Способ введения твердых частиц в природную пористую среду - RU2080448C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способам введения и переноса частиц, в частности микроорганизмов, в природной пористой среде.

Технология добычи нефти, так называемая первичная и вторичная технология, используемая эффективно, приводит к извлечению максимально только 35 40% сырой нефти, содержащейся в пласте. Так называемая третичная технология извлечения заключается в извлечении всей или части этой остаточной нефти, в частности вымыванием водой этой зоны, с целью либо изменения свойств пластовой нефти, либо изменения свойств вымывающей воды путем повышения ее вязкости в результате добавления водорастворимых органических полимеров или в результате смягчения явлений отталкивания между водой и нефтью с помощью добавления поверхностно-активных веществ.

Известная другая технология, иная по замыслу и по применению, заключающаяся в закупорке зон высокой проницаемости пласта, которые очень вредны при извлечении нефти, с помощью высоковязких полимеров, полученных в крайнем случае путем операций структурирования.

Полимерные или поверхностно-активные соединения, используемые при этих разных типах способа, могут быть либо синтетическими, получаемыми химическим путем, либо естественными, получаемыми, например, микробиологическим путем с использованием микроорганизмов, в частности бактерий, способных трансформировать метаболическим путем подходящие углеродсодержащие субстраты такие, как сахары или углеводы.

Эти способы и соединения, например, описаны в патенте США N 3 650 326, предметом которого является способ добычи при поддержании давления, при котором используют водную вымывающую среду, содержащую средство повышения вязкости, получаемое бактериальной культурой, при этом весь остаток средства повышения вязкости, бактерий и культуральной среды вместе вводится в повышающую среду.

В патенте США N 3 598 181 описан аналогичный способ, в котором уточняется важная роль, которую играет анионное поверхностно-активное вещество в образовании средства повышения вязкости.

В патенте США N 3 763 934 описан способ закупоривания проницаемых пластов с использованием различных синтетических полимеров таких, как полиакриламиды, производные целлюлозы, водорастворимые смолы.

В заявке на европейский патент N 073 612 иллюстрируется использование смесей биополимера ксантана и поверхностно-активных веществ типа полигликоля для регулирования подвижности раствора.

Кроме того, уже было предусмотрено производить по месту в пластах биологические поверхностно-активные вещества или биополимеры, необходимые для конкретного предусмотренного применения, путем введения в этот пласт микроорганизмов, подходящего субстрата и питательных элементов. Такие способы, в частности описаны в патентах США N 3 340 930 и 4 522 261.

Успех приготовления ин ситу зависит естественно от выбора соответствующих штаммов, способных развиваться в этой окружающей среде пласта, а также и от способности доставки микроорганизма к месту назначения, т.е. к обрабатываемому пласту таким образом, чтобы на большом расстоянии, которое он должен пройти, он не был бы заблокирован в зоне с малой проницаемостью или по дороге он не встретил бы стимулирующий субстрат роста, который привел к его размножению и/или к получению соединений, образующих пробку, которая может, например, привести к закупорке нагнетательной скважины.

Успех такого способа, следовательно, в большой степени зависит от качества миграции клеток внутри пористой среды, которая имеет значительные колебания поверхности и проницаемости. Эта главная трудность с полной очевидностью поясняет, почему этот тип способа редко использовался нефтяной промышленностью и главным образом в растворе для периферийной части пласта в случае, когда скважина предназначена для окончательного закрытия.

Цель изобретения устранение этого недостатка путем разработки средств, способствующих переносу суспензий частиц, в частности бактериальных, в природные пористые среды.

Эти средства переноса суспензий частиц, в частности бактериальных, в пористых средах были изучены не только в свете способов улучшенного извлечения нефти, но и в свете любого процесса, при котором требуется переносить твердые частицы малого размера в пористых средах, в частности при проблеме реабилитации почв и горизонтов грунтовых вод, для чего может возникнуть необходимость применения и, следовательно, переноса суспензий бактерий, позволяющих получить ин ситу способность к очистке или устранению загрязнения с помощью микробов. Можно также привести пример защиты природных хранилищ, для которых было бы целесообразно использовать биологические системы, улучшающие сохранность хранящихся материалов.

