книги из ГПНТБ / Особенности вскрытия, испытания и опробования трещинных коллекторов нефти

ными на каких-то определенных уровнях. В реальных условиях такого явления не наблюдается, так как почти все факторы, ко­ торые оказывают влияние на реакцию растворения в условиях скважины, претерпевают изменение. С целью уменьшения затрат времени и средств на изготовление, подготовку и производство эксперимента, а также более полного изучения процесса нами был применен метод оптимального планирования эксперимента.

§ 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОТНЫХ РАСТВОРОВ С КАРБОНАТНЫМИ ПОРОДАМИ

Как уже говорилось выше, все эксперименты, поставленные нами, да и другими исследователями [2, 26, 29, 52] по изучению физико-химических процессов, происходящих в коллекторе тре­ щинного типа при обработке его кислотными растворами, явля­ лись однофакторными экспериментами, т. е. в процессе экспери­ мента изменялся один фактор, а все остальные оставались по­ стоянными. Для упрощения и ускорения лабораторных исследо­ ваний нами были использованы методы теории оптимального пла­ нирования эксперимента [1, 35, 36]. Использование этих методов позволяет уменьшить объем экспериментальных исследований в несколько раз; кроме прямого влияния факторов на процесс изучать влияние взаимодействия факторов.

Математическая задача оптимального планирования экспери­ мента формулируется как необходимость получения представ­ ления о поверхности отклика факторов, которые в общем случае можно аналитически изобразить в виде функции

тимизации (например, скорость реакции, коэффициент растворе­ ния, остаточная кислотность раствора и т. д.); хи х2.... хп—из­ вестные изучаемые переменные факторы, которыми можно варь­ ировать при постановке эксперимента.

Как правило, аналитический вид функции отклика неизвес­ тен. Поэтому ее представляют полиномом /г-й степени, что эквива­

Функция отклика, получаемая на основании расчета экспери­ ментальных данных, является оценкой истинной функции откли­ ка. Чтобы убедиться в приемлемости такой оценки, нужно про­

122

ности математической модели. Результаты экспериментов, про­ веденных на установке, описанной в предыдущем параграфе, по­ зволили использовать метод оптимального планирования экс­ перимента для изучения закономерностей реакции взаимодей­ ствия соляной кислоты с карбонатными породами.

Так как подобные исследования проводятся впервые, то для начальных исследований в качестве независимых переменных бы­

Ниже будут рассмотрены все факторы, которые оказывают влия­ ние на процесс.

При планировании эксперимента была применена полурепли­

С целью минимизации числа опытов была реализована полу­ реплика от полного факторного эксперимента 2 4 - 1 , позволяющая провести лишь восемь опытов.

Каждый из переменных варьировался на двух уровнях — верхнем и нижнем. Обычно пользуются не абсолютными значе­ ниями факторов, а кодированными, обозначая их + 1 и — 1 .

Основной уровень и интервалы варьирования независимых пе­ ременных были выбраны на основании ранее проведенных экс­ периментов и приведены в табл.40.

Т а б л и ц а 40 Уровни факторов и интервалы их варьирования

В табл. 41 даиа матрица планируемого эксперимента. Резуль­ таты эксперимента оценивали по выходным параметрам Уи У2, где у\ — коэффициент растворения, определенный по образцам, которые в камере высокого давления имели горизонтальное по­ ложение трещины; у2 — коэффициент растворения, определенный по образцам, имеющим вертикальное расположение трещин в камере высокого давления. Коэффициент растворения определял­ ся как разность весов образца до и после реакции.

(36) Аналогично были подсчитаны все коэффициенты регрессии и по­ лучены уравнения для у\ и у% Математическое описание процес­ са получило вид

Для проверки результатов эксперимента была проведена ста­ тистическая обработка воспроизводимости процесса, значимости коэффициентов и адекватности модели.

Поскольку опыты в матрице планирования не дублировались, для определения ошибки опыта (ошибки воспроизводимости) до­ полнительно реализовано пять параллельных опытов в нулевой точке.

