"За статью проголосовало 0 человек"

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ  МОДЕЛЬ  МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО  ВОЗДЕЙСТВИЯ  НА  НЕФТЯНОЙ  ПЛАСТ

Рочев  Виктор  Олегович

студент  4  курса  Ухтинского  горно-нефтяного  колледжа,  РФ,  Республика  Коми,  г.  Ухта

E-mail: 

Баскакова  Юлия  Ленфридовна

научный  руководитель,  канд.  соц.  наук,  доцент  БФСГАУ,  г.  Балашов

Применение  микробиологических  методов  в  практической  деятельности  человека  известно  давно.  Это  и  сельское  хозяйство,  и  хлебопечение,  и  молочная  промышленность.  В  природе  многие  микробиологические  процессы  протекают  очень  интенсивно,  что  позволяет  их  использовать  в  хозяйственной  деятельности.

Научные  основы  биотехнологии  в  геологии  составляют  биологические  свойства  микроорганизмов  и  особенности  их  жизнедеятельности  в  месторождениях  полезных  ископаемых.  Биотехнологии  представляют  собой  совокупность  прикладных  аспектов  геологической  микробиологии  —  угольной,  рудной  и  нефтяной. 

В  угольной  микробиологии  существенным  является  борьба  с  метаном  в  угольных  шахтах,  борьба  с  агрессивными  водами.  Очистка  стоков  предприятий  угольной  промышленности.

В  нефтяной  промышленности  к  главным  аспектам  относятся:  повышение  нефтеотдачи  пластов,  поиск  нефтяных  и  газовых  месторождений,  очистка  стоков  нефтяной  промышленности.  Существующие  способы  добычи  позволяют  извлекать  не  более  половины  нефти.  Следовательно,  увеличение  нефтеотдачи  пластов  даже  на  десять  процентов  стало  бы  равносильно  открытию  новых  месторождений.

В  сороковые  годы  ХХ  века  Зобелл  в  США  провел  первые  лабораторные  опыты  с  применением  микроорганизмов  для  повышения  нефтеотдачи  платов.  Промысловые  эксперименты  с  закачиванием  мелассы  вместе  со  сбраживающими  ее  микробами  через  скважину  неоднократно  проводились  как  в  России,  так  и  за  рубежом.  Так,  стойкий  положительный  эффект  был  получен  в  Польше,  при  этом  нефтеотдача  повысилась  на  20  %.

Следующие  микробиологические  процессы  могут  привести  к  повышению  нефтеотдачи  пластов:

·     образование  кислот,  растворяющих  известковые  породы  и  тем  самым  повышающие  их  коллекторные  свойства;

·     образование  таких  газов,  как  метан,  углекислый  газ,  сероводород  и  других,  которые,  растворяясь  в  нефти,  увеличивают  ее  подвижность;

·     разрушение  тяжелых  нефтяных  углеводородов  до  более  подвижных  соединений;

·     выделение  поверхностно-активных  веществ,  уменьшающих  связь  нефти  с  породой;

·     замещение  нефтяных  пленок,  обволакивающих  поверхность  пород,  клетками  сорбирующихся  на  них  микроорганизмов;

·     улучшение  смачивающих  свойств  нефтяных  и  глинистых  суспензий,  остающихся  на  буре.

К  преимуществам  микробиологических  методов  относятся  небольшие  капитальные  затраты,  отсутствие  необходимости  в  специальных  инженерно-технических  разработках,  Но  есть  и  проблемы  применения  этих  методов.  Основными  из  них  являются  сложность  физико-химической  структуры  нефтяных  залежей  как  среды  для  жизнедеятельности  микроорганизмов,  трудности  контроля  микробиологических  процессов  в  условиях  нефтяной  залежи.  Здесь  на  помощь  приходит  вычислительный  эксперимент,  который  предназначен  для  изучения,  прогнозирования  и  оптимизации  сложных  многопараметрических  процессов.  В  математических  моделях,  описывающих  процессы  микробиологического  воздействия  на  нефтяной  пласт,  учитывается  влияние  экологических  факторов  на  распространение,  видовой  состав  и  активность  микроорганизмов,  их  роль  в  процессе  трансформации  нефти:  снижение  вязкости,  увеличение  давления  на  пласт  и  пр.

Рассматривается  задача  микробиологического  воздействия  на  нефтяной  пласт.  Поровое  пространство  среды  будем  считать  заполненным  водой  —  «первая»  фаза,  нефтью  —  «вторая»  фаза  и  газом  —  «третья»  фаза.  Относящиеся  к  ним  величины  будем  соответственно  обозначать  индексами  1,  2,  3.  В  пласте  существует  два  вида  бактерий:  углеводородокисляющие  (УВОБ)  и  бродильные  (ББ),  а  также  продукты  их  жизнедеятельности:  кислород  и  кислоты  —  продукты  УВБО,  спирты  —  продукты  ББ.

Пусть  пласт  двумерный.  Насыщенность  порового  пространства  i-ой  фазой  обозначим  S_i  ,  тогда

  S₁  +  S₂  +  S₃  =  1  (1)

Обобщенный  закон  Дарси  и  уравнение  сохранения  массы  воды  и  нефти  позволяют  записать  уравнения  фильтрации:

  (2)

    (3)

  (4)

  (5)

где:  х  —  координата, 

t  —  время, 

m  —  пористость, 

(u_i,  v_i)  —  вектор  скорости  фильтрации  i-ой  фазы, 

Р  —  давление, 

k  —  проницаемость, 

f_i  —  относительная  проницаемость  i-ой  фазы, 

µ_i  —  вязкость  i-ой  фазы, 

Q_i  —  поток  i-ой  фазы. 