Предметом изобретения является способ введения и распространения твердых частиц малых размеров в природной пористой среде, отличающийся тем, что на первом этапе указанную среду обрабатывают с помощью уравновешенного водного раствора, содержащего по крайней мере одно углеводородное соединение, выбранное среди водорастворимых или вододиспергируемых полимеров и анионных поверхностно-активных веществ, затем на втором этапе в указанную среду вводят пробку из твердых частиц, суспензированных в уравновешенной водной среде, содержащей дополнительно по крайней мере одно углеводородное соединение, выбранное среди водорастворимых или вододиспергируемых полимеров и анионных поверхностно-активных веществ, а на третьем этапе указанную пробку из частиц проталкивают с помощью подходящей водной среды.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по изобретению в проталкивающую среду надо добавлять по крайней мере одно углеводородное соединение, выбранное среди водорастворимых или вододиспергируемых полимеров и анионных поверхностно-активных веществ.

Можно заменить, что углеводородные соединения, используемые в ходе каждого из различных этапов, могут быть одинаковыми или разными. Их природа не зависит от твердой частицы, которая вводится под давлением и распространяется.

Способ согласно изобретению применяется для введения и для распространения внутри пористых сред суспензий частиц малых размеров, так называемых микронных размеров, т.е. диаметр которых в среднем меньше или равен примерно 10.10^-6м. Выбор вводимых частиц будет зависеть от конкретного предусмотренного случая применения. Эти частицы могут иметь природное происхождение и/или минеральное, например, бентониты, глины или латексы. Они могут быть образованы при предпочтительном варианте осуществления способа бактериальными клетками, способными производить ин ситу соединения, позволяющие должным образом обрабатывать пористую среду, в которую они введены.

В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению в качестве частиц используют жизнеспособные бактериальные клетки, не являющиеся патогенными, которые применяются в условиях, исключающих их размножение.

Эти бактериальные клетки могут представлять собой, например: палочки или грамотрицательные аэробные кокки семейство Pseudomonaceae (типа Pseudomonas
Xanthomonas); семейство Halobacteriaceae (родов Halobacterium Halococcus)
возможно анаэробные грамотрицательные палочки семейства Enterobacteriaceae; семейства Vibrionaceae;
анаэробные грамотрицательные бактерии; вид Desulfovibrio,
хемиолитотрофные грамотрицательные бактерии; семейство Nitrobateriaceae; родов Thiobacillus/Sulfolobus;
бактерии-продуценты метана; семейство Methanobacteriaceae;
грамотрицательные необязательные анаэробные кокки или же аэробные; семейство Micrococcaceae; семейство Streptococcaceae (род Leuconostoc);
палочки и кокки, образующие эндоспоры; семейство Bacillaceae (родов Bacillus Clostridium);
грамположительные бактерии, не образующие спор в форме палочек; семейство Lactobacillaceae;
грамположительные бактерии, относящиеся к актиномицетам и родственным группам; семейство Aclynomycetaceae; семейство Nocardiaceae; семейство Micromonosporaceae; семейство Streptomycetoceae.

Растворы или водные среды, используемые в способе, должны быть уравновешены. Под уравновешенным понимают в настоящей заявке раствор или водную среду, совместимую с водой обрабатываемой пористой среды. Этого можно достичь, например, путем добавления к используемой среде или раствору основных солей, находящихся в обрабатываемой пористой среде. Присутствие солей в составе суспензии важно для специфического распространения введенных в состав пористой среды частиц. В самом деле, оно предотвращает движение глин или любой другой коллоидной частицы, присутствующей в пористой среде, и, кроме того, сохраняет целостность переносимых частиц, в частности если речь идет о бактериальных культурах, ограничения явления осмотического набухания. Важно, чтобы вводимая текучая среда была совместима с химической природой обрабатываемой пористой среды. Ионный состав текучей среды, например, может представлять собой ионный состав восстановленной пластовой воды, содержащей MgCl₂, 6H₂O; CaСl₂, 2H₂O; K₂SO₄; Na₂SO₄; FeSO₄, 7H₂O; NaCl. Он может быть в некоторых случаях очень упрощен и может использовать только одну соль (NaCl) или смесь двух солей NaCl и CaCl₂, пропорцию которой можно изменять в зависимости от природы подлежащей обработке пористой среды.

Углеводородное соединение, используемое на одном из этапов, может представлять собой анионное поверхностно-активное вещество, которое используют без примесей или в смеси с другими анионными или неионными поверхностно-активными веществами. Общая концентрация поверхностно-активных веществ обычно будет заключаться в пределах от 10^-5 моль. 1^-1 до 10^-1 моль. 1^-1 и предпочтительно от 10^-5 до 10^-3 моль. 1^-1. Концентрация поверхностно-активного вещества в водной среде будет зависеть от выбора поверхностно-активного вещества и геохимической природы подлежащей обработке свиты пластов: pH и солености свиты пластов, в частности. Например, концентрация поверхностно-активного вещества и общее количество, подлежащее введению, зависит от засоленности пластовой воды, т.е. содержания в ней катиона щелочного металла и содержания в ней катионов щелочно-земельных металлов. Чем выше будет концентрация катионов щелочно-земельных металлов, тем выше количество подлежащего введению поверхностно-активного вещества и, следовательно, его концентрация во вводимой под давлением водной среде будет высокой. Напротив, если засоленность вызвана повышенной концентрацией катиона щелочного металла, то количество поверхностно-активного вещества, необходимого для способа, будет относительно менее значительным, чем в присутствии катионов щелочно-земельных металлов.

