Поверхностно-активные вещества в нефтегазовой отрасли: состав, свойства, применение



                Surfactants: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry




Laurier L. Schramm Petroleum Recovery Institute









Bl Cambridge
UNIVERSITY PRESS

Лорье Л. Шрамм (ред.)





            ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ



        Состав, свойства, применение



Перевод с английского языка под редакцией М. С. Подзоровой, В. Р. Магадова

Санкт-Петербург
2018

    ЦЕНТР
    ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ^ПРОФЕССИЯ

УДК 665.62
ББК 33.36


       Лорье Л. Шрамм (ред.)
Ш85 Поверхностно-активные вещества в нефтегазовой отрасли. Состав, свойства, применение : пер. с англ. яз. под рсд. М. С. Подзоровой, В. Р. Магадова. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2018. — 592 с., ил.


       ISBN 978-5-91884-095-5
       ISBN 978-0521157933 (англ.)


        Приведены физико-химические свойства, составы, .методы введения и применение ПЛВ в различных процессах нефтегазовой промышленности — бурении, методах повышения нефтеотдачи и интенсификации пластов и т. д. Детально рассмотрены процессы с использованием ПАВ в нефтегазовых скважинах, приствольной зоне, резервуарах, в операциях поверхностной обработки, экологическом восстановлении. Освещены проблемы техники безопасности и охраны здоровья.
        Продемонстрирован практический подход к решению проблем выбора наиболее эффективных реагентов на основе ПАВ для легких буровых растворов и подготовки шламов, операций при заводнении с целью повышения нефтеотдачи пласта, по кислотной обработке пласта для стимулирования притока, по добуриванию и флотации. Даны рекомендации по построению корреляционных моделей — от выбора методик и получения экспериментальных данных до результатов опытного применения и промышленного масштабирования.
        Книга рекомендована специалистам по добыче нефти и газа, промысловой химии, сервисных компаний, разработчикам и поставщикам реагентов, студентам профильных специальностей.


УДК 665.62
ББК 33.36


© Cambridge University Press, 2010
This book is in copyright. Subject to statutory exception and to the provisions of relevant collective licensing agreements, no reproduction of any part may take place without the written permission of Cambridge University Press.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем нс менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство нс может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и нс несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книга.



ISBN 978-0521157933 (англ.)
ISBN 978-5-91884-095-5

          © 2010, Cambridge University Press, Reissue edition
          © ЦОП «Профессия», 2018
                                      © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2018

        Оглавление



Предисловие к русскому изданию......................................10
Предисловие..............................................................11
Благодарность.......................................................12
Об авторе...........................................................13

Часть I. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ..............................................................15

Глава 1. Поверхностно-активные вещества и их растворы: основные принципы.17
  Введение..........................................................17
  Определение и классификация поверхностно-активных веществ.........19
  Гидрофобный эффект и мицелл ©образование..........................19
  Критическая концентрация мицеллообразования.......................22
  Точка Крафта......................................................28
  Анализ............................................................28
  Поверхностно-активные вещества и поверхностное натяжение..........30
  Поверхностная упругость...........................................33
  Поверхностная реология............................................36
  Поверхностно-активные вещества и кривизна .межфазной поверхности..37
  Поверхностно-активные вещества и поверхностный потенциал..........42
  Адсорбция поверхностно-активных веществ в пористой среде..........50
  Адсорбция поверхностно-активных веществ на границе раздела жидкость/жцдкость.................................................52
  Заключение........................................................54
  Благодарность.....................................................54
  Список обозначений................................................55
  Литература........................................................56

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕЭМУЛЬГАТОРОВ...................61
  Введение..........................................................61
  Определение характеристик деэмульгаторов и их выбор...............63

Оглавление

  Заключение.........................................................83
  Литература.........................................................84

Глава 3. Эмульсии и пены в нефтяной промышленности...................86
  Введение...........................................................86
  Призабойные эмульсии и пены........................................91
  Эмульсии и пены, встречающиеся в пласте............................95
  Эмульсии и пены в операциях на поверхности........................107
  Эмульсии и пены в процессах нефтепереработки......................113
  Благодарность.....................................................115
  Литература........................................................115