Добавим  уравнение  для  давления 

  (6)

где:  Q  —  функция,  учитывающая  потоки  трех  фаз.

Введем  концентрации  бактерий:  n₁  —  концентрация  УВБО,  n₂  —  концентрация  ББ.

Запишем  уравнения  баланса  бактерий,  считая,  что  они  находятся  в  водной  фазе:

  (7)

    (8)

где:    —  функции,  характеризующие  рождение  УВБО  и  ББ  соответственно, 

d_1,  d₂  —  функции,  характеризующие  смерть  УВБО  и  ББ  соответственно, 

α₁  —  коэффициент,  учитывающий  тот  факт.  Что  ББ  поглощают  часть  УВОБ; 

Q₃,  Q₄  —  потоки  УВОБ  и  ББ  соответственно.

Уравнения  баланса  субстратов  —  продуктов  жизнедеятельности  ББ  и  УВОБ  запишем.  Учитывая  тот  факт,  что  вещество,  способное  растворяться  в  двух  растворителях,  распределяется  между  ними  так,  что  отношение  его  концентраций  в  этих  растворителях  при  постоянной  температуре  остается  постоянным,  независимо  от  общего  количества  растворенного  вещества.  При  этом,  продукт  жизнедеятельности  УВБО  —  кислород,  может  находиться  в  первой  и  третьей  фазах,  а  кислоты  и  спирты  —  в  первой  и  второй  фазах:

  (9)

    (10)

    (11)

где:  с₀  —  концентрация  кислорода,  продукта  жизнедеятельности  УВОБ; 

с₁  —  концентрация  кислоты,  продукта  жизнедеятельности  УВОБ; 

с₂  —  концентрация  спирта,  продукта  жизнедеятельности  ББ; 

  —  константы; 

  —  функции,  характеризующие  поглощение  и  образование  субстратов  бактериями.

Краевые  условия  для  системы  уравнений  (1)—(11)  имеют  вид:

при  t  =  0:    

При  х  =  0: 

Численный  алгоритм  решения  задачи  (1)—(11)  с  учетом  краевых  условий  основан  на  ее  конечно-разностной  дискретизации  по  пространственным  переменным  и  комбинации  двух  типов  метода  расщепления  для  реализации  по  временной  координате.  При  этом  систему  необходимо  упростить,  вводя  безразмерные  переменные.  В  модели  последовательно  используется  идея  метода  расщепления  по  физическим  процессам  и  по  геометрическим  координатам.

Численный  эксперимент  достаточно  согласуется  с  лабораторными  исследованиями  на  кернах  по  оценке  выживаемости  в  пористой  среде  бактерий  и  добычи  с  их  помощью  нефти  из  керна. 

В  результате  опытов  получено,  что  газ,  вырабатываемый  бактериями,  увеличивает  нефтеотдачу.  При  использовании  микроорганизмов  нефтеотдача  керна  возрастает  в  среднем  по  сравнению  с  заводнением  на  32  %,  если  нефть  легкая  и  на  19  %,  если  нефть  тяжелая. 

К  существенным  достоинствам  микробиологических  методов  следует  отнести  их  экологическую  чистоту  и  практическую  безотходность,  поскольку  в  них  используют  только  естественную  микрофлору  пласта  и  небольшое  количество  минеральных  солей,  а  также  систему  водоснабжения  для  поддержания  пластового  давления.  Собственный  потенциал  естественной  микрофлоры  может  быть  использован  для  очистки  почвы  от  нефти  и  нефтепродуктов  в  результате  аварий  на  нефтепроводах.  Разработка  нефтяных  месторождений  приводит  к  разливу  нефти  и  выводу  из  строя  больших  сельскохозяйственных  территорий.  Рекультивация  земли  в  этих  случаях  очень  сложная  и  дорогая.  И  здесь  не  обойтись  без  новых  технологий.  Микробиологические  исследования,  проведенные  в  средней  полосе  России,  показали,  что  на  загрязненных  территориях,  где  проводились  полевые  испытания,  наблюдалось  снижение  концентрации  нефти  в  1,5—4  раза,  а  к  концу  летнего  сезона  появлялась  растительность.  Многолетний  опыт  показал,  что  применение  микробиологических  методов  позволяет  в  течение  одного-двух  сезонов  осуществить  очистку  воды  и  почвы  на  больших  площадях. 

Таким  образом,  применение  новых  технологий  способствует  стабилизации  добычи  полезных  ископаемых,  решению  экологических  проблем,  что  в  свою  очередь  сказывается  на  устойчивом  развитии  всего  региона.

Список  литературы:

1.Баскакова  Ю.Л.  Математическое  моделирование  процесса  микробиологического  воздействия  на  пласт  с  целью  повышения  нефтеотдачи.  //  Проблемы  освоения  природных  ресурсов  Европейского  Севера.  Сборник  научных  трудов.  Ухта,  1994.

2.Ентов  В.М.,  Зазовский  А.Ф.  Гидродинамика  процессов  повышения  нефтеотдачи.  М.:  Недра,  1989.  —  232  с.

3.Звягинцев  Д.Г.  Почва  и  микроорганизмы.  М.:  МГУ,  1987.  —  256  с.