Математическая модель микробиологического метода увеличения нефтеотдачи смешанных пластов (A mathematical model of microbial enhanced oil recovery (MEOR) method for mixed type of rock)

Год публикации
Страницы
677-696
Аннотация

Международная конференция "Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов (добыча и переработка)", сборник трудов, 4-8 октября, 1994, Казань, том 2, 1 секция Добыча трудноизвлекаемых нефтей (истощенные и обводненные пласты, тяжелые нефти; низкопроницаемые, карбонатные и глинистые коллекторы). Двуязычная публикация.

В настоящее время микробиологический метод увеличения нефтеотдачи (МБ МУН) являются одними из наиболее новых и перспективных. Эти методы предполагают использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (метаболитов) для вытеснения нефти. При этом довытеснение нефти из пласта осуществляется теми же механизмами, что и в физико-химических и газовых методах. Преимущества МБ МУН следующие [1]: 1. Низкая себестоимость; 2. Комбинированное воздействие на пласт; 3. Агенты, способствующие нефтевытеснению, производятся непосредственно в пласте на границе нефть - вытесняющий флюид. Возможность использования МБ МУН отмечена многими исследователями и подтверждена многими успешными экспериментами и промышленными испытаниями [1]. Таким образом, использование МБ МУН признано на сегодняшний день успешным [1]. Критерии применимости МБ методов воздействия на пласт приведены в Таблице 1. С помощью этой таблицы мы можем определить целесообразность использования МБ МУН для конкретной залежи [4]. Анализ последних работ по проблемам применения МБ МУН позволил выделить группы метаболитов (по типу воздействия на пласт), активно влияющих на процесс нефтевытеснения [1, 3]: - Кислоты (уксусная, пропионовая, масляная, и др.): изменяют коллекторские свойства пород; увеличивают пористость и проницаемость; реагируют с кальцитами с выделением СО; - Газы (СО, СО2, СН4, C3H8, H2S, Н2, N2 и др.): приводят к локальному восстановлению пластового давления, разбуханию и снижению вязкости нефти, увеличению проницаемости коллектора (вследствие растворения -карбонатных пород под воздействием СО2). - БиоПАВ (анионные липосахариды и др.): приводят к снижению вязкости нефти и межфазного натяжения на границе нефть - вытесняющий флюид, эмульгированию и деэмульгированию нефти. - Биомасса: приводит к избирательному и неизбирательному закупориванию, эмульгированию и деэмульгированию нефти (вследствие различной адгезии к углеводородам), изменению смачиваемости пород; - Биополимеры (ксантан, склеро- глюкан, полисахариды, и др.): контроль подвижности пластовых жидкостей, избирательное и неизбирательное закупоривание. Зачастую сам механизм МБ воздействия на пласт является многоступенчатым, и метаболиты одного вида бактерий являются субстратами другого. В настоящее время широко применяются два способа мелассного заводнения пластов. Это закачка бактерий с последующей их циклической подпиткой и однократная закачка бактерий с расчетным количеством раствора мелассы. Как показывает анализ, в процессе промышленных испытаний закачка раствора мелассы и микроорганизмов проводилась различными способами. В то же время сам процесс МБ воздействия остается слабо изученным из-за сложности и взаимосвязанности происходящих в пласте взаимодействий. Поэтому необходимо создание математической модели для более полного изучения пластовых взаимодействий и возможности предсказания технологических параметров процесса МБ МУН для его индустриального использования. Из изученных математических моделей пластов следует выделить работы [6, 7, 8]. Нами была разработана математическая модель мелассного заводнения пласта. За основу была взята традиционная модель Раппопорта - Лиса, в балансовые уравнения которой были добавлены элементы, отвечающие за МБ активность. Из-за сложности в определении ряда физико-химических и биологических величин модель была упрощена и адаптирована для Ромашкинского месторождения (Россия, Татарстан). В качестве первого приближения в модели были рассмотрены только СО2 и БиоПАВ, продуцируемые в пласте микроорганизмами, так как изменение их концентраций наиболее сильно влияет на процессы нефтевытеснения. При увеличении их концентраций уменьшаются вязкость нефти и угол смачивания породы водой, увеличиваются коэффициенты нефтеотдачи и межфазного натяжения на границе нефть - вытесняющий флюид. Предполагалось, что продуцируемые СО2 и БиоПАВ полностью растворены в водной фазе. Подтверждением наших результатов служит их удовлетворительное совпадение с результатами других ученых и исследователей.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Трещиновато-пористый коллектор рассмотрим как набор поровых блоков с трещинами между ними. Пусть все жидкости и порода коллектора несжимаемы, все жидкости - Ньютоновские. Тогда изменение водонасыщенности в каждом блоке описывается уравнением [9]: Для определения скорости капиллярного впитывания воспользуемся полуэкспериментальным законом... С помощью этих рисунков можно видеть, что при мелассном заводнении закачиваемый флюид охватывает пропиткой меньшее число блоков, чем при простом заводнении, т.е. большее количество флюида впитывается в поровые блоки, вытесняя больше нефти. На Рис. 9 представлена зависимость дополнительной добычи нефти от объема закачиваемой жидкости для рассматриваемых случаев обычного и мелассного заводнения.

