НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЩЕЛОЧЕЙ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

USE OF ALKALI IN THE OIL AND GAS INDUSTRY

Karina Talitskaya

student, Department of Geology and Oil and Gas Engineering, Sakhalin State University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Nikita Denisov

student, Department of Geology and Oil and Gas Engineering, Sakhalin State University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Yanina Denisova

scientific director, PhD in biology, associate professor, Sakhalin State University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены основные направления использования щелочей и растворов солей, дающих щелочную среду, в нефтегазовой отрасли: щелочное заводнение, щелочно-полимерное, ПАВ-щелочное и ПАВ-полимерно-щелочное заводнение, парощелочная обработка призабойной зоны пласта, а также очистка нефтяных фракций, дезактивация отходов бурения. К часто используемым реагентам относятся карбонат натрия - Na₂CО₃, гидроксид натрия – NaOH, гидроксид аммония - NH₄OH, ортофосфат натрия - Na₃РО₄.

ABSTRACT

The main areas of using alkalis and salt solutions that produce an alkaline environment in the oil and gas industry are considered: alkaline flooding, alkaline-polymer, surfactant-alkaline and surfactant-polymer-alkaline flooding, steam-alkaline treatment of the bottomhole formation zone, as well as cleaning of oil fractions, decontamination of drilling waste. Frequently used reagents include sodium carbonate - Na₂CO₃, sodium hydroxide - NaOH, ammonium hydroxide - NH₄OH, sodium orthophosphate - Na₃PO₄.

Ключевые слова: щелочи; щелочная обработка; увеличение нефтеотдачи пласта; призабойная зона пласта; очистка нефтяных фракций; дезактивация отходов бурения; нефтегазовая отрасль.

Keywords: alkalis; alkali treatment; enhanced oil recovery; bottomhole formation zone; cleaning of oil fractions; decontamination of drilling waste; oil and gas industry.

Щелочи в нефтегазовой отрасли используются для различных целей, включая повышение нефтеотдачи пласта, очистку нефтяных фракций, дезактивацию отходов бурения.

Щелочи, проявляя основные свойства, являются стойкими веществами, дешевыми и доступными химическими реагентами.

Одним из направлений использования щелочей в нефтегазовой отрасли является использование их в качестве вытесняющих реагентов в щелочном методе увеличения нефтеотдачи [1].

Обработка призабойной зоны пласта (ПЗП) является одной из технологий, применяемой на всех этапах разработки нефтяного месторождения с целью восстановления и улучшения фильтрационных характеристик зоны для повышения производительности добывающих и приемистости нагнетательных скважин. В процессе бурения и эксплуатации скважин происходит воздействие на породу коллектор, наблюдается загрязнение призабойной зоны пласта. К сожалению, не всегда традиционные методы обработки призабойной зоны пласта, такие как кислотные промывки и гидроразрыв пласта, обеспечивают устойчивый результат. В связи с этим возрастает интерес к щелочным методам, которые не только очищают ПЗП, но и улучшают реологические свойства нефти, способствуя её более эффективному извлечению.

Щелочное заводнение - это процесс закачивания в пласт растворов веществ, имеющих щелочную реакцию среды [1]. К часто используемым реагентам, относят карбонат натрия - Na₂CО₃, гидроксид натрия – NaOH, гидроксид аммония - NH₄OH, ортофосфат натрия - Na₃РО₄.

Различают физико-химические и химические механизмы воздействия щелочных растворов [4]. Так, в ходе химических реакций в системе «щелочь–нефть–порода» наблюдаются следующие процессы, благоприятно влияющие на нефтеотдачу пласта: щелочи взаимодействуют с кислотными компонентами нефти, в результате чего образуются поверхностно-активные вещества, т.е. процесс омыления нефтяных кислот с образованием природных ПАВ, снижающих межфазное натяжение; растворение глинистых минералов, ведущее к увеличению проницаемости; эмульгирование нефти, способствующее выносу механических примесей.

R-COOH + NaOH = R-COONa + H₂O

При взаимодействии щелочного раствора с нефтью может образоваться два типа многофазной дисперсной системы: «нефть в воде» и «вода в нефти». Первый тип образуется из-за низкого межфазного натяжения и образования мелкодисперсных эмульсий, а вторая – при взаимодействии щелочного раствора с малоактивными нефтями.

Среди физико-химических изменений в системе «щелочь–нефть–порода» отмечается снижение вязкости нефти на 20–40 % за счет образования щелочно-нефтяных композиций; улучшение смачиваемости породы, что уменьшает адсорбцию асфальтенов и смол; стабилизация фильтрационных потоков благодаря уменьшению образования глинистых корок.

Наибольшую эффективность в использовании показывает 2-5–% растворы гидроксида натрия, каустика (NaOH) и карбоната натрия, техническая сода (Na₂CO₃), дающий щелочную среду в ходе реакции гидролиза; техническую соду эффективно использовать для высокоминерализованных пластовых вод. При наличии в растворах ионов кальция и магния моющие свойства щелочного раствора ухудшаются из-за образования осадков (Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, (RСOO)₂Ca и (RСOO)₂Мg):

2R-COOH + Ca²⁺ = (RСOO)₂Ca↓ + 2H⁺

2R-COOH + Mg²⁺ = (RСOO)₂Mg↓ + 2H⁺

Метод парощелочного воздействия на пласт используют в процессе разработки залежей вязких нефтей. Он предполагает закачку щелочного раствора в предварительно прогретый паром пласт с последующим её продвижением горячей водой, либо закачку пара с небольшой концентрацией щелочи. Ф. М. Усманова указывает, что применение термощелочного метода может увеличить коэффициент вытеснения нефти на 20-23% по сравнению с методом закачки в пласт теплоносителя [4].

