Исследование влияния электрохимической активации минерализованных вод на фильтрационные характеристики насыщенных пористых сред (стр. 2 )

В опытах по исследованию процессов при воздействии постоянного электрического тока на минерализованные воды ставилась задача определения показателя рН при различных значениях силы тока и напряжения, увеличения температуры электролита, объема газов.

Опыты проводились на установке, состоящей из стеклянной емкости, электродов, счетчика газа, токопроводов, источника постоянного тока, рН-метра. Эксперименты проводились следующим образом. В емкость заливается модель пластовой воды (либо пластовая вода) и опускаются электроды, к которым подается потенциал. Фиксируются изменения температуры воды, объема выделяющихся газов, силы тока и напряжения. После каждого опыта определяется показатель рН воды.

Опыты показали, что независимо от исходной концентрации электролита, подаваемого напряжения, расстояния между электродами происходит быстрый нагрев электролита, сопровождаемый выделением газа. В опытах с моделью пластовой воды расстояние между электродами составляло 0,5 см, объем воды – 500 см3. Максимальное увеличение рН (до 12,5) с минимальным выпадением осадка выявлено при времени воздействия t=60 мин. и малых значениях напряжения и силы тока (5 В и 0,5-1 А). Увеличение плотности воды в опытах по ЭХВ с медными электродами составило от 1136 до 1139 кг/м3, вязкости – от 1,51 до 1,57 сПз.

Температура раствора возрастает практически по линейному закону. Причем, с увеличением напряжения происходит увеличение температуры водного раствора примерно в 1,2-1,5 раза (рис. 1). Чем больше значение подаваемого напряжения, тем выше скорость роста температуры, что соответствует закону Джоуля-Ленца. Линейное увеличение температуры со временем наиболее заметно при высоких напряжениях, когда нагрев электролита происходит наиболее интенсивно и влияние теплообмена с окружающей средой является незначительным.

Рис. 1 – Изменение температуры раствора со временем при разных значениях напряжения на электродах

Измерения объемов образующихся газов (водород и хлор) показали, что объем газов линейно увеличивается по времени. Чем больше значение подаваемого напряжения, тем больше объем газов. Сравнение экспериментальных значений объема газов с расчетными объемами (по закону Фарадея), показывает, что первые на 8-16 % меньше. Эта разница обусловлена побочными реакциями, протекающими в растворе и на электродах. Выход по току для газов составляет около 90 %, что соответствует литературным данным.

Водородный показатель вначале растет тем быстрее, чем больше напряжение. Это связано с тем, что при больших напряжениях, за счет больших значений силы тока, электролиз происходит более интенсивно и в растворе образуется больше ионов гидроксила. В последующем (через 20 минут) рост pH прекращается и его значение стабилизируется. Это можно объяснить ростом температуры и увеличением газонаполнения электролита, приводящими к более интенсивному перемешиванию раствора. Часть хлора образует водный раствор соляной кислоты, которая частично нейтрализует едкий натр, тем самым уменьшается прирост рН.

В зависимости от состава пластовой воды при ЭХВ на минерализованную пластовую воду происходит как увеличение, так и уменьшение рН воды (табл. 1). Для пластовых вод с повышенным содержанием хлоридов ЭХВ смещает рН в сторону кислотности. Повышение содержания HCO3 при снижении содержания хлоридов приводит к щелочному эффекту ЭХВ. Значение водородного показателя изменяется в течение длительного промежутка времени (рис. 2).

Таблица 1 – Исходный состав образцов пластовых вод

Рис. 2 – Изменение рН образцов воды после ЭХВ со временем

Исследования по ИПВ на пластовую воду проводились на стенде ИПВ – это установка, состоящая из герметичной колонны, внутри которой находится изолированные стальной анод и углеродный (нерастворимый) катод. Стенд ИПВ оснащен комплексом приборов для наблюдения за характеристиками процесса. Для проведения испытаний использован специальный источник питания, позволяющий обеспечить бесступенчатое регулирование выходного напряжения постоянного тока.

