а также нефтевытесняющих водорастворимых полимерных растворов. На установленной в лабораторных условиях модели пласта (керна) определена нефтевытесняющая способность исследуемых реагентов и их композиций. В таблице 1 приведены составы исследуемых композиций,объем вытесненной из модели нефти. Принцип работы установки заключается в вытеснении нефти из модели пласта жидкостью (раствором полиакриламида (ПАА), смесью ПАА с нанопорошками Си и А1, композиций ПАА, ПАВ и нанопорошков Си и М). В качестве водорастворимых полимеров были исследованы нефтевытесняющие свойства растворов ПАА. В качестве ПАВ использована разработанная экспериментальная композиция, состоящая из солей нафтеновых кислот и ^содержащих соединений и обладающая моющими и ингибирующими свойствами. На вязких свойствах относительно концентрированных растворов полимеров основаны процессы вытеснения неполярных жидкостей из пористых систем [9]. Нами изучено влияние 0,1%-ного водного раствора ПАА на возможность вытеснения нефти из модельной системы.
62
№ 6 июнь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
С ростом концентрации растворов ПАА наблюдается резкое снижение скорости вытеснения. Высокая вязкость дает реализовать поршневой механизм вытеснения, обеспечивающий КИН около 21%.
Очевидно, что применение раствора ПАА в качестве агента вытеснения нефти приводит к снижению фильтрационных характеристик модели керна-коллектора. Визуальное исследование модели показало, что часть пор образца подверглась закупорке и блокированию полимерными частицами, что, возможно, обусловлено адсорбцией полимера на поверхности пористой среды. Это уменьшает размер и изменяет форму фильтрационных каналов.
Применение металлических нанопорошков совместно с ПАА позволяет стабилизировать наночастицы и более эффективно использовать их реакционную способность. Результаты экспериментов свидетельствует о том,что использование нанопорошков Al и Cu позитивно сказывается на нефтевы-тесняющих качествах предложенных композиций. Наночастицы металлов, воздействуя на нефть, уменьшают ее вязкость, увеличивая при этом текучесть нефти [10]. Как видно из таблицы 1, применение композиций с нанопорошком Al является более эффективным для вытеснения нефти по сравнению с композициями,содержащими нанопорошки Cu. Этот факт
можно объяснить тем, что присутствие в смеси нанопорошка А1 способствует процессу газообразования, что приводит к возникновению микротрещин и пор, ускоряющих скорость прохождения нефти через модель пласта. Присутствие в композиции нанопорошка Си наряду с повышением КИН придает ей ярко выраженные бактерицидные свойства.
С другой стороны, очевидно, что используемый ПАВ увеличивает коэффициент нефтеизвлечения. ПАВ широко применяются в нефтяной промышленности в качестве реагентов для повышения нефтеотдачи. Применение наночастиц позволяет стабилизировать получившуюся пену и увеличить КИН.
References:
1. Yusifzadeh K.B. The current state of oil and gas industry and future perspectives. Azerbajdzhanskoe neftyanoe xozyajstvo = Azerbaijani oil industry, 2016, No. 1, p. 10-15.
2. Shamilov V.M. Nanostructures based on macromolecular anionic surfactants and their application [Nanostruktury na osnove vysokomolekulyarnyx anionaktivnyx poverxnostno-aktivnyx veshhestv i ix primenenie]. Territoriya «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 12, p. 128-132.
3. Khavkin A.Ya. Innovative nanotechnologies in the petrochemical complex [Innovacionnye nanotexnologii v neftegazoximicheskom komplekse]. Gazoximiya = Gas Chemistry, 2011, No. 3-4 (19-20), p. 32-37.
4. Adel M. Salem Ragab. Investigating the Potential of Nanomaterials for Enhanced Oil Recovery: State of Art. Journal of Science and Technology, 2014, vol. 6, iss. 1, p. 25-40.
5. Suleimanov B.A., Ismailov F.S. and Veliyev E.F. Nanofluid for enhanced oil recovery. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2011, No. 78, p. 431-437.