Щелочное заводнение показало себя как технико-экономически эффективный метод повышения нефтеотдачи во многих промысловых испытаниях. Современные исследования направлены на повышение эффективности щелочного заводнения. Для этого данный метод проводили совместно с другими, что провело к образованию щелочно-полимерного, ПАВ-щелочного и ПАВ-полимерно-щелочного заводнения.

Еще одним эффективным методом воздействия на пласт является комбинированный метод, включающий в себя щелочное ПАВ воздействие. При этом проводят закачку комбинированной композиции из щелочного раствора и ПАВ-раствора. В результате наблюдается уменьшение остаточной нефтенасыщенности разрабатываемого пласта. Данный вид заводнения сочетает в себе достоинства щелочного заводнения и заводнения с использованием неионогенных ПАВ и сводит к минимуму их недостатки.

В последнее время лидером в области закачки щелочной композиции является Китай. Данный вид заводнения успешно применялся на основных месторождениях, таких как Дацин и Шэнли. В результате на месторождении Дацин был получен прирост КИН 13 %, а на месторождении Шэнли – 5 % [2].

Одной из модификаций метода является силикатно-щелочное заводнение и закачка аммиачной воды, которые базируются на образовании нерастворимых осадков при взаимодействии химических реагентов с компонентами пластовой воды, вследствие чего увеличивается охват пласта из-за вытеснения. Щелочное заводнение даёт возможность повысить коэффициент вытеснения нефти на 15 % по сравнению с традиционным.

В процессе очистки нефтяных фракций применяют раствор щелочи для удаления кислородсодержащих (нафтеновые кислоты, фенолы) и некоторых серосодержащих (сероводород, меркаптаны) соединений, а также для нейтрализации серной кислоты и продуктов её взаимодействия с углеводородами. В ходе очистки часто применяют растворы KOH или NaOH, реже – их водно-спиртовые растворы.  При нейтрализации соединений c кислотными свойствами, таких как нафтеновые кислоты и меркаптаны, происходит гидролиз с образованием соединений, называемых нафтеновыми мылами и меркаптидами, а также обратное растворение продуктов гидролиза в исходной фракции.

H₂S + 2NaOH = Na₂S + H₂O

R-SH + NaOH = R-SNa + H₂O

Степень гидролиза щелочных солей нафтеновых и фенольных кислот зависит от концентрации щелочи и температуры, снижается с увеличением концентрации и растет с повышением температуры. Поэтому нейтрализация должна проводиться при низких температурах и с использованием щелочных растворов (10-15%) [3].

Меркаптаны, вступающие в реакцию с гидроксидом натрия, превращаются в меркаптиды, и эта реакция обратима благодаря гидролизу меркаптидов, который можно уменьшить, увеличив концентрацию щелочного раствора и снизив температуру очистки. Необходимо также учитывать тот факт, что с увеличением молекулярной массы меркаптанов снижается их растворимость в щелочном растворе. В присутствии кислорода воздуха происходит окисление меркаптанов, что приводит к образованию дисульфидов.

Также щелочи используют для изоляции притока пластовых вод. Щелочной состав позволяет добиться эффективной изоляции притока пластовых вод путём закупорки высокопроницаемых, водопромытых и водонасыщенных интервалов нефтяного пласта.

Таким образом, к основным направлениям использования щелочей в нефтегазовой отрасли относятся следующие: щелочной метод увеличения нефтеотдачи пласта, парощелочное воздействие на пласт, очистка нефтяных фракций, щелочная изоляция притока пластовых вод.

Список литературы:

1. Круглова Ю.И., Дума А.Е., Боровская Л.В. Химические методы интенсификации добычи нефти. // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: <a href="https://scienceforum.ru/2021/article/2018026337?ysclid=m9cc3vbhl1307749590">https://scienceforum.ru/2021/article/2018026337?ysclid=m9cc3vbhl1307749590</a> (дата обращения:  11.04.2025 ).
2. Петров И.В., Тютяев А.В., Должикова И.С. Разработка программы экспериментальной оценки эффективности щелочного-ПАВ заводнения для нефтяных месторождений // Успехи современного естествознания. 2016. № 11-1. С. 182-185; [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36207 (дата обращения: 11.04.2025).
3. Румянцева, Т. А. Химия и технология процессов вторичной переработки нефти : учебное пособие / Т. А. Румянцева, Н. Е. Галанин ; под редакцией Е. А. Даниловой. — Москва, Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. — 96 c. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.iprbookshop.ru/143590.html (дата обращения: 12.04.2025).
4. Усманова Ф.М. Механизм действия щелочи на нефть и выбор условий щелочного заводнения нефтяного месторождения : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : (05.15.06). - М., 1984. - 15 с.