Ali_Anis_Hamuda._Vliyanie_temper-ry_i_ionov_na_smachiv._melovyh_porod
.pdfАкадемические чтеиия
Academic lectиring
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF ТНЕ RUSSIAN FEDERATION
ТНЕ GUBKIN RUSSIAN STАТЕ UNIVERSIТY
OF OIL AND GAS
Professor University of Stavanger
ALУ ANIS HAMOUDA
IMPLICATION OF RESEARCH RESALTS ON INDUSTRY'S DECISION FOR IOR
MosCO\\-' 201 О
МИНИСfЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСfВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА
АЛИ АНИС ХАМУДА
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
И ПРИСУТСТВУЮЩИХ В МОРСКОЙ ВОДЕ
ионов so~- и мgн
НА СМАЧИВАЕМОСТЬ МЕЛОВЫХ ПОРОД И УВЕЛИЧЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ
КОЛЛЕКТОРА
Москва 2010
удк 622.276.031.0 11.433+ 622.276.344
Али А. Хамуда"
Влиявие темnературы и nрисутствующих в морской воде ИOIIOB sо~
и Mg2 ' ва смачиваемость меловых nород и увеличевие вефтеотдачи кол
лектора. Академическая лекuия в РГУ имеви И.М. Губкива, 12 мая 2009 г. ва основе оnубликованных даввых ваучных работ, выnолисивых в Университете г. Ставангер (Норвегия).- М.: РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2010.- 22 с.
D лекции рассмотрены две основные темы.
Пеl,'вая тема - влияние некоторых присутствующих в морской nоде ионов. таких
как SO:; и Mg2•. на смачиваемость поверхности мела. Предложен механизм юменеиия
смачинасмости.
Вторая тема - nлия11ие тем11ературы на увеличение нефтеотдачи (поnышение KИfi). 1Iоследствия подстановки полученных в лаборатории значенкй относительной 11ропицаемости в комньютерпую молель без учета значений критической температуры. сnышс которой nлиянис температуры на нефтеотдачу резко снижается. приводят к су щсстнешюй недооценке нефтеотлачн. вплоть до то1·о. что месторождение может счи таться экономически малорентабельным.
Хотя исследования н данной работе провелсны с иснолыованнем мела. принципы
некоторых из изученных аспектоn. например. влияние температуры. применимы и к
песчаниковым коллекторам.
Работа выполнена на образцах из меловых обнажений. Для снижения содержания воды. взятые керны модифицировали с помощью имеющихся в нефти природных по верхностно-активных веществ (ПАВ), таких как жирные кислоты. Таким образом. ими
тировали меловые породы в природных коллекторах нефти. Эти породы менее водона
сыщенны. чем меловые обнажения. за счет адсорбции природных ПАВ на поверхности
пород при взаимодействии с пластовыми флюидами.
Ионы so~- и Mg'+ меняют ~-потенциал (дэета-потенциа.1 IL1U повср.шостный
электрокullt'muчсс•шй потснциа1. nprLw. переводч.). влияя. таким образом. на адсорб
цию жирных кислот ю нефтяной фазы на поверхности кальцита.
Прис~'ТСТВИС ИOIIOB soi смешает поверхшJСТIIЫЙ заряд к отрицательным ЗIШЧеiiИ
ям. замедляя вследствие зтоп1 реакцию с карбоксильными группами жирных кислот (в
данной работе в ка•1естве природно1·о ПАВ 1tспользовал11 стеаршювую кислоту).
С другой стороны. ионы Mg'- возмущают заряд поверхности кальцитil за счет
сродства с гидроксилыюй f11УППО11 вблизи поверхности кальцита. несущей по.тожи тельный заряд. Автором предложен механизм формирования на поверхности гидро
ксильных групп Mg(OH)-. вызываюшtiХ рост рН основного объема раствора с нозмож
ным ~ысообожденисм ионов Са2• и ускорением обменной реакции между ионами Са'·
И Mg·' В KpИCTa.JUIIIЧeCKOЙ решетке КалЬЦИТа.
Во второй части работы рассмотрено влияние температуры на смачиваемость (увеличение) нефтеотдачи. Для этой цели использовали проf11амму моделирования (Eclips) простого коллектора. Результаты показывают существование критической темпе
ратуры, оыше которой необходимо тщательно оценивать генерируемые лаборатор11ые данные, •tтобы избежать обманчивых последствий моделирования нефтеотдачи. приво
дящltХ к 11е;юоценке потенциала месторождения.
"Девартамент тсхнолопш нефте1-азодобычн. Университет г. Ставангер (UiS). 4036
Стананrер. Норвегия. E-mai\: aly.hamouda@uis.no.
(() Хамуда А.А., 2010
(() РГУ вефти и газа именн И.М. Губкина.
2010
Введение
В литературе имеются данные об изменении знака ~-потеннишш с
положительного на отрицательный 11ри заводнении с примененисм
ПАВ [1-3]. Внедавней работе по изучению влияния сульфата и маr·
ния на адсорбцию жирных кислот показано и влияние рН [4]. Авторы обнаружили также изменение поверхностного rютенциала, вьвванно~:
адсорбцией ионов so~- и Mg2+ на поверхности КШ\ЬЦИТа.