В качестве анионного поверхностно-активного вещества можно использовать, например:
мыла жирных кислот такие, как соли натрия или калия насыщенных жирных кислот или ненасыщенных в C₁₀-C₂₄, или таких производных аминокарбоновых кислот, как N-лаурилсарконизат натрия;
сульфаты и сульфатсодержащие продукты такие, как алкоилсульфаты щелочных металлов типа лаурилсульфата натрия полиоксиэтиленсодержащие сульфаты жирных спиртов, сульфаты полиоксиэтиленсодержащих алкоилфенолов, полиоксиэтиленсодержащие сульфаты арилалкилфенолов;
сложные фосфорные эфиры оксиэтиленсодержащих производных такие, как полиоксиэтиленсодержащие фосфаты жирных кислот, фосфаты полиоксиэтиленсодержащих алкоилфенолов, полиоксиэтиленсодержащие фосфаты арилалкилфенолов;
сульфонаты щелочных металлов такие, как алкоилсульфонаты, например, сложные алкилсульфоэфиры кислот с C₄-C₃₀ типа диалкилсульфосукцинат натрия, алкоил-бензол-сульфонаты такие, как нонилбензолсульфонат натрия и додецилбензолсульфонат натрия, и лигносульфонаты.

Естественно, когда будут вводить бактериальные клетки, необходимо следить за выбором поверхностно-активного вещества, не токсичного по отношению к указанным клеткам и совместимого с подлежащей обработке пористой средой.

Углеводородсодержащее соединение, используемое в ходе одного из этапов, может представлять собой водорастворимый или вододиспергируемый полимер, повышающий вязкость, с высокой молекулярной массой. Присутствие этого полимера позволяет, в частности, стабилизировать суспензию частиц. Под повышающим вязкость полимером с высокой молекулярной массой понимают полимер, имеющий массу свыше 500.000 дальтон и предпочтительно в пределах от 1 до 10 млн дальтон. Этот полимер должен быть нечувствительным к воздействию возможно присутствующих бактерий.

В качестве примера полимеров, применимых при способе согласно изобретению, можно привести:
синтетические полимеры такие, как частично гидролизованные полиакриламиды, сополимеры акриламид-акриловая кислота, сополимеры акриламид-акрилат, солесодержащие полиметакрилаты, частично гидролизованные полиакрилонитрилы, полистирол-сульфонаты, сополимеры сульфостирол-малеиновый ангидрид и т.д.

биополимеры такие, как ксантан, склероглюкан, декстран, полиоксибутираты (РОБ), маннаны, пуллулан, курдлан, и т.д.

производные целлюлозы: карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), карбоксиметилокси-этилцеллюлоза;
природные полимеры: гуммиарабик, альгинаты.

Содержание полимера в водной среде для введения под давлением обычно должно находиться в пределах от 10 до 5000 ч. на миллион и предпочтительно от 50 до 450 ч. на миллион.

Предпочтительным полимером способа согласно изобретению будет полиакриламид (ПАА), частично гидролизованный. Степень гидролиза будет обычно заключаться в пределах 10 70 и предпочтительно 15 35
В варианте способа согласно изобретению водная вводимая под давлением среда для частиц в ходе второго этапа содержит наряду с солями смесь водорастворимых или вододиспергируемых полимеров и анионного поверхностно-активного вещества. Содержание в водной среде, вводимой под давлением, полимеров и поверхностно-активных веществ должно быть аналогично вышеуказанному для способов, при которых используются поверхностно-активное вещество или один полимер.

Можно также с выгодой использовать смесь полимер-поверхностно активное вещество в ходе первого этапа подготовки.

Количество суспензий частиц, в частности бактерий, которое должно быть введено под давлением, должно соотноситься с обрабатываемым пористым объемом. В случае обработки месторождения нефти речь будет идти о зонах с высокой проницаемостью, которые обычно составляют максимально несколько процентов от общего объема пористой среды. Количество вводимой под давлением суспензии должно учитывать этот обрабатываемый пористый объем, также как и в определенной степени пористый объем промежуточной зоны, т.е. расстояния, отделяющего зону введения под давлением от обрабатываемой зоны. Количество переводимых в суспензию частиц обычно заключается между 10⁵ и 10¹⁰ частиц на см³.

