Новые критерии масштабирования для экспериментов химического заводнения

В статье представлены набор критериев масштабирования для экспериментов по щелочному/полимерному/сополяризующему (cosurfactant) заводнению. Хотя опубликовано множество исследований по таким химическим методам заводнения, они выполнялись в незапечатанных моделях из‑за отсутствия критериев масштабирования для рассматриваемых процессов. Новая математическая формулировка обеспечивает полное представление процессов, усиленных косурфактантом, в системах «щелочь/полимер». В отличие от предыдущих подходов предложенная модель учитывает неконстантное (переходное) межфазное натяжение (IFT) и явления неравновесного массопереноса. Лабораторные эксперименты показывают, что при ультранизких значениях IFT коэффициент извлечения нефти становится чувствительным к переходным изменениям IFT. Наличие полимера незначительно изменяет характер динамики IFT. Модель также включает адсорбцию щелочи, полимера и ПАВ (сурфактанта). Учитываются химические реакции и конвективный перенос массы наряду с диффузией и дисперсией. Управляющие уравнения в частных производных использованы для вывода нового набора критериев масштабирования, также полученных с помощью размерного анализа; это оказалось особенно полезным для процессов, для которых отсутствовало дифференциальное или параметрическое уравнение. Исследован ряд вариантов масштабирования и указаны их относительные достоинства. Рассмотрены ситуации, в которых при ослаблении требования геометрического подобия можно использовать те же жидкости и тот же пористый среду в модели и прототипе. Показано, что в большинстве случаев скорости массопереноса должны отличаться в модели и прототипе, что противоречит общей практике лабораторных экспериментов, где предполагают одинаковые скорости массопереноса с полевыми условиями. Указаны условия корректного масштабирования адсорбции, динамического межфазного натяжения, массопереноса и всех зависящих от давления свойств вместе с дисперсией. Рекомендованы критерии для выбора группы масштабирования, наиболее подходящей для конкретных приложений. Щелочное заводнение включает закачку химических веществ, реагирующих с кислотными соединениями в сырой нефти для повышения нефтеотдачи одним или несколькими механизмами: снижением межфазного натяжения, эмульгированием нефти и изменением смачиваемости. При контакте щелочи с кислой нефтью родные кислоты мигрируют к границе нефть/вода и реагируют со щелочью с образованием органических солей, в основном водорастворимых и поверхностно-активных, что приводит к снижению IFT до уровня, позволяющего мобилизовать остаточные масляные глобулы. Реакции щелочь/вода также могут снижать активность многовалентных катионов в пластовых рассолах за счёт образования осадков, что может улучшать извлечение нефти за счёт закупорки более проницаемых каналов. Реакции порода–щелочь считаются вредными для щелочного заводнения, поскольку они являются основной причиной расходования щелочи: минералы породы реагируют и истощают гидроксид‑ион в закачиваемых щелочных растворах и могут образовывать новые минеральные осадки, что может привести к изменению проницаемости, образованию накипи и изменению смачиваемости среды.