Измеренные прогрессирующие краевые углы сма•швш1ия IIЛB
модифицированной поверхности кальцита в присутствии р<ШIИЧIIЫХ
солей (NaCI, MgCI 2 и Na2S04 с концентранней 0,5М) •юказаr1ы 1ш
рис. 1. Видно, что NaCI приводит к наименьшему изменению сма•ш
ваемости. Заметные изменения смачиваемости наблюдаются в при
сутствии солей Na2S04 и MgCI 2 . Интересно отметить, •rто сульфатная
соль уменьшила краевой угол смачивания с 148° to 95° при рН = 5, и
до 88° при рН = 7.Эта тенденция в целом согласуется с наблюдаемы ми зависимостями для других исследованных солей (NaCI и MgCI 2).
Однако при рН > 7 прогрессирующий краевой угол смачивания воз
растает примерно до 100° (при рН = \0). Другими словами, при рН =
= 1О поверхность кальцита приобретает повышенную гидрофобносп.
(олеофильность) в присутствии сульфата, в отличие от других иссле
дованных солей, в присутствии которых рост рН nовышает сродство
к воде (гидрофильность) поверхности кальцита.
5
Акаr.Jеми'и!о.:ая J/c!IЩUЯ в l'П' U\fCIШ Jf.Лf. Гу6кrти. май 200Q r· __ А.Л. Хамула (Унltксрснт.:т ( "т;шанп'JЫ)
4 |
, -------------- 1 . · - · -- · ------ - -, |
||
|
|
|
-=-- S..t: ~--потенцмал СаС01 |
з |
|
|
-- S i ~-потенциал (NaCI) |
|
|
||
|
|
|
|
> 2 |
|
Е- |
|
~ |
|
<: |
о |
$ |
|
о |
|
(l_ |
-1 |
!'! |
|
(!) |
|
N |
-2 |
|
-3 |
|
-4 |
7 |
8 |
10 |
11 |
12 |
|
|
рН |
|
|
Рис 2. Измеренные |
значе11ИЯ |
~-noтeнuиa.Jia (Smoloclюvski) дня 2 вес%, Са('(), |
||
(химической чистоты) в дистиллиrон<Jшюй воде и н 0,1 М rаствоrс Na,S0.1
вых ионов с отрицательным зарядом) на шшерхfюсти KaJIЫlИTa. Од
нако это не объясняет наблюдаемого роста краевого угла смачивания
ПрИ рН > 7 В присутсТВИИ ИОНОВ SQ~-.
Часть 1
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНIШИЯ
ИОНАМИ MG 2+ И SO~- СМАЧИВАЕМОСТИ
ОЛЕОФИЛЬНОП>КАЛЬЦИТА
На рис. 3 виден больший рост рН в системах (ка.;н,цит/0,005М
ПАВ )/0, 1М и (кальшп/0,005М IIЛB )10,1 М Na2S0-1 110 сраннс
нию с pl-1 системы (кальшп/0,005М IIАВ)/дистиллиронанная нода. В
этих экспериментах оuснива:1и также стабилыюсп. рав1ювес1ю1 о pl 1
в обновленном водном растворе. Как видно и·1 ·пого рисунка, чере·1
7
Акш)(•ми•и!сr-:шt ле"'ция f1 Р/"У IL\ti:'HU 11 Л.f Гуfн.:ина, май 2009 г.. А.А. Хамуда (УнивсрснтетСтаваш·еrа)
10
9.5
8.5
'Е 7.5
6.5 . |
|
|
|
-:.>-Дистиллированная вода (неионизированнаА) |
|||||
|
|
|
-<Н!,1М Mg'' |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
..,.,.о,1м so;· |
|
|
|
|
5.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
160 |
||
|
|
|
|
Время, '1 |
|
|
|
|
|
Рис. 3. И1мененис но времени рН раствоrюв в дистиллированной воде.
н Na2SO~ модифиuированной 0,005М ПАВ nоверхности кальuита. Растворы обнонлялись примерно через 50 и 70 часов. при 1том наблюдали блюкис тренды рН
некоторое время равновесное значение рН восстанавливается. В сис
темах кальцит/SО~- и кальцит/ Mg 2+ начальный рост рН происходит
до значений около 9,7 и 8.6. соответственно. В системе калышт/SО~
равновеснос состояние достигается спустя примерно 54 часа при
уровне рН - 8.R. В системе кальцит/Мg2~ равновесное состояние дос
тигается менее •1ем за 8 •rасов при уровне рН- 8.3. Это может св!rде
тельствовать о том. что механизм изменения смачиваемости поверх
ности кальцита связан с изменением (возмушением) рН поверхности.