Часть II. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ... 121

Глава 4. Адсорбция поверхностно-активных веществ в пористой среде...123
  Введение..........................................................123
  Химия твердой поверхности.........................................125
  Механизмы адсорбции поверхностно-активных веществ.................130
  Экспериментальные исследования....................................135
  Заключение........................................................155
  Благодарность.....................................................156
  Литература....................................л.....................156

Глава 5. Изменение смачиваемости под действием поверхностно-активных веществ в пористой среде............................................158
  Роль изменения смачиваемости......................................158
  Теоретические аспекты смачиваемости...............................159
  Методы измерения смачиваемости....................................164
  Изменение смачиваемости под действием поверхностно-активных веществ.173
  Лабораторные и промысловые исследования...........................185
  Заключение........................................................192
  Список обозначений................................................193
  Литература........................................................194

Diaea 6. Химическое заводнение с применением поверхностно-активных веществ для повышения нефтеотдачи пластов...................................198
  Введение..........................................................198
  Химические реагенты...............................................204
  Взаимодействия между химическими реагентами и породой.............211
  Фазовые свойства/градиенты........................................216

Оглавление

7

  Вязкостное вытеснение нефти.......................................221
  Вытеснение нефти самопроизвольной пропиткой водным раствором поверхностно-активных веществ.....................................229
  Заключение........................................................235
  Список обозначений................................................236
  Литература........................................................237

Глава 7. Макромасштабная оценка и моделирование контроля подвижности при заводнении пенами для улучшения нефтеотдачи пластов.............241
  Введение..........................................................242
  Экспериментальная часть...........................................243
  Построение эмпирической модели пенного заводнения.................253
  Модель фракционного потока при «критическом капиллярном давлении»..254
  Обсуждение........................................................271
  Рекомендации......................................................274
  Благодарность.....................................................274
  Приложение........................................................274
  Список обозначений................................................280
  Литература........................................................282

Часть III. ОПЕРАЦИИ В СКВАЖИНЕ, ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ И НА ПОВЕРХНОСТИ....................................................285

Глава 8. Использование поверхностно-активных веществ в облегченных буровых растворах...................................................287
  Введение..........................................................287
  Обзор облегченных буровых растворов...............................288
  Использование пены в качестве бурового раствора...................289
  Описание структуры пены...........................................289
  Преимущества использования пены в качестве бурового раствора......291
  Испытание поверхностно-активных веществ...........................293
  Интерпретация результатов блендерных тестов.......................293
  Выбор поверхностно-активных веществ...............................294
  Основные пенообразующие поверхностно-активные вещества............295
  Функциональные добавки............................................298
  Гидротропы........................................................299
  Механизмы стабилизации и разрушения пены..........................301
  Ингибиторы коррозии...............................................304
  Поверхностно-активные вещества, предназначенные для бурения с туманом.........................................................304

Оглавление

  Пеногасители и системы контроля пснообразования....................305
  Альтернативные системы контроля пснообразования....................306
  Анализ примеров практического применения облегченных буровых растворов.........................................................310
  Заключение.........................................................315
  Сокращения.........................................................315
  Литература................................................\.........316

Глава 9. Использование поверхностно-активных веществ при кислотной обработке пласта.....................................................317
  Введение...........................................................317
  Применение поверхностно-активных веществ в качестве антишламовых реагентов.........................................................319
  Применение поверхностно-активных веществ в качестве кислотных замедлителей......................................................323
  Применение поверхностно-активных веществ для снижения поверхностного натяжения при кислотной обработке скважин.........................329
  1 !римснснис поверхностно-активных веществ для отклонения кислоты с помощью пен.....................................................332
  Фазовое разделение поверхностно-активных веществ при кислотной обработке скважины................................................338
  Заключение.........................................................345
  Благодарность......................................................346
  Список обозначений.................................................346
  Литература.........................................................347

