Обработка воды поверхностно-активными веществами

Необходимых изменений поверхностных и смачивающих свойств жидкостей и характеристик поверхностей раздела пластовой системы в зоне их контакта в пористой среде можно до­биться с помощью добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Молекулы большинства ПАВ состоят из длинных гидро­фобных углеводородных цепей с низким остаточным сродством на одном конце молекул и гидрофильных полярных групп с вы­соким сродством на другом. По химическому признаку все ПАВ классифицируются на анионо-активные, катионо-активные и неионогенные вещества.

Если углеводородная часть молекулы ионогенного ПАВ вхо­дит в состав аниона, образующегося в водном растворе, сое­динение относят к анионо-активным веществам. Типичный ани­онный ПАВ — стеарат натрия, в водном растворе которого об­разуются ионы Na+, и стеарат-анионы С₁₇Н₃₅СОО-с длинными цепями. Соответственно катионо-обменные вещества образуют в водных растворах катионы, содержащие длинные цепи угле­водородных радикалов. В неионогенных веществах не содер­жатся неионизирующиеся гидрофильные конечные группы. По­верхностная активность этих веществ обусловлена своеобраз­ным строением их молекул, которые имеют асимметричную (дифильную) структуру, состоящую из полярных и неполярных групп. Неполярной и нерастворимой в воде частью молекулы являются гидрофобный алкильный, арильный или алкиларильный радикал, а полярную водорастворимую группу представляет полиэтиленгликолевый или пропиленгликолевый остаток. Об­щая формула этих веществ:

R = CH₂CH₂OCH₂CH₂O...СН₂СН₂ОН,

где R может быть органической группой, например C₆H₄O^—­, СОО^—, CONH^—, CON^— или атомом кислорода, серы и т. д.

Распространенным неионогенным поверхностно-активным ве­ществом является ОП-10.

Примером катионо-активного поверхностно-активного веще­ства может являться карбозолин О.

который используется для гидрофобизации песчаников.

В лабораторных условиях испытано влияние на нефтеот­дачу добавок в воду значительного количества поверхностно-активных веществ: неионогенных — типов ОП-10 и КАУФЭ₁₄ (оксиэтилированные алкилфенолы), анионо-активных — НЧК, сульфонол, НП-1, азолят А, азолят Б, «Прогресс» (натриевая соль алкилсульфосоединений), а также катионо-активные ПАВ. Лучшие результаты при вытеснении нефти получают с приме­нением растворов неионогенных ПАВ. Установлено также, что ионогенные поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхностях минералов больше, чем неионогенные.

Количественное соотношение между удельной адсорбцией Г в поверхностном слое, изменением поверхностного натяже­ния с концентрацией растворенного вещества и концентрацией С устанавливается уравнением Гиббса

, (VIII.1)

где R—универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Величину , характеризующую способность растворенного вещества понижать поверхностное натяжение раствора, принято называть поверхностной активностью G: G =- . (VIII.2)

Рис VIII 1. Изотермы поверхностного натяжения водных рас­творов неионогенных ПАВ на границе с нефтью. 1 - ОП-10, 2 - ОП-20; 3 — ОП-45, 4 — ОП-7, 5 – КАУФЭ₁₄ (по дан­ным БашНИПИнефть)

Поверхностную активность G можно определить по изотерме адсорбции Г=f(C) и зависимости поверхностного натяжения от концентрации растворенного вещества s = f(C), имеющих вид графиков, приведенных на рис. VIII.1. Как следует из этого рисунка, значение G изменяется с концентрацией ПАВ в растворе. Вначале поверхностное натяжение падает быстро, а по мере заполнения поверхностного слоя адсорбируемыми молекулами интенсивность изменения s с увеличением концентра­ции поверхностно-активных веществ уменьшается и, наконец, практически прекращается, когда адсорбция достигает посто­янного значения, соответствующего полному насыщению слоя молекулами ПАВ. Поэтому поверхностную активность ПАВ оценивают величиной , т. е. начальным значением G₀ при концентрации поверхностно-активного вещества, стремящейся к нулю. Единицами измере­ния поверхностной активности являются 1 Н×м²/кмоль и 1 мН×м²/кмоль. Наиболее подходящие для обработки нагне­таемых вод — поверхностно-активные вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение на границе раздела нефть — вода при небольших концентрациях (т. е. имеющие высокие значения G₀), улучшающие смачиваемость породы во­дой в присутствии нефти, мало адсорбирующиеся на поверхно­сти породы, разрушающие водонефтяные эмульсии. Кроме того, они должны быть дешевыми, полностью растворимыми в прес­ной и пластовых водах, не разрушаться под действием солей, содержащихся в воде. Лучшими показателями обычно обла­дают смеси различных ПАВ.

Многие исследователи пришли к выводу, что нефтеотдачу можно существенно повысить лишь с помощью ПАВ, снижаю­щих поверхностное натяжение нефти на границе с водой до 0,01—0,1 мДж/м2. С этой точки зрения поверхностно-активные вещества, изотермы которых приведены на рис VIII.1, не при­годны для обработки нагнетаемой в пласт воды с целью уве­личения нефтеотдачи пластов. Как следует из рис. VIII. 1, ос­таточное поверхностное натяжение на границе с нефтью раст­воров этих ПАВ достигает 6—7 мДж/м² даже при высокой их концентрации в растворе. При этом в процессе вытеснения нефти из пористой среды под влиянием капиллярных сил об­разуются значительные сопротивления.

Применять ПАВ в промышленности для улучшения нефтевымывающих свойств вод затруднительно вследствие адсорбции их огромной поверхностью пород. В зоне же водонефтяного контакта концентрация ПАВ понижается и действие их умень­шается. Следует, однако, учитывать, что при фильтрации чистой воды в дальнейшем происходят также процессы десорбции. Кроме того, установлено, что адсорбция не одинакова по всему пласту. Фронт предельной адсорбции ПАВ (т. е. равновесной, более не увеличивающейся адсорбции) отстает от фронта наг­нетаемого раствора. Причем это отставание настолько велико, что к концу разработки далеко не будет достигнут предел ад­сорбции по всему пласту. Наконец, полной потери ПАВ вслед­ствие адсорбции, по-видимому, можно избежать, если вводить в пласт первые порции воды с повышенным содержанием по­верхностно-активных веществ, которые будут в дальнейшем продвигаться по пласту необработанными пресными водами (метод оторочки).

Некоторые исследователи полагают, чти вследствие возник­новения перед нагнетаемым в нефтяную часть пласта раство­ром ПАВ вала остаточной воды, которая, как известно, во мно­гих месторождениях представляет собой концентрированный раствор солей, применение ПАВ не дает положительных ре­зультатов. Предполагается, что нефть при этом вытесняется не растворами ПАВ, нагнетаемыми в пласт, а оторочкой ми­нерализованной хлоридами воды с плохими нефтевымывающими свойствами. Многие исследователи, однако, считают та­кой довод недостаточно обоснованным. Некоторые пласты со­держат незначительное количество остаточной воды (4—6 % от объема пор), и быстрое образование вала при этом затруд­няется. Наконец, установлено, что даже если образуется вал остаточной воды при значительном ее содержании в пласте (20—30 % от объема пор), вода перемешивается с нагнетае­мой в пласт и обработанной ПАВ. В таком случае нефтевымывающие свойства смесей оказываются достаточно хорошими. Все это позволяет считать метод заводнения пластов раст­ворами ПАВ одним из средств увеличения нефтеотдачи пла­стов.

В настоящее время ведутся промышленные опыты по на­гнетанию растворов ПАВ в пласт.

Дата добавления: 2014-11-07