Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАЗРАБОТКИ НЕОДНОРОДНОГО НЕФТЯНОГО ПЛАСТА

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к микробиологическим и гидродинамическим способам повышения нефтеотдачи пластов.

Известен микробиологический способ извлечения нефти из обводненных пластов, предусматривающий стимуляцию размножения в пласте микроорганизмов путем чередования закачки воды и водных растворов солей азота и фосфора (патент США №4475590, Е21В 43/22, опубл. 09.10.1984 г.). Известный способ обладает существенным недостатком - без дополнительного введения кислорода в пласт активация пластовой микрофлоры происходит крайне медленно, так как в закачиваемой воде содержание растворенного кислорода составляет 5 г/м³ в летнее время. Кроме того, при наличии в призабойной зоне обрабатываемой скважины сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) закачка неаэрированного или слабоаэрированного раствора питательных веществ стимулирует развитие СВБ, что, соответственно, ведет к образованию сероводорода и коррозии нефтепромыслового оборудования.

Также известен способ, предусматривающий активацию пластовой микрофлоры путем чередования аэробной стадии с анаэробной. На аэробной стадии вводят водовоздушную смесь с содержанием растворенного кислорода 71,4-714 г/м³ (0,05-0,5 м³/м³) и минеральных солей (фосфатов и хлористого аммония), а на анаэробной - закачивают неаэрированную воду. На первой (аэробной) стадии осуществляют активацию естественной пластовой микрофлоры, представленной аэробными углеводородокисляющими бактериями (УОБ), которые перерабатывают часть пластовой нефти с выделением промежуточных продуктов окисления - спиртов, кислот, биоПАВ и биополимеров, а также СО₂. Активацию микрофлоры призабойного пространства нагнетательной скважины осуществляют путем закачки в пласт водовоздушной смеси, полученной при давлении насыщения воды воздухом 10,0 МПа. На второй стадии (анаэробной), когда в пласт закачивают пресную воду, сообщество анаэробных бактерий преобразует часть окисленных продуктов нефти, биомассу УОБ в углекислый газ и метан, которые, растворяясь в нефти, снижают ее вязкость и тем самым улучшают условия ее вытеснения (а.с. СССР №1483944, C12N 1/26, опубл. 20.05.1989 г.).

Недостатками данного способа являются высокое содержание 71,4-714 г/м³ кислорода в водовоздушной смеси, предназначенной для стимуляции углеводородокисляющих бактерий, и необходимость применения компрессоров высокого давления. Как показали проведенные исследования, при содержании кислорода в закачиваемой воде более 150 г/м³ подавляется жизнедеятельность УОБ, что ведет к снижению эффективности микробиологического воздействия. Кроме того, при высокой концентрации кислорода в воде растет и ее коррозионная активность.

Известен способ разработки неоднородного нефтяного пласта путем чередования периодов повышения давления вследствие нагнетания воды в нагнетательную скважину при остановленных добывающих скважинах и периодов снижения давления вследствие отбора жидкости из добывающих скважин при остановленной нагнетательной скважине, включающий закачку культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ в нагнетательную скважину в период повышения давления таким образом, чтобы окончание закачки совпало с окончанием периода повышения давления (патент РФ №2060371, Е21В 43/22, 43/20, C12N 1/26, опубл. 20.05.96, бюл. №14). Кислород, необходимый для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, вводится аэрацией водного раствора питательных веществ специальным компрессором при давлении насыщения воды воздухом 10,0 МПа. Насыщение пресной воды воздухом при давлении 10,0 МПа соответствует содержанию кислорода в воде 714 г/м³.

Недостатком способа является то, что содержание кислорода в воде превышает оптимальные значения, необходимые для роста и развития микроорганизмов. А при высокой концентрации кислорода в воде растет и ее коррозионная активность, что ведет к преждевременному износу нефтепромыслового оборудования.

Еще одним недостатком является то, что подача кислорода в пласт осуществляется закачкой водовоздушной смеси с использованием компрессоров высокого давления. Технически это довольно сложная задача, поскольку давление в пласте часто выше давления, развиваемого компрессором. Кроме того, экономически не всегда оправданы затраты, связанные с подачей в пласт балласта в виде азота воздуха. Все это ведет к снижению эффективности микробиологического процесса, происходящего в пластовых условиях.

Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности микробиологического воздействия на пласт и сокращение экономических затрат.