Глава 10. Поверхностно-активные вещества в процессах переработки битуминозных песков месторождения Атабаска: обогащение суспензии, флотация и переработка хвостов.......................................351
  Введение...........................................................351
  Промышленный процесс горячей водной флотации.......................354
  Технологичность и контроль процесса................................358
  Роль поверхностно-активных веществ и межфазных свойств в процессах переработки би гуминозных песков..................................363
  Флотационные пены..................................................389
  Влияние природных поверхностно-активных веществ битуминозных песков на качество воды..................................................393
  Заключение.........................................................409
  Благодарность......................................................409
  Список обозначений.................................................410
  Литература.........................................................410

Оглавление

9

Часть IV. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЗДОРОВЬЯ, ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ...............................................415

Слава 11. Очистка водоносных горизонтов с помощью поверхностно-активных веществ.............................................................417
  Введение..........................................................417
  Ремедиация водоносных горизонтов с помощью поверхностно-активных веществ............................................................419
  Благодарность...........................................f................441
  Литература...............................................................441

Глава 12. Применение повсрхпостпо-активных веществ в природоохранной сфере.444
  Введение..........................................................444
  Диспергаторы......................................................447
  Неф те отмывающие поверхностно-активные вещества, служащие для удаления нефти с побережья.....................................504
  Деэмульгаторы и ингибиторы эмульсий...............................511
  Благодарность.....................................................519
  Литература........................................................520

Глава 13. Токсичность и персистентность поверхностно-активных веществ, используемых в нефтяной промышленности..............................528
  Введение........................................................  528
  Основные принципы оценки риска....................................529
  Поверхностно-активные вещества, используемые в нефтяной промышленности.....................................................531
  Алкилэтоксисульфаты...............................................532
  Этоксилаты спиртов (алкоксилаты)..................................534
  Алкиларилсульфонаты и нефтяные сульфонаты.........................538
  Алкил фенол этоксилаты............................................539
  Диалкилсульфосугашнаты............................................546
  Четвертичные аммониевые соединения................................547
  Заключение........................................................549
  Литература........................................................550

ГЛОССАРИЙ...........................................................553
  Введение..........................................................553
  Термины и определения.............................................553
  Благодарности.....................................................589

        ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая вниманию читателей книга написана известным канадским специалистом, внештатным профессором университета г. Калгари, доктором наук Лорье Линкольном Шраммом. Она содержит обширные сведения о научных основах и промышленном применении поверхностно-активных веществ (ПАВ) в нефтегазовой промышленности. Столь широкому охвату материала, несомненно, способствовала научно-исследовательская деятельность автора. Сложный теоретический материал представлен в форме, доступной для неспециалистов в области физической и коллоидной химии, позволяющей им разобраться в тонкостях механизмов действия ПАВ и различных функциональных добавок (со-ПАВ, полимеров, растворителей, неорганических солей и т. п.), их химической структуры и методик исследования.
  В настоящее время нет недостатка ни в книгах и учебных пособиях, посвященных межфазным явлениям и физико-химическим свойствам ПАВ, ни в экспериментальных и стандартных методиках оценки их свойств. Однако русскоязычного издания, охватывающего большинство направлений использования ПАВ в нефтяной промышленности и при этом раскрывающего теоретические основы такого применения, на сегодняшний момент, к сожалению, не существует. С момента выхода оригинала книги Л. Шрамма ни одна из глав не потеряла актуальности, а некоторые из описанных на ее страницах подходов лишь недавно начали применяться в отечественной нефтяной промышленности. Отдельные определения и термины отличаются от принятых в отечественной практике, поэтому знакомство с ними позволит специалистам лучше ориентироваться в зарубежном опыте применения ПАВ.
  Книга состоит из 13 глав, каждая из которых написана ведущими специалистами в соответствующей области и содержит большое количество практических примеров, а также обширный список литературы, что важно для детального знакомства с рассматриваемой темой. Настоящее издание не претендует на полнот)' рассмотрения всех свойств и применений ПАВ, однако круг рассмотренных проблем чрезвычайно широк. Особый акцент сделан на применении эмульсий и пен в различных процессах нефтяной промышленности — бурении, методах повышения нефтеотдачи и интенсификации пластов и т. д. Также рассмотрен экологический аспект применения ПАВ. Отдельная глава посвящена разработке месторождений битуминозных песков, относящихся к категории трудноизвлекаемых запасов, — теме, актуальность которой растет с каждым годом. В книге рассматривается как положительный, так и отрицательный опыт исследования и применения ПАВ, что позволяет глубже понять спектр проблем и путей их решения.
  Автором продемонстрирован подход к решению практических проблем выбора наиболее эффективных реагентов на основе ПАВ, состоящий из нескольких этапов