Колонна стенда заполнялась пластовой водой, состав которой включал катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH+, всего – 7888 мг/л, анионы Cl-, SO42-, CO32-, HCO3-, всего – 12061 мг/л. Напряжение, подаваемое в зону реакции изменялось от 5 до 65 В. ИПВ проводилось при полном погружении электрода в воду. Рост температуры и давления происходил плавно, наблюдались скачки показаний напряжения и силы тока. Они обусловлены электрическими разрядами в газовых пузырьках, образующихся вокруг электрода в электролите. При увеличении разности потенциалов был слышен стук – звуки электрических пробоев с максимумами показаний на вольтметре (до 50 В) и амперметре (до 30 А). Это говорит о реализации режима ИПВ.

В результате ИПВ образец пластовой воды содержит хлопья темного (ржавого) вещества, выпадающие в осадок. Результат рентгено-флюоресцентного анализа осадка указывает на то, что осадок состоит в основном из солей железа, полученных в результате анодного растворения материала электрода. В составе окисленных металлов содержится: железа 88,2 %, натрия 4,6 %, марганца и меди по 0,3 %, кремния и хрома по 0,2 %, никеля и других металлов менее 0,1 %.

Измерения на рН-метре показали, что пластовая вода без внесения в нее дополнительных химических реагентов вследствии ИПВ превращается в активный раствор с преобладающими кислотными свойствами. Так, значения водородного показателя меняются от исходного рН=7,5 до рН=6,4 (время воздействия 55 минут) и рН=4,5 (171 минута воздействия). В результате подобного воздействия она изменяет свою плотность, вязкость, химический состав и другие свойства.

Результаты экспериментальных исследований ЭХВ и ИПВ на пластовые воды показали, что в зависимости от параметров воздействия (сила тока, напряжение и время) и материалов электродов (растворимые и нерастворимые) возможно получение активных водных растворов в широком диапазоне значений рН (от 1,5 до 12,5).

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по определению влияния электрохимически активных водных растворов на фильтрационно-емкостные характеристики пород, которые включили в себя определение показателя смачиваемости пород, снятие кривых капиллярного давления, измерение удельного электрического сопротивления, определение межфазного натяжения на границе раздела флюидов. Помимо этого выполнялось лабораторное моделирование процесса вытеснения нефти водой и водой после ЭХВ с определением относительных фазовых проницаемостей (ОФП) и коэффициента нефтевытеснения.

Первая серия экспериментов проводилась по трем направлениям: исследования изменения кривых капиллярных давлений методом центрифугирования, удельного электрического сопротивления и смачиваемости образцов керна, насыщенных активной водой.

Эксперименты показали, что при одних и тех же величинах капиллярных давлений Рк образцы керна песчаника, насыщенные водой после ЭХВ с щелочным рН, удерживают большее количество воды, чем при насыщении исходной пластовой водой (рис. 3). Значение остаточной водонасыщенности, отражающее изменения, происходящие в очень малых порах, для образцов керна песчаника также больше в случае насыщения водой после ЭХВ. Следовательно, активная вода с щелочным рН изменяет смачиваемость поверхности среды в гидрофильную сторону, что является благоприятным фактором при вытеснении ею нефти.

Электрические свойства пород-коллекторов связаны со степенью их смачиваемости. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) частично водонасыщенных пород зависит от характера распределения минерализованной воды в поровом пространстве и от водонасыщенности, определяющей долю объема пор, в которых возможно прохождение электрического тока. С уменьшением водонасыщенности площадь поперечного сечения, сквозь которую протекает электрический ток, уменьшается, а длина линий тока увеличивается.