Поставленная задача решается способом разработки неоднородного нефтяного пласта, содержащего сульфатвосстанавливающие бактерии и сероводород, путем чередования периодов повышения давления вследствие нагнетания воды в нагнетательную скважину при остановленных добывающих скважинах и периодов снижения давления вследствие отбора жидкости из добывающих скважин при остановленной нагнетательной скважине, включающим закачку культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ в нагнетательную скважину в период повышения давления таким образом, чтобы окончание закачки совпало с окончанием периода повышения давления, предварительно в нагнетательную скважину закачивают оторочку кислородпродуцирующего реагента с концентрацией растворенного кислорода 250-700 г/м³, останавливают скважину на время, достаточное для завершения процесса окисления сероводорода и уничтожения СВБ, затем закачивают культуру микроорганизмов в растворе питательных веществ и кислородпродуцирующего реагента с концентрацией растворенного кислорода 50-150 г/м³.

Представлен график зависимости роста культуры микроорганизмов от концентрации кислородпродуцирующего реагента.

Нефтяной пласт представляет собой целостную экосистему, в которой микробные популяции взаимодействуют между собой и окружающей средой.

В призабойной зоне нагнетательных скважин формируется микробное сообщество, где преобладают, прежде всего, аэробные нефте- и углеводородокисляющие бактерии. Вместе с тем в пласт поступают и строго анаэробные сульфатредуцирующие бактерии и метаногены.

Аэробный этап разложения определяется скоростью поступления кислорода (О₂) в пласт. Обычно в нагнетаемой воде растворено до 9 г/м³ O₂, поэтому в естественных условиях заводнения комплекс микробиологических процессов окисления нефти развивается медленно.

В различных модификациях биотехнологии повышения нефтеотдачи пластов дополнительное введение кислорода в пласт осуществляется закачкой водовоздушной смеси с использованием компрессоров высокого давления.

Альтернативой компрессорной закачке воздуха предлагается подача в пласт молекулярного кислорода в виде раствора кислородпродуцирующего реагента. Будучи введенными в культуру микроорганизмов на поверхности, кислородпродуцирующие реагенты постепенно разлагаются с выделением кислорода. Оптимальное содержание растворенного кислорода составляет 50-150 г/м³. При содержании кислорода в растворе ниже 50 г/м³ рост микроорганизмов в пласте замедляется, а с превышением содержания кислорода 150 г/м³ наблюдается токсическое действие его на культуру микроорганизмов. В результате проникновения в пласт молекулярного кислорода при участии аэробных углеводородокисляющих бактерий происходит окисление нефти с образованием углекислоты и промежуточных продуктов, обладающих нефтевытесняющими свойствами.

При наличии в призабойной зоне скважины сероводорода, являющегося результатом деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, эффективность способа микробиологического воздействия на пласт снижается вследствие того, что СВБ ингибируют деятельность аэробных УОБ, а сероводород вызывает коррозию нефтепромыслового оборудования. Поэтому необходимо до осуществления микробиологического процесса провести очистку призабойной зоны скважины от сероводорода и от СВБ. При закачке в пласт кислородпродуцирующего реагента с концентрацией растворенного кислорода 250-700 г/м³ образующийся при разложении кислородпродуцирующего реагента молекулярный кислород окисляет сероводород согласно уравнению: 2H₂S+О₂=2S+2Н₂О, тем самым нейтрализует сероводород и негативные последствия его воздействия на микрофлору призабойной зоны и оборудование скважины, а также подавляет жизнедеятельность СВБ.

В качестве источника кислорода используют следующие кислородпродуцирующие реагенты: перекись водорода Н₂О₂, пербораты натрия: NaBO₂·H₂О₂·3H₂O, NaBO₂·H₂О₂·2Н₂О, NaBO₂·H₂О₂, перкарбонат натрия Na₂СО₃·1,5H₂O₂ Н₂О (персоль), пероксофосфат натрия Na₄P₂О₇xH₂О₂, x=1-3 (перфосфат), пероксид карбамида (NH₂)₂CO·H₂О₂ (гидроперит), которые, разлагаясь, выделяют кислород, необходимый для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов.

Использование в качестве источника кислорода, например, перекиси водорода в виде водного раствора имеет ряд преимуществ по сравнению с нагнетанием в пласт воздуха.

Во-первых, в пласте создаются более благоприятные условий для развития микробиологических процессов путем оптимизации содержания растворенного кислорода.

Во-вторых, отпадает необходимость в компрессорах высокого давления для проведения энергоемкой операции по сжатию воздуха. Молекулярный кислород может эффективно нейтрализовать такие токсичные соединения, как сероводород, и создать благоприятные условия для аэробной стадии микробиологического процесса. Кроме того, выделение кислорода происходит преимущественно в пласте, где он и потребляется, а значит, существенно снижается коррозионная опасность этих процессов. Все это способствует повышению эффективности микробиологического воздействия на пласт.