Предисловие

11

построения корреляционных моделей — начиная стсоретичсскогоописания, выбора методик и получения экспериментальных данных и заканчивая промышленным масштабированием. Етавы книги, при единстве ее тематики, достаточно автономны: каждая написана таким образом, что для ознакомления с тем или иным явлением нет необходимости изучать весь предшествующий материал. Поэтому книгу можно использовать в качестве справочника по соответствующим темам.
   Вместе с тем следует отметить, что при переводе оригинала были обнаружены некоторые ошибки, опечатки и неточности. Далее, изложение отдельных тем было не всегда понятно без обращения к оригинальным статьям, ссылки на которые присутствуют по всей работе. Редакторам русского издания пришлось нс раз обращаться к литературным источникам, чтобы приведенные в тексте обширные экспериментальные данные соответствовали исходным. Мы постарались максимально точно передать содержание оригинала, чтобы читателю не пришлось обращаться к первоисточнику.
   Книга может быть рекомендована как начинающим специалистам и студентам, так и профессионалам нефтегазовой промышленности и связанных с ней научных организаций. Надеемся, что этот труд обогатит ваши знания в области фундаментальных основ и промышленного применения ПАВ и вдохновит вас на свежие идеи и подходы.

                                          М. С. Подзорова и В. Р. Магадов, сотрудники РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина


        ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга знакомит читателя с природой поверхностно-активных веществ (ПАВ), их встречаемостью, физическими свойствами и распространением. Рассматривается применение ПАВ в нефтяной промышленности, причем основной акцент делается на использовании принципов коллоидной химии и химии межфазных взаимодействий с упором на практические процессы и проблемы. До настоящего времени опубликованная по этой теме литература носила либо преимущественно теоретический (таковы, например, работы по коллоидной химии), либо слишком общий характер (см., например, Rosen М. J., Surfactants and Interfacial Phenomena', Myers D., Surfactant Science and Technology, Mittal K. L., Solution Chemistry of Surfactants), или же была узконаправленной (см. Smith D. II., Surfactant Based Mobility Control). Применение ПАВ в нефтяной промышленности достаточно разнообразно и имеет огромное практическое значение. В этой области существует также ряд проблем, представляющих интерес с точки зрения фундаментальной науки. Поверхностно-активные вещества можно с успехом применять на многих этапах нефтедобычи: в коллекторах, скважинах, операциях наземной подготовки и переработки, а также в области охраны окружающей среды, здоровья и техники безопасности.
   Настоящая работа представляет собой попытку свести воедино обширные знания и практический опыт авторского коллектива, результатом которой стало написание

Благодарность

первой книги, посвященной применению ПАВ в нефтяной промышленности. Выбранные темы служат иллюстрациями различных методологий, успешно применяющихся в отрасли. Каждая из глав оценивалась и рецензировалась экспертами, что позволило обеспечить соответствие излагаемого материала научным и редакционным стандартам.
   Книга предназначена ученым и инженерам, которые в своей работе имеют дело с ПАВ, будь то разработка процесса, добыча нефти или научно-исследовательские изыскания. При этом она не предполагает наличия знаний в области коллоидной химии: акцент сделан на рассмотрении основных принципов, немаловажных для понимания роли ПАВ. Авторы надеются, что книга будет представлять интерес для студентов и аспирантов соответствующих специализаций, поскольку' затрагиваемые темы, как правило, не входят в университетскую программу.
   В книге уделено большое внимание рассмотрению этих тем с точки зрения практического применения, так как настоящая работа нацелена главным образом на представление скорее практических, нежели теоретических, сведений. В первой части (главы 1—3) даются фундаментальные сведения касательно ПАВ, в том числе химия и области применения. В последующих главах изучаются примеры промышленного применения. При этом в главах 4—7 акцент делается на использовании ПАВ в процессах извлечения пластовой нефти; в главах 8—10 рассматривается применение поверхностно-активных веществ в операциях в скважине, призабойной зоне и на поверхности; в главах 11-13 представлено применение ПАВ для охраны окружающей среды и здоровья и в технике безопасности. В конце книги приведен словарь, содержащий обширный набор релевантных терминов с перекрестными ссылками.
   Материал всех этих глав опирается как на фундаментальные принципы коллоидной химии и химии межфазных взаимодействий, так и на опыт промышленного применения ПАВ при рассмотрении и оценке подходов к запланированному и незапланированному появлению этих веществ в процессах нефтяной промышленности. Книга служит дополнением моих предыдущих работ.¹