ВЫВОДЫ
Построена математическая модель мелассного заводнения трещиновато- пористых пластов, позволяющая предсказывать результаты МБ воздействия на пласт и оценивать технологические параметры и коммерческую эффективность метода МБ МУН. Полученная модель может быть использована для предсказания внутрипластовой сульфаторедукции при закачке воды с содержанием сульфатов. Развитие бактерий в пласте может быть связано с распределением температур в прискважинной зоне. В этом случае часть модели, отвечающая за развитие бактерий, может быть скомбинирована с профилем распределения температур в пласте.

Литература
1. Розанова Е.П. и др., "Микробиологические методы повышения нефтеотдачи", Из серии: "Нефтепромысловое дело", №15(144), Москва, ВНИИОЭНГ, 1987.
2. Розанова Е.П., Кузнецов С.И., "Микрофлора нефтяных месторождений", Москва, Наука, 1974.
3. Юлбарисов Е.М., Халимов Е.М., "Биотехнология нефтеизвлечения неоднородных заводненных пластов", Нефтяное дело, № 5, 1986.
4. Еремин Н.А., Золотухин А.Б., Назарова Л.Н., Пономаренко Е.М. Теория нечетких множеств в выборе методов воздействия на нефтяную залежь. // Нефтяное хозяйство, 1991, № 3, с.21-23.
5. "Создание и широкое применение комплекса методов и технических средств для интенсификации разработки нефтяных пластов", Закл. отчет БашНИПИнефть, Уфа, 1985.
6. Хи Zhang, "А Mathematical Modeling Microbially Enhanced Oil Recovery", M.S. Thesis, University of Oklahoma, 1990.
7. Eнтов B.M. (ред.). Отчет института Проблем Механики Российской Академии Наук, Москва, 1992-1993.
8. К. Venkata et al., "А Mathematical Model for Production of Biosurfactants by Pseudomonas Areruginosa CFTR-6: Production of Bioass", J. of Chemical Technology and Biotechnology, (April 1991), vol. 51.
9. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М., "Теория нестационарной фильтрации жидкостей и газов", Москва, Недра, 1972.
10. Скворцов Е.В. "К одномерной математической модели вытеснения нефти из трещинно- поровой среды". Отчет Академии Наук СССР, "Механика жидкостей и газа". Май, Москва, 1967.
11. Верлань А.Ф., Сизиков B.C., "Интегральные уравнения", Киев, Наукова думка, 1986.
12. Керн Г., Кори Т., "Справочник по математике", Москва, Наука, 1969.
13. Демидович Б.П., Марен И.А., "Основы численной математики", Наука, Москва, 1966.

Abstract

International сonference "Problems of complex development and production of hard-accessible oils and natural bitumens (production and refining), Proceedings, October 4-8, 1994, Kazan, Volume 2, 1 section Extraction of hard-accessible oils (depleted and water flooded formations, heavy oils, low, carbonate and clay reservoirs), pp. 677-686.