124

Расчетные значения ^-критериев оказались меньше табличного (для 5%-ого уровня значимости) [1]; F\ — 5,20<9,1; f 2 = 5 , 9 5 < 9 , l . Следовательно, может быть принята гипотеза об адекватном представлении результатов эксперимента линейным уравнением. Уравнения (36а, б) позволяют заранее рассчитать результаты

125

процесса для любых переменных в выбранных интервалах варьи­ рования.

Коэффициенты при независимых переменных указывают на' силу влияния факторов. Чем больше желанная величина коэф­ фициента, тем выше влияние оказывает фактор. Если коэффи­ циент имеет знак плюс, то с увеличением значения фактора пара­ метр оптимизации увеличивается, а если минус, то уменьшается.

отрицательное действие на процесс растворения. Таким образом, используя статистический метод планирования эксперимента бы­ ла получена математическая модель, которая позволила изучить взаимодействие солянокислотного раствора с карбонатными по­ родами. В процессе проведения экспериментальных работ было установлено, что помимо всех вышеперечисленных факторов на процесс химического взаимодействия кислот с карбонатными по­ родами оказывает заметное влияние расположение трещин в пространстве. Было замечено, что коэффициент растворения в образцах с горизонтальным расположением трещин ниже, чем в тех образцах, где трещины находились вертикально. Эта разница увеличивалась с ростом температуры.

Если при температуре 30—40°С коэффициент растворения в образцах с вертикальным и горизонтальным расположением тре­ щин одинаков, то при температуре выше 40°С коэффициент раст­ ворения у образцов с вертикальным расположением трещин_ на 10—20% выше. Такую кинетику процесса можно объяснить сле­ дующим образом. При температуре или давлении ниже критиче­ ского для СОг в процессе реакции С 0 2 выделяется в виде свобод­ ного газа и, следовательно, скорость реакции определяется не скоростями диффузии молекул кислоты через слой отработанной кислоты и гравитационного перемещения растворов, а скоростью перемешивания (скоростью прокачки) растворов соляной кисло­ ты с пузырьками свободно выделяющегося газа. В вертикальных трещинах всплытие пузырьков как бы облегчает процесс раство­

126

Так как размер проточных трещин в карбонатных коллекто­ рах изменяется в очень широких пределах как по мощности, так и по простиранию, то при проведении экспериментов высоту рас­ крытия трещины изменяли от 0,1 до 1 мм и таким образом оцени­ вали влияние сразу двух факторов на процесс растворения — влияние соотношения между объемом кислоты и поверхностью контакта и влияние высоты раскрытия трещин. По результатам проведенных опытов коэффициент растворения с учетом всех пе­ речисленных четырех факторов был наилучшим при следующих условиях: ж, = 0,1—0,3 мм; л:2 =12% Н О ; * 3 = 60—65°С; А'4 = 0,2%.

§ 4. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАВ) НА РАСТВОРИМОСТЬ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

При работах, связанных с интенсификациями притоков и по­ вышением качества вскрытия продуктивных горизонтов,, боль­ шое значение приобретают добавки ПАВ.

ПАВ добавляются в кислотный раствор для снижения его аг­ рессивного воздействия на металлическое оборудование, ак­ тивизации поверхности растворяемого твердого тела и улуч­ шения смачивающих и поверхностных свойств кислотного раствора.

Выбор типа ПАВ определяется условиями их применения. Засолоненность карбонатных пород, высокая минерализация плас­ товых вод, характерные для Припятской впадины, выдвигают к применяемым ПАВ следующие требования.

1. ПАВ должно обладать хорошей растворимостью в рассоле поваренной соли и не коагулировать в высокоминерализованных пластовых водах.

2. Максимально снижать межфазовое натяжение на границе раздела фаз нефть — рассол и пластовая вода — нефть при ма­ лых концентрациях ПАВ.

3. ПАВ не должны являться эмульгатором для нефти.

В химическом отношении ПАВ разделяются на два основных класса.

1)Молекулярные, неионогенные ПАВ, в которых активной частью, воздействующей на поверхность путем избирательной адсорбции, являются полярные молекулы, не распадающиеся в данной среде на ионы.