        БЛАГОДАРНОСТЬ

Выражаю глубокую признательность всем соавторам за их усилия в работе над соответствующими главами. Появление этой книги стало возможным благодаря поддержке членов моей семьи — Энн-Мари, Кэтрин и Виктории, которые подарили мне время, необходимое для решения организационных вопросов и научных изысканий. Отдельная благодарность Конраду Айассе за его всестороннюю помощь и поддержку'. В процессе подготовки книги множество ценных предложений поступило от моих коллег и редакционной коллегии издательства Cambridge University Press, в особенности от Саймона Кейплина и Маргарет Паттерсон.

Лорье Л. Шрамм
г. Калгари, провинция Альберта, Канада


   ¹ Emulsions: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry; Foams: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry; Suspensions: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry.

        ОБ АВТОРЕ


Автор этой книги доктор Лорье Л. Шрамм обладает более чем 35-лст-ним опытом работы в промышленных, некоммерческих, правительственных, а также академических организациях. На данный момент он является президентом и генеральным директором Исследовательского совета провинции Саскачеван (Канада). До этого он занимал должности вицс - п резидс нта Исслсдовател ьского совета провинции Альберта (Канада), а также президента и генерального директора Института добычи нефти. Все это время он был адьюнкт-про-фсссором химии при Университете г. Калгари. Доктор Шрамм получил диплом бакалавра химических наук (с отличием) в Карлтонском универ

ситете (Канада) в 1976 г., а в 1980 г. — степень доктора наук по физической и коллоидной химии в Университете Далхаузи (Канада).
   С 1980 по 1988 г. занимал исследовательские должности в научно-исследовательском центре компании Syncrude (Канада), расположенном в Эдмонтоне. С 1988 г. получал неоднократные продвижения по службе в Институте добычи нефти. В сферу научных интересов Шрамма входили и разнообразные аспекты применения коллоидной и физической химии в нефтегазовой промышленности, и изучение механизмов извлечения легких, тяжелых и битуминозных нефтей при помощи пенного, полимерного и ПАВ-заводнения, а также горячей волной флотации битуминозных песков. В своей исследовательской работе Шрамм изучал образование и стабильность дисперсий (пен, эмульсий и суспензий), их реологические, электрокинетические и межфазные свойства, адгезию фаз, а также реакции и взаимодействие ПАВ в растворах. Доктор Шрамм выиграл несколько национальных наград, в том числе награду Канадского общества химического машиностроения (CSChE) за «достижения в промышленной практике» (спонсор — компания Bayer Inc.), а также совместную награду Канадского совета по исследованиям в области

Об авторе

естественных и технических наук (NSERC) и Совета Канады (С ВС) за «вклад в партнерство между университетами и промышленными научно-исследовательскими центрами». Шрамм — член Химического института Канады, Американского химического общества и экс-директор Ассоциации профессиональных химиков провинции Ачьбсрта (Канада). Кроме того, он является автором более 100 открытых научных публикаций и патентов, а также более 220 научных работ по промышленным тематикам. Это пятая его книга, ей предшествовали: «Эмульсии: теоретические основы и применение в нефтегазовой промышленности», «Язык науки о коллоидных системах и поверхностных межфазных явлениях», «Пены: теоретические основы и применение в нефтегазовой промышленности», а также «Суспензии: теоретические основы и применение в нефтегазовой промышленности».

Часть I
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