Комплексный экспериментальный анализ влияния электромагнитного поля на повышение нефтеотдачи посредством оптимизированной динамики жидкости, индуцированной магнитным полем

Полный текст

Введение
Повышенная нефтеотдача (ПНП) ​​стала важнейшей областью исследований в области нефтяной инженерии, направленной на максимизацию нефтеотдачи из пластов, которые традиционные методы оставляют позади. Среди множества методов ПНП заводнение является одним из наиболее устоявшихся и широко используемых. Оно включает в себя закачку воды в пласт для вытеснения нефти к эксплуатационным скважинам. В то время как эффективное заводнение часто сталкивается с такими проблемами, как низкая эффективность охвата, высокая обводненность и проблемы, возникающие из-за неоднородности пласта. Устранение этих ограничений побудило исследователей изучить инновационные методы, включая применение физических полей, таких как магнитные, электрические и ультразвуковые поля, для улучшения извлечения [1-3].
Предыдущие исследования показали, что эффективность заводнения может быть повышена путем изменения свойств закачиваемой воды или самого пласта. Исследования по магнитной обработке воды показывают, что воздействие магнитных полей на воду может изменить ее структурные и динамические свойства, такие как вязкость, подвижность ионов и поверхностное натяжение. Эти изменения могут влиять на взаимодействие между закачиваемой жидкостью и породами пласта, потенциально повышая эффективность вытеснения захваченной нефти. Например, было показано, что магнитные поля уменьшают образование накипи и улучшают подвижность жидкости, что является ключевыми факторами в смягчении проблем с приемистостью и добычей [4, 5].
Взаимодействие магнитных полей с пластовыми жидкостями подтверждается электрокинетической теорией, которая описывает, как электрические заряды в жидкостных системах реагируют на внешние стимулы. При воздействии магнитных полей движение заряженных частиц, таких как ионы, может изменяться, что приводит к изменениям проводимости и поведения потока. Этот эффект в сочетании с гидродинамическими силами в пористой среде может помочь преодолеть капиллярное давление и мобилизовать остаточную нефть [6-8].
В дополнение к магнитным полям, достижения в исследованиях по заводнению подчеркнули важность изменения химического состава воды, например, путем добавления поверхностно-активных веществ или полимеров, для повышения извлечения. Эти подходы направлены на снижение межфазного натяжения между нефтью и водой или улучшение реологических свойств закачиваемой жидкости для достижения лучшей эффективности охвата. Интеграция физических полей, таких как магнитные поля, в