This paper deals with the microbial enhanced oil recovery method. It covers: 1. Mechanism of microbial influence on the reservoir was analyzed; 2. The main groups of metabolites affected by the hydrodynamic characteristics of the reservoir were determined; 3. The criteria of use of microbial influence method on the reservoir are defined. This mathematical model of microbial influence on the reservoir was made on this basis. The injection of molasse water solution with Clostridium bacteria into the mixed type of rock was used in this model. And the results of calculations were compared with experimental data. INTRODUCTION The MEOR methods are the newest and most perspective. In these methods the products of microbial influence (metabolites) for oil recovery are used. The additional displacement of oil is defined by the same mechanisms which are used in physicochemical and gas methods. The advantages of MEOR [1] are: 1. Low price; 2. Many-sided influence on oil recovery stimulation; 3. Factors which will enhance the oil recovery are produced in situ on the water-oil contact. The main possibility of MEOR is emphasized by lot of investigators and some successfiil experiments and tests were made to confirm it. So, the use of MEOR methods is successful today [1]. The criteria of use of the microbial influence methods on the reservoir were defined in Table 1. The metabolites used extensively for the oil recovery stimulation are shown in this table. Using this table we can define the expediency of the use of MEOR method for the specific reservoir [4]. The survey of the latest works devoted to the problems on the application of MEOR methods allowed to determine the list of metabolites affecting the process of oil displacement and to subdivide them by the stimulation mechanism [1], [3], Here is the list: - Acids (acetic, propionic, butyric, etc.) change the features of the reservoir; they improve the porosity and per-meability; and they react with the calcite, and carbon monooxide is excreted. - Gases (СО, СО2, СН4, C3H8, H2S, Н2, N2, etc.): they allow to restore the local reservoir pressure, lead to oil expansion, and oil viscosity decrease, improve the permeability of the reservoir because of the dissolving of the carbonate type of rocks under the influence of acids. - Biosurfactants (emulsifiers, anionic liposaccharides): they allow to decrease the interfacial tension on water-oil contact and to decrease the oil viscosity; they lead to the emulsification and demulsification of the oil. - Biomass: causes selective and nonselective plugging up and emulsification and demulsification (because of different adhesion to hydrocarbons); it causes the change of wettability of rocks; - Biopolymers (xanthane, scleroglucan, polysaccharides, etc.): they allow to control the mobility of the reservoirs fluids and cause the selective and nonselective plugging up . At the same time the mechanism of microbial influence is multiphase. The metabolites of one type of bacteria are the substrates for other types. Two ways of molasse waterflooding are applied widely now [5]. Here they are: 1. Bacteria injection and their cyclic additional feeding; 2. Single bacteria injection with the considerable volume of molasse solution. By the results of analysis, the different methods of molasse solutions and bacteria injections were used in the process of industrial tests. The microbial stimulation mechanism is very complicated and it was poorly investigated. So, it is very important to create a mathematical model for the full research of the reservoirs interactions and for predicting the technical characteristics for the industrial use of this method. We should choose the following works [6], [7], [8] from the list of the existing mathematical models. We have developed the mathematical model of the molasse waterflooding. It was the traditional model by Rappoport-Leas. The elements responsible for the effects of bacteria activity were included into the balance equations. Because of the difficulty of the definition of the set of physicochemical and biological features the model was simplified and adapted for the Romashkino field (Russia, Tatarstan). Besides, to make the work easier, only carbon dioxide and biosurfactants were taken into account as a result of bacteria activity because the increase of their concentration had great influence on the oil displacement. While the concentration is increased, the oil viscosity is decreased, the wettability angle is reduced, the interfacial tension coefficient on water-oil contact and displacement efficiency coefficient are increased. We consider that carbon dioxide and biosurfactants are dissolved completely. The coincidence of our results with the results received by the other scientists is the evidence of the correctness of our work.

References
1. Rosanova E.P. et al, "Microbial Enhanced Oil Recovery Methods", Series: "Oil Business", 15(144), Moscow, 1987, Russian.
2. Rozanova E.P., Kuznetsov S.I., "Microflora of the Oil Reservoirs", "Nauka" (Scientific Publishers), Moscow, 1974, Russian.
3. Julbarisov E.M., Halimiv E.M., "Biotechnology of Oil Recovery from Heterogeneous Waterflooding Reservoirs", J. Oil Industry (May 1986), Russian.
4. Eremin N.A., Zolotukhin A.B. et al., "Selection of EOR Method", Academy of Oil & Gas named after I.M. Gubkin, Moscow, 1992, Russian.
5. "Creation And Extensive Use of the Set of Methods and Equipment for Intensification of Development of the CMl Reservoirs", Final Report of BasshNIPIneft, Ufa, 1985, Russian.
6. Xu Zhang, "A Mathematical Modeling Microbially Enhanced Oil Recovery", M.S. Thesis, University of Oklahoma, 1990.
7. Report of Institute for Problems in Mechanics, 1992-1993, ed. by Entov V.M., Russian.
8. K. Venkata et al., "A Mathematical Model for Production of Biosurfactants by Pseudomonas Areruginosa CFTR-6: Production of Biomass", J. of Chemical Technology and Biotechnology, (April 1991), vol. 51.
9. Barenblatt G.I., Entov V.M., Ryzhic V.M., "The Theory of Nonstationary Percolation of Gas & Fluids", "Nedra" (Scientific Publisher). Moscow, 1972, Russian.
10. Skvortsov E.V. "To One-Dimension Mathematical Model of Oil Displacement in the Porous and Fractured media", Report from the Academy of Sciences USSR, "Mechanics of Fluids and Gas", Moscow, May 1967, Russian.
11. Verlan A.F., Siakov V.S., "Interval equations", "Naukova Dumka" (Scientific Publisher), Kiev, 1986, Russian.
12. Kom G., Kom T., "A Mathematical Handbook", "Nauka" (Scientific Publisher), Moscow, 1969, Russian.
13. Demidovich B.P., Maron L.A., "Basics of the Numerical Mathematics", “Nauka" (Scientific Publisher), Moscow, 1966.