При осуществлении данного способа сначала вводят водную текучую среду, содержащую углеводородные соединения без частиц, затем под давлением водную среду, содержащую весь комплекс элементов, при этом общее количество поверхностно-активного вещества и/или полимера должно быть достаточным для обеспечения хорошей обработки зон, через которые суспензия частиц должна проходить. В общем полный объем раствора водной текучей среды, используемой для обоих первых этапов, редко будет превышать 30% от общего объема пористой среды и часто будет ниже 20% от этого объема, при этом количество углеводородного соединения будет оптимизировано в зависимости от удельной поверхности пористой среды.

Объем вводимой под давлением суспензии во время второго этапа, т.е. пробка, должно в общем составлять от 10 до 50% от вводимого под давлением объема в ходе первого этапа и обычно от 2 до 10 от общего объема пористой среды.

Нижеприведенные примеры 1 4 относятся к бактериям, принадлежащим к семейству Streptococcaceae, и более конкретно к виду Leuconostoc. Речь идет о бактерии Leuconost oc mesenteroi des.

Примеры 1 4. Опыты были проведены в лабораторном устройстве, в котором колонка длиной 18 см с внутренним диаметром 2,54 см заполнена песком Entraygues и имеет объем порового пространства в 45 см³(V_п).

Этот песок с очень высоким содержанием кремнезема (98% кремнезема) содержит очень мало глины и не требует предварительной обработки с целью предотвращения нарушений в измерениях, проводимых на восстанавливаемых пористых средах.

Частицы представляют собой бактерии Leuconostoc Mesenteroides, культивируемые на среде на базе глюкозы и состоящий из обычных питательных элементов. В конце экспоненциальной фазы культуры центрифугируют со скоростью 9500 об/мин в течение 15 мин и промывают в растворе NCl 01 H. Три цикла центрифугирования-суспензирования позволяют устранить компоненты культуральной среды, которые могли бы нарушить последующие измерения.

Используемый полимер представляет собой полиакриламид типа BASF SEPAFLOOD, гидролизованный на 25% разбавленный до 250 ч. на 1 млн в водном растворе (PAAH).

Используемое поверхностно-активное вещество анионного типа представляет собой додецилсульфат натрия (ДСН) при концентрации 10^-3 М/л.

Способ поясняется чертежом, на котором изображено лабораторное устройство.

Это устройство включает: резервуары 1-3, содержащие текучие среды, последовательно вводимые в колонку 4, заполненную требуемой пористой средой 5; систему капилляров 7, в которых циркулируют текучие среды, перемещаемые шприцевым насосом 6; инжекционный клапан 8, имеющий шесть каналов и два положения, который позволяет вводить известный объем суспензии 5, содержащийся в инжекционном контуре 9; колонку пористой среды 5, уплотненной или нет, снабженную диспергирующими наконечниками 10 и 10^', способными распределять текучую среду на входе и на выходе колонки и обеспечивающими циркуляцию как растворенных веществ, так и вводимых под давлением частиц; два последовательно расположенных детектора один УФ спектрофотометр 11, отрегулированный на 280 нм, который обеспечивает измерение оптической плотности, коррелируемой с концентрацией частиц, и измеритель проводимости 12, который позволяет регистрировать изменения солености в эффлюенте; коллектор фракций 13, который позволяет провести впоследствии дополнительные измерения на эффлюенте; датчик давления 14 на зажимах колонки, позволяющий оценивать потерю напора.

В примере 1 песок Entraygues, образующий пористую среду, в ходе первого этапа промывали соляным раствором NaCl 0,1 М/л до получения устойчивого состава в эффлюенте.

В ходе второго этапа через инжекционной контур вводят пробку частицы с концентрацией 5 7.10⁸ частиц на см³ суспензии в соляном растворе, идентичном раствору из первого этапа, причем этот вводимый объем соответствует 2% объема порового пространства колонки (45 см³). Колонку обеспечивают постоянным протоком раствора с постоянным расходом 0,2 см³ мин.^-1, что позволяет осуществлять перемещение путем проталкивания пробки частиц.

В примере 2 заменяют для всех этапов соляные растворы одним раствором NaCl 0,1 М/л с добавлением 250 ч. на 1 млн РААН.

В примере 3 заменяют для обоих этапов соляной раствор раствором NaCl 0,1 М/л с добавлением ДСН 10^-3М.I^-1.

В примере 4 повторяют пример 1, заменяя соляной раствор соляным раствором NaCl 0,1 М/л с добавлением 250 ч. на 1 млн РААН и ДСН 10^-3М.I^-1.