Рост аэробных микроорганизмов в природных условиях часто происходит в условиях дефицита кислорода. Поэтому необходимо определить оптимальную концентрацию его для начала микробиологического процесса.

Рассмотрим динамику роста аэробных микроорганизмов при использовании в качестве источника кислорода перекиси водорода и пероксида карбамида. Количество кислорода, образующегося при разложении этих реагентов, вычисляют в соответствии с уравнениями: 2Н₂О₂=О₂+2Н₂О;

2(NH₂)₂CO·H₂О₂=О₂+2Н₂О+2(NH₂)₂CO.

Исследования проводили с культурами Pseudomonas aeruginosa, штамм 202 и Rhodococcus erythropolis, штамм 367-6. R.erythropolis, штамм 367-6 был выделен из Бондюжского нефтяного месторождения.

Для выращивания бактерий использовали модифицированную среду Раймонда следующего состава (г/л): NaCl - 5,0; NH₄Cl - 1,0; MgCl₂·6H₂O - 0,2; CaCl₂·2Н₂O - 0,01; MnSO₄·5Н₂O - 0,02; FeSO₄·7Н₂O - 0,01; К₂HPO₄ - 0.04; трис 2,0; CH₃COONa - 1,4-2,0; дрожжевой экстракт "Difco" - 1,0; pH 6,9-7,1.

Прирост биомассы на определенный момент времени в пересчете на 1 мл среды оценивали по количеству включенного в клетки углерода метильной группы ацетата.

В качестве углеводородной фазы во флаконы вводили стерильную смесь жидких парафинов сорта Парекс. Концентрацию кислорода в водной фазе вычисляли с учетом его растворимости в углеводородах.

Развитие культур в течение первых суток представлено на графике.

Как видно из графика, оптимальные концентрации перекиси водорода, для начала роста культуры R.erythropolis, находятся в интервале 100-200 мкг/мл (что соответствует 100-200 г/м³), а учитывая, что при разложении 68 г перекиси водорода выделяется 32 г кислорода, т.е. наполовину меньше, то оптимальная концентрация по кислороду равна примерно 50-100 мкг/мл (50-100 г/м³) В случае, когда концентрация перекиси превышает 300 мкг/мл³ Н₂O₂, рост культур замедляется. При использовании в качестве источника кислорода гидроперита 2(NH₂)₂CO·H₂O₂ оптимальная концентрация его лежит в интервале 295-400 мкг/мл (295-400 г/м³), что соответствует 49-70 г/м³ O₂. Учитывая, что нефтяной пласт представляет собой двухфазную систему (вода-нефть), а при наличии газа и трехфазную систему, по данному способу предлагается закачивать кислородопродуцирующий реагент с содержанием растворенного кислорода (50-150 г/м³). Эта концентрация несколько выше, чем оптимальная концентрация кислорода, которая находится в интервале 50-100 мкг/мл или (50-100 г/м³), т.к. часть кислорода будет растворяться в углеводородной фазе. Растворимость кислорода в углеводородах выше, чем в воде.

Из графика видно, что количество кислорода, поступающего в пласт путем закачки водовоздушной смеси 9 мкг/мл (или 9 г/м³), явно недостаточно для эффективного роста культуры микроорганизмов, чем и обусловлен низкий эффект вышеуказанного способа-аналога. Также при содержании в водовоздушной смеси растворенного кислорода, как в известном способе, в количестве 71,4-714 мкг/мл (71,4-714 г/м³) концентрация кислорода превышает оптимальные значения, и при этом происходит подавление жизнедеятельности углеводородокисляющих бактерий, что снижает эффективность микробиологического метода воздействия на пласт.

Полученные данные свидетельствуют, что при закачке раствора перекиси водорода в пласт и последующем ее разложении с выделением кислорода с содержанием 50-150 мкг/мл (или 50-150 г/м³) формируются условия, благоприятные для развития аэробной составляющей микробного ценоза.

В промысловых условиях способ осуществляют следующим образом.

Участок нефтяного пласта разбурен как минимум одной нагнетательной и несколькими добывающими скважинами и разрабатывается путем чередования периодов повышения давления закачкой воды в нагнетательную скважину при остановленных добывающих скважинах и периодов снижения давления путем отбора жидкости из добывающих скважин при остановленной нагнетательной скважине. При этом циклическое воздействие на участок совмещают с микробиологическим воздействием.