Сравнение изменений рН модифицированного (кальцит/0.005М
ПАВ) и чистого кальщпа в присутствии 11 в отсутствии ионов Mg 2' и so;- представлено на рис. 3. Для снетем кальцит/дистиллированная
вода и (кальцитmАВ)/дистиллированная вода наблюдается по•rпr
одинаковый ход кривых изменения рН. В системах (кальшп/ПАВ) ·
so~- и (кальщпmАВ )/Mg2~ зна•rеюtя рН выше, чем в системах с
А"адемическая леюtия в PJY имени И. М. Губкина. май 2009 г., А.А. Хамуда (Университет Ставангсра)
чистым кальцитом. В системе (кальцит/ПАВ)/SО~- начальное значе
ние рН выше, но достигаемое равновесное значение несколько ниже,
чем рН в системе кальцит/SО~-.
С целью дальнейшего изучения роста рН nроведено сравнение ре
зультатов эксnеримента и моделирования (рис. 4). Видно, что оба ио
на сnособствуют росту эксnериментальных и теоретических (nолу
ченных с nомошью геохимической модели Phreeqc-06) значений рН.
Однако, nри концентрации О,1М ионов SO~- эксnериментальные
значения рН nримерно на 8 % выше, чем расчетные. Для системы
кальцит/мg |
2+ |
~ |
м |
g |
2+ |
разница со- |
|
nри такои же концентрации ионов |
|
|
ставляет около 2 %. Результаты моделирования nредставлены для
различных концентраций, а эксnериментальные данные взяты как
средние (равновесные) значения измеренных nоказателей рН (рис. 4)
для систем с чистым кальцитом.
|
10 |
|
|
|
|
|
|
---- |
----- |
|
--+-- |
(SO..) м СаСОJПАВ |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
--- (Mg'"Jм саео,mдв |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
---- |
|
|
|
|
|
|
--..- Дмстмпnt~рованнаR вода м СаСОJПАВ |
||||||||||
|
8.5 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
.. |
|
м СаСО, |
|
|
|
|||||
|
9.5 |
|
|
r--- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ (50.) |
|
|
|
||||||
|
9 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
--- [Мg11 м CaCOJ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ __ CaCOJ .. ДМСТМJ'V1Мрое.i1Нмая вода |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:r |
6 |
|
|
[11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
с. |
|
|
i ,(//,.......________ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
7.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
er |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.5- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 -. |
10 |
20 |
|
|
|
40 |
|
|
|
50 |
60 |
70 |
8о |
|
||||||||
|
|
о |
|
зо |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время, часы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Сравнение изменений во времени рН для систем с модифиu рованным
(0,005М ПАВ) кальцитом: кальuит/SО~-, кальuит/Мg2·, кальuи·"дистилли·
рованная вода (представленных на рис. 3) и рН для систем с чистым кальцитом:
SO~- /СаСО3 и Mg2• /СаСО3 с одинаковой О,1М концентрацией ионов
9
Академическая лекция в РГУ имени ИМ Губкина, май 2009 г.. А.А. Хамуда (Университет Ставангера)
Магний
Stumm и Morgan [6] nоказали, что заряд на поверхности оксидных
минералов возникает за счет избыточного заряда, генерируемого nо
верхностью, стремящейся уравновесить изменения в составе раство
ра. Foxal с сотрудниками [7] считают, что роль рН сводится лишь к
КОнтрОЛЮ СОСТаВа ИОННЫХ карбОНаТНЫХ груПП ( COi-, HCQ) ЮIИ
HzCO)), доминирующих в растворе (рис. 5). Stipp [8] (1999) nредло
жил модель модифицированного электрического двойного слоя, со
гласно которой ионы Н+ и онСхемсорбированные на ненасышенную
связь кальцита) nрисутствуют на свободной поверхности между основ-
~ |
~ |
(С |
а |
2+ |
нои структурои кальцита и определяющими потенциал ионами |
|
|
||
и coi-) в слое Штерна. Другими словами, свободная поверхность
|
|
|
|
----С- рН Mg, модель |
|
|
· |
· - |
|
|
|||
|
|
|
|
----- рН so. модеnь |
------- |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
• |
Э.с:п. рН, модель |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
• |
Э•сn. рН, unьцмт+SО. --------- |
|
|
:=~~ -- |
|
|
|
||
|
|
|
|
• |
Э•сn. рН, unьцмт+Мg |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
- -=Е. е: |
-------г |
|
--,·.-~=-=-=-=-=-=~ |
----:-:J |
------- --~ |
~====;~ |
• |
|
|||
|
|
|
|
|
f1lllf |
--~ |
|
|
|
|
|
||
|
|
е |
.-г---- |
|
~~~-- |
~---- |
~~--------------- |
|
|
|
|
|
|
|
|
----7~+ |
----~ |
----~ |
----т |
---- |
~ |
~ |
|
|
|||
|
|
о |
о 02 |
О 04 |
О Of. |
|
оое . |
01 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
(SO,: 1& (М;12+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
')_ |
||
Рис. |
5. СравнеtJие расчетных значений рН nри разных концентрациях S04 и |
||||||||||||
мg-"' |
|
с эксnериментальными значениями рН для систем кальцит/so"4- , каль- |
|||||||||||
цит/Мg2' в О,1М растворе и кальцит/дистиллированная вода. Пунпирные
линииинтерnоляция экспериментальных данных от точки кальцит/дистилли-
рованная вода до эксnериментальных точек кальцит/SО~- и кальцит/Мg2-
\0