Рис. 3 – Зависимость капиллярного давления от водонасыщенности

Измерение УЭС образцов керна производилось по компенсационной мостовой схеме с использованием моста переменного тока. Эксперименты показали, что УЭС образцов керна имеют меньшие значения в случае насыщения их водой после ЭХВ с щелочным рН, чем при насыщении минерализованной водой с нейтральным рН. Уменьшение УЭС может происходить за счет улучшения смачиваемости поверхности водой, когда покрытие ее водой становится менее прерывистым. Значит, вода после ЭХВ лучше смачивает породу, следовательно, заполняет более мелкие поры и капилляры, что удлиняет токопроводящие водные каналы, тем самым уменьшая УЭС образцов.

Из литературы известно, что кривые параметра насыщения Рн (отношение УЭС частично водонасыщенной породы к УЭС полностью водонасыщенной породы) от водонасыщенности для гидрофильной и гидрофобной породы различны как по наклону, так по направлению изгиба линий. Кривые параметра насыщения для гидрофильной породы ниже при определенной водонасыщенности и изменяются незначительно, в то время как при лучшей смачиваемости породы нефтью при той же водонасыщенности – выше.

Сравнение зависимостей Рн от водонасыщенности при насыщении образцов керна водой и водой после ЭХВ с рН=9,04 показывают, что значения параметра насыщения для песчаника ниже при их насыщении водой после ЭХВ (рис. 4). Для образцов керна известняка эффект от насыщения активной водой не наблюдался.

Сравнения экспериментальных данных определения показателей смачиваемости δн и δв (δ – отношение вытесненного объема жидкости при самопроизвольной пропитке керна к общему объему жидкости, вытесненному как при пропитке, так и при принудительном вытеснении) образцов керна методом Амотта при использовании модели пластовой воды и воды после ЭХВ с рН=10,16 (рис. 5) показали, что активный водный раствор повышает гидрофильность пород.

Рис. 4 – Зависимости параметра насыщения от водонасыщенности

Рис. 5 – Сопоставление экспериментальных данных определения показателей смачиваемости δн и δв пород методом Амотта с водой с нейтральным рН и водой после ЭХВ с щелочным рН

Определение межфазного натяжения на границе раздела жидкостей (нефть – активная вода) производилось методом счета капель на сталагмометре. Эксперименты проводились с использованием пластовой воды и модели пластовой воды плотностью 1140 кг/м3. Были подобраны три образца нефти из терригенных пластов с известными значениями плотности и вязкости.

Результаты экспериментальных измерений показали, что во всех случаях при использовании воды после ЭХВ с щелочным рН наблюдалось снижение межфазного натяжения. В активной воде капля каждого образца нефти вытягивалась из капилляра и отделялась с длинной шейкой. Капли нефти в воде после ЭХВ были мелкими и отделялись от кончика капилляра за гораздо меньшее время, чем в воде. Это говорит о том, что нефть образует эмульсию в активной воде.

На рис. 6 приведены полученные экспериментальные зависимости межфазного натяжения от значения рН активной воды с щелочным рН. Графический вид данных зависимостей схож с видом аналогичных зависимостей при использовании щелочного раствора, указанных в литературе. Полученные результаты экспериментов не имеют противоречий с известными работами: повышение значения рН водного раствора способно уменьшить межфазное натяжение на границе контакта между флюидами. Разница состоит в том, что изменение значения рН обычно достигается введением в воду реагентов, а в данной работе – путем ЭХВ на пластовую воду.

Рис. 6 – Зависимость межфазного натяжения на границе «нефть-вода» от рН воды после ЭХВ

При проведении опытов наблюдалось, что образцы нефти 1 и 2 при смешивании с водой после ЭХВ практически самопроизвольно диспергируются, образуя мелкодисперсную, устойчивую эмульсию. Капля нефти этих образцов на поверхности воды после ЭХВ с щелочным рН вытягивается, становится неровной, т. е. наблюдается практически мгновенное снижение межфазного натяжения. Капля нефти разбивалась на мелкие, окруженные переходным слоем, капли, у ее поверхности раздела с окружающей водой после ЭХВ формировался мутный переходной слой.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4