Применение наночастиц для повышения нефтеотдачи: экспериментальная работа и выводы

Завершая цикл публикаций, посвященных переводу статьи «Интерпретация механизмов применения наночастиц в повышении нефтеотдачи«, сегодня мы разберем результаты экспериментальной работы авторов и выводы, к которым они пришли в результате своих исследований.

В предыдущем исследовании Эль-Дайсти изучал возможность частиц нанокремнезема улучшать нефтеотдачу пластов Бахарии в Египте. Для этого был отобран образец керна песчанистых пластов Бахарии (Западная пустыня, Египет). Этот образец был обрезан, отторцеван и отшлифован, как показано на рисунке ниже.

Для очистки и сушки образцов керна были использованы аппарат Дина-Старка и термостат, показанные на Рисунках 9 и 10.

Также для образцов керна были произведены замеры пористости и проницаемости, результаты которых приведены в Таблице 1.

Для моделирования пластовых условий образцы керна были обработаны. Для моделирования связанной водонасыщенности была использована минерализованная вода той же солености (концентрация NaCl – 65,000 млн–1 или 65 г/л), что и пластовая вода. Для моделирования горного давления были применены сырая нефть плотностью 891 кг/м³ и давление обжима керна около 750 фунт-сила/дюйм² (~ 5,17 МПа).

Для закачки минерализованной воды с расходом 0,2 см³/мин с целью вытеснения нефти была использована установка для заводнения керна, показанная на Рисунках 11 и 12.

При повторном исследовании образцы керна были вновь подготовлены к пластовым условиям, и для вытеснения нефти была применена закачка наносуспензии с частицами кремнезема различного размера (5, 20, 40, 60 нм), с разной массовой концентрацией (0.01–0.5–3%) и с расходом 0,2 см³/мин.

Результаты и их анализ

Процентная доля извлеченной нефти при различном соотношении размера наночастиц и их содержания приведена на Рисунке 13 и показана на Рисунке 14.

На Рисунке 15 показана зависимость коэффициента извлечения нефти от выраженного в объеме пор объема закачиваемой жидкости с 3% массовым содержанием наночастиц размером в 20 нм; при таком соотношении размера наночастиц и их массового содержания достигается максимальная нефтеотдача.

Из точек прорыва Рисунка 15 видно, что вытеснение нефти с использованием традиционного заводнения позволяет добыть 36% нефти от начальных геологических запасов (НГЗ), в то время как заводнение наносуспензией (при 3% массовом содержании наночастиц размером в 20 нм) позволяет добыть 67% нефти от НГЗ. Таким образом, это подтверждает тот факт, что наносуспензия способна лучше вытеснять нефть, чем вода.

Как было упомянуто ранее, существует ряд параметров, влияющих на процесс вытеснения наносуспензиями. Двумя основными параметрами является размер наночастиц и их содержание.

Результаты этого исследования (Рисунок 13) и теория показывают, что увеличение размера наночастиц приводит к их удержанию и закупориванию пор, что в свою очередь уменьшает количество извлеченной нефти. В то время как с уменьшением размера наночастиц увеличиваются силы электростатического отталкивания между ними, что является причиной более высокого расклинивающего давления, которое повышает нефтеотдачу. В то же время, слишком мелкий размер наночастиц может привести к засорению пор, их забиванию и снизить нефтеотдачу.

Кроме того, содержание наночастиц играет важную роль в процессе добычи: чем выше содержание наночастиц, тем больше их удержание; также большое содержание наночастиц способствует уменьшению поверхностного натяжения, усилению электростатического отталкивания и возрастанию расклинивающего давления. В то время как чем ниже содержание наночастиц, тем более стабильная наносуспензия и рентабельнее ее использование.

Таким образом, очевидно, что экспериментальное исследование характеристик должно быть проведено для каждого пласта с целью выявления оптимального содержания наночастиц и их размера для конкретного пласта. Эль-Дайсти пришел к выводу, что для пластов Бахарии с целью увеличения нефтеотдачи наиболее оптимально использовать наносуспензию с 3% массовым содержанием наночастиц размером в 20 нм.

Выводы

Настоящее исследование по применению нанотехнологий в повышении нефтеотдачи пластов привело к нескольким выводам, которые важны с точки зрения авторов:

1. Наночастицы могут резко повышать нефтеотдачу за счет улучшения свойств как закачиваемой жидкости (повышения вязкости, плотности, снижения поверхностного натяжения, улучшения эмульгирования, теплопроводности и других тепловых свойств), так и свойств, связанных с взаимодействием пласта с флюидом (смачиваемости и коэффициента теплопередачи).
2. Наночастицы были разработаны для различных областей применения в разработке месторождений и повышении их нефтеотдачи. Использование наночастиц в повышении нефтеотдачи объясняется их небольшими размерами по сравнению с размером поровых каналов; таким образом, они могут легко перемещаться в пористых породах без сильного влияния на проницаемость.
3. Использование наночастиц размером порядка от 1 до 100 нм открывает возможности для конкретных тепловых, оптических, электрических, реологических и межфазных свойств, которые непосредственно полезны для высвобождения защемленной нефти из поровых пространств низкопроницаемых коллекторов размером порядка от 5 до 50 микрометров. Преимущества наночастиц в повышении нефтеотдачи может быть обобщено в трёх основных подходах: нанокатализаторы, наноэмульсии и наносуспензии.
4. Наносуспензии представляю собой стабильные коллоидные системы, ускоряющие процесс добычи углеводородов из нефтеносных пластов за счет уникального механизма поддержания расклинивающего давления, а также за счет изменения смачиваемости и временного забивания поровых каналов.
5. При закачке наносуспензии некоторые параметры могут оказывать влияние на прирост нефтеотдачи.
6. Прирост нефтеотдачи за счет закачки наносуспензии возрастает, поскольку содержание наночастиц увеличивается. Тем не менее, с увеличением содержания наночастиц происходит снижение проницаемости. Таким образом, для получения максимальной нефтеотдачи за счет закачки наносуспензии в поровое пространство необходимо оптимальное содержание наночастиц.