С целью оценки характеристики воды в призабойной зоне необходимо провести анализ проб этой воды. В пробах определяют наличие специфического микробного сообщества призабойной зоны пласта. Методом предельных разведений определяют численность нефтеокисляющих, углеводородокисляющих, сульфатредуцирующих, метанобразующих и гетеротрофных микроорганизмов. Параллельно с микробиологическим анализом в отобранных пробах определяют физико-химические параметры: водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал, общая минерализация воды и др.

Исходя из полученных данных определяют и в соответствии с приемистостью скважины рассчитывают объем оторочки культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ и перекиси водорода таким образом, чтобы их закачка заканчивалась до начала периода снижения давления. Например, надо закачать 200 м³ культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ и перекиси водорода. При приемистости нагнетательной скважины 250 м³/сут при 8-часовом рабочем дне и с учетом продавки рабочего раствора в призабойную зону пласта этот объем может быть закачан в течение 4 суток. Поэтому закачку рабочего раствора начинают за 4 дня до окончания периода повышения давления.

В автоцистерне или желобной емкости осуществляют приготовление рабочего раствора заданной концентрации: раствор питательных веществ - диаммоний фосфат (ГОСТ 19651-74 с изм. №№1-4) - 1,5 кг, культура микроорганизмов - препарат «Деворойл» (ТУ 9291-0,21-45181233-97) - 0,1-0,15 кг, кислородопродуцирующий реагент - перекись водорода (ГОСТ 177-88Е с изм. №1) - 0,1-0,3 кг на 1 м³ пресной воды.

Полученный раствор закачивают в нагнетательную скважину или с кустовой насосной станции (КНС) в группу скважин под давлением, не превышающим рабочее давление Рраб. Приготовление и закачку рабочего раствора осуществляют параллельно.

По окончании нагнетания расчетного объема оторочки культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ и перекиси водорода осуществляют продавку его в пласт в объеме скважины закачиваемой жидкостью, и затем скважина останавливается на реагирование до 10 суток.

В течение этого времени происходит активация и рост культуры микроорганизмов.

Дальнейшая работа скважины осуществляется в режиме циклического заводнения.

При обнаружении в водах призабойной зоны сульфатовосстанавливающих бактерий и свободного сероводорода предварительно в нагнетательную скважину закачивают небольшую оторочку раствора перекиси водорода с концентрацией 500-1500 г/м³, что соответствует содержанию кислорода 250-700 г/ м³.

Объем оторочки раствора перекиси водорода определяется расчетным путем, исходя из конкретных геолого-физических условий обрабатываемой скважины, например от мощности нефтенасыщенного пласта. При толщине нефтенасыщенного пласта 6 м объем предварительной оторочки перекиси водорода составляет 7,6 м³, т.е. 1,27 м³ раствора на 1 м эффективной толщины пласта.

Скважину останавливают на время, достаточное для полного протекания (завершения) процесса окисления сероводорода и уничтожения СВБ. При снижении содержания сероводорода до 0, а СВБ до 10¹-10³ кл/мл приступают к закачке расчетного объема оторочки культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ и перекиси водорода таким образом, чтобы их закачка заканчивалась до начала периода снижения давления.

В автоцистерне или желобной емкости осуществляют приготовление рабочего раствора заданной концентрации: раствор питательных веществ - диаммоний фосфат - 1,5 кг, культура микроорганизмов - препарат «Деворойл» - 0,1-0,15 кг, кислородопродуцирующий реагент - перекись водорода - 0,1-0,3 кг на 1 м³ пресной воды.

Полученный раствор закачивают в нагнетательную скважину или с кустовой насосной станции (КНС) в группу скважин под давлением, не превышающим рабочее давление Рраб. Приготовление и закачку рабочего раствора осуществляют параллельно.

По окончании нагнетания расчетного объема оторочки культуры микроорганизмов в растворе питательных веществ и перекиси водорода осуществляют продавку его в пласт в объеме скважины закачиваемой жидкостью, и затем скважина останавливается на реагирование до 10 суток. Дальнейшая работа скважины осуществляется в режиме циклического заводнения.

Осуществление предлагаемого способа позволяет повысить эффективность микробиологического воздействия за счет создания в пласте более благоприятных условий для развития микробиологических процессов путем закачки в качестве источника кислорода кислородопродуцирующего реагента и сократить экономические затраты за счет исключения энергоемкой операции по закачке водовоздушной смеси. Активный кислород эффективно нейтрализует такие токсичные соединения, как сероводород, и создает благоприятные условия для аэробной стадии развития микроорганизмов и тем самым повышает эффективность микробиологического воздействия в целом.