2)Ионогенные ПАВ, молекулы которых в данной среде дис­ социируют на ионы и являются носителем поверхностной актив­ ности. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяются на две группы: если носителем поверхностной активности является ани­ он, то такие-вещества называются анионоактивными; если при диссоциации носителем поверхностной активности в данной среде является катион, то такие вещества называются катионоактивными. Недостатком большинства ионогенных ПАВ является то, что

они в результате взаимодействия с солями С а 2 + , M g 2 + полностью

127

или частично высаливаются, образуя нерастворимые осадки в ви­ де кальциевых и магниевых солей.

Целью лабораторных исследований являлось изучение дей­ ствия ПАВ в условиях кислотных обработок скважины с карбо­ натными коллекторами. Опыты проводились с иеионогенными ПАВ, так как только ПАВ этого класса применяются в условиях Белоруссии (ОП-7, превоцел, дисолван, нонген). Поскольку од­ ним из факторов, значительно влияющих на результаты обработ­ ки, является поверхностное натяжение закачиваемого раствора

б.эрггсм1

Рис. 48. Изменение величины поверхностного натяже­ ния различных растворов соляной кислоты в зависи­ мости от концентрации ПАВ.

/ — дисолван; 2 — без днсолвана; 3 — превоцел; 4 — без пре­ воцел а; 5 — ОП-7; 6 — без ОП-7.

соляной кислоты, то прежде всего была изучена зависимость изменения величины поверхностного натяжения различных рас­ творов соляной кислоты от концентрации ПАВ. Полученные ре­ зультаты представлены в табл. 44 и рис. 48. Изменение поверх­ ностного натяжения производилось методом наибольшего дав­ ления газовых пузырьков [43].

Лабораторные эксперименты проводились с 5, 12, 15 и 20%-ной соляной кислотой и различными добавками ПАВ, начи­ ная от 0,1 до 3%. Из полученных данных видно, что из использо­ ванных ПАВ самыми эффективными являются нонген и ОП-7, так как эти ПАВ_ значительно снижают величину поверхностного натяжения. Исходя из результатов лабораторных анализов, мож­ но рекомендовать оптимальные концентрации ПАВ в кислотах различных концентраций (табл. 45).

При добавках 3%-ной концентрации ПАВ поверхностное на­ тяжение заметно возрастает. Это связано с тем, что по мере за­ полнения адсорбционного слоя молекулами, с увеличением кон­ центрации ПАВ в кислотном растворе углеводородные цепи при­ тягиваются друг к другу, ориентируясь перпендикулярно к по­ верхности раздела и образуя на ней своеобразный частокол —

128

Т а б л и ц а 45 Оптимальные концентрации ПАВ в различных кислотах

мономолекулярный слой. Такой слой покрывает снаружи поверх­ ность кислоты концами углеводородных радикалов, что приво­ дит к повышению поверхностной активности и к наиболее высо­

влияния различных ПАВ на величину поверхностного натяжения соляно-кислотного раствора с породой при постепенной его нейт­ рализации, а также на скорость растворения карбонатных пород в 12%-ной соляной кислоте. Исследования проводились на кер­ не, который отбирался из межсолевых отложений Шатилковской площади, скв. 7 (интервал 3810,2-—3819,7 м).

Методика подготовки образцов к работе была описана ранее (см. главу IV, § 2). Для получения одного показателя прово­ дилось от 4 до 12 опытов. Данные, полученные в результате экс­ периментов, приведены в табл. 46 и 47. Из табл. 46 видно, что при

это заметно при добавках к кислоте превоцела и дисолвана. Так, если за первые 10 мин скорость реакции уменьшилась в 1,5 раза, то, начиная с двадцатой минуты и до конца эксперимента — в 3,5—4,5 раза. При добавке к кислоте ОП-7 скорость реакции уменьшается, но не так значительно. Механизм тормозящего дей­ ствия добавок ПАВ на растворение карбонатов в соляной кис­ лоте заключается в том, что ПАВ, адсорбируясь на поверхностях минералов, препятствуют контакту кислоты с породой и тем уменьшают поверхность такого контакта [8, 25].

Из табл. 47 видно, что наиболее отчетливо уменьшение вели­ чины поверхностного натяжения в результате нейтрализации кис­ лоты проявляется при добавке к ней превоцела и дисолвана. До­ бавка 0,2% превоцела снижает величину поверхностного натя­ жения в активной кислоте до 41,1 эрг/см2 , а в нейтрализованной

130