6. Almaev R.Kh. Polymers and nonionic surfactant compositions application for oil displacement [Primenenie kompozicij polimerov i NPAV dlya vytesneniya nefti]. Neftyanoe xozyajstvo = Oil industry, 1993, No. 12, p. 22-24.
7. Neikov O.D., Naboychenko S.S., Murashova I.V., Gopienko V.G., Frishberg I.V., Lotsko D.V. Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications. Elsevier, 2009, 621 p.
8. Murzgaleyev T.M., Vosmerikov A.V., Golovko A.K., Fedushchak T.A., Ogorodnikov V.D. Heavy oil nickel nanopowder cracking [Kreking tyazheloj nefti v prisutstvii nanoporoshka nikelya]. Nefteperabotka i nefteximiya = Oil Refining and Petrochemistry, 2011, No. 4, p. 11-13.
9. Fedorova A.F. Portnyagin A.S., Shyts Ye.Yu. Oil displacement properties of polymer solutions in in-situ conditions of southwestern Yakutia fields [Neftevytesnyayushhie svojstva rastvorov polimerov v plastovyx usloviyax mestorozhdenij Yugo-Zapadnoj Yakutii]. Neftegazovoe delo = Oil and gas business, 2012, No. 2, p. 189-194.
10. Shakhbazov E.K., Babaev F.R., Babaev E.R., Kalbaliyeva E.S., Gadzhizade N.A. Influence of metal nanoparticl.es on oil refining [Vliyanie metallicheskix nanochastic na pererabotku nefti]. Proceedings of the II International Conference "Nanophenomena at the hydrocarbon fields development: from nanomineralogy and nanochemistry to nanotechnology" [Materialy II Mezhdunarodnoj konferencii «Nanoyavleniya pri razrabotke mestorozhdenij uglevodorodnogo syr'ya: ot nanomineralogii i nanoximii k nanotexnologiyam»], Moscow, October 21-22, 2010, p. 362-365.
Литература:
1. Yusifzadeh K.B. The current state of oil and gas industry and future perspectives // Азербайджанское нефтяное хозяйство. 2016. № 1. С. 10-15.
2. Шамилов В.М. Наноструктуры на основе высокомолекулярных анионактивных поверхностно-активных веществ и их применение // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 12. С. 128-132.
3. Хавкин А.Я. Инновационные нанотехнологии в нефтегазохимическом комплексе // Газохимия. 2011. № 3-4 (19-20). С. 32-37.
4. Adel M. Salem Ragab. Investigating the Potential of Nanomaterials for Enhanced Oil Recovery: State of Art. Journal of Science and Technology, 2014, vol. 6, iss. 1, p. 25-40.
5. Suleimanov B.A., Ismailov F.S. and Veliyev E.F. Nanofluid for enhanced oil recovery. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2011, No. 78, p. 431-437.
6. Алмаев Р.Х. Применение композиций полимеров и НПАВ для вытеснения нефти // Нефтяное хозяйство. 1993. № 12. С. 22-24.
7. Neikov O.D., Naboychenko S.S., Murashova I.V., Gopienko V.G., Frishberg I.V., Lotsko D.V. Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications. Elsevier, 2009, 621 p.
8. Мурзагалеев Т.М., Восмериков А.В., Головко А.К., Федущак Т.А., Огородников В.Д. Крекинг тяжелой нефти в присутствии нанопорошка никеля // Нефтепеработка и нефтехимия. 2011. № 4. С. 11-13.
9. Федорова А.Ф., Портнягин А.С., Шиц Е.Ю. Нефтевытесняющие свойства растворов полимеров в пластовых условиях месторождений Юго-Западной Якутии // Нефтегазовое дело. 2012. № 2. С. 189-194.
10. Шахбазов Э.К., Бабаев Ф.Р., Бабаев Э.Р., Калбалиева Э.С., Гаджизаде Н.А. Влияние металлических наночастиц на переработку нефти // Материалы II Международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к на-нотехнологиям», Москва, 21-22 октября, 2010. С. 362-365.