Рабочие условия каждого из этих примеров и полученные результаты, выраженные в процентах, восстановления вводимых под давлением частиц (число извлеченных частиц число частиц) путем измерения оптической плотности после эталонирования сводятся в табл.1.

Отмечается, что в отсутствии анионных углеводородных соединений по способу согласно изобретению достигают закупорки колонки и почти полное удержание бактерий в пористой среде, что соответствует увеличению потери напора внутри колонки (пример 1), в то время как это увеличение внутри колонки почти равно нулю в примерах 2-4, что соответствует великолепному процентному значению восстановления.

Примеры 5 22. Тот же самый опыт был проведен с различными углеводородными соединениями на нескольких типах твердых частиц (бактерии Leuconostoc mesenteroides, бактерии Bacillus subtilis, бентонит).

Рабочие условия различных этапов и полученные результаты для каждого из примеров фигурируют в табл. 2, при этом общие условия экспериментов и используемые сокращения в табл. 2 будут следующими:
1) этап обработки:
объем выражается в V_п, т.е. полный объем пористого пространства среды;
среда для обработки по-прежнему включает NaCl 0,1H, который не упомянут в табл. 2 с добавлением в крайнем случае: додецилсульфата натрия, 10^-3 моль/л сокращенно S; полиакриламида, гидролизованного до 30% 250 ч. на 1 млн: сокращенно P; 2) этап закачивания пробки:
объем пробки равен 0,02 V_п;
среда для закачивания включает в качестве частиц мезентероидные бактерии Leuconostoc, т. е. 10¹⁰ бактерий на мл в примерах 5-16 кроме примера 13, в котором было введено 10⁹ бактерий на мл сокращенно L;
2,5•10⁹ бактерий Bacillus subtilis на мл в примерах 17 и 18 - сокращенно B;
100 ч. на 1 млн бетонита в примерах 19-21 сокращенно b.

Закачиваемая среда всегда содержит NaCl 0,1 H (не упомянуто) и в крайнем случае продукты, названные S и P, в тех же самых количествах или лигносульфонаты натрия в количестве 250 ч. на млн сокращенно l;
3) среда, обеспечивающая напор:
водный раствор всегда должен содержать NaCl 0,1 H и в крайнем случае продукты P и l, указанные выше, в тех же самых количествах.

Восстановление закачиваемых частиц в форме пробки оценивается на выходе из пористой среды через количество извлеченных частиц на один объем среды, обеспечивающей напор, равное 1 V_п, выраженное в процентах по отношению к закаченному количеству (в табл. 2 "нас" обозначает среду, насыщенную водной средой для подготовки).

Сравнение результатов, полученных при различных экспериментах, показывает роль, которую играют каждый из разных этапов способа, а также влияние одновременного применения полимера и поверхностно-активного вещества.

Опыты 5 8 демонстрируют слабую эффективность способа при использовании углеводородного соединения только в ходе одного из этапов. Только подготовка с двукратным объемом пор, несовместимая с разумным осуществлением способа (опыт 6), обеспечивает значительный перенос частиц.

Напротив, как только все три этапа используют последовательно (опыты 11
14), обеспечивается перенос по крайней мере 50% частиц после напора однократным объемом пор.

Преимущество этапа подачи напора конкретно продемонстрировано опытами 19 21. От почти нулевого восстановления при закачивании бентонита без добавок переходят к объему пор в 33% в результате осуществления данного способа полностью.

Использование Bacillus (опыты 17 и 18), представляющих собой частицы, в два раза более крупные, чем Leuconostoc, возможно. Однако восстановление, хотя и существенное, менее значительно 26,5% по сравнению с 50% в среднем, полученными ранее.

Лигносульфонат натрия оказывается хорошим продуктом при условии, если его использование не создает проблем токсичности (опыты 14 и 15).

Реферат

Использование: способы закачивания и переноса частиц малых размеров в природную пористую среду и может быть использовано в технологии добычи нефти, в частности третичной технологии добычи нефти или закупорке зон высокой проницаемости пласта. Сущность изобретения: промывают природную пористую среду совместимым с ней водным раствором, содержащим по меньшей мере одно углеводородное соединение, выбранное из группы водорастворимых полимеров, вододиспергированных полимеров или анионных поверхностно-активных веществ. Затем закачивают в природную пористую среду пробку из частиц, суспензированных в совместимой с пористой средой водном растворе, содержащем по меньшей мере одно аналогичное углеводородное соединение. На третьем этапе проталкивают пробку внутрь пористой природной среды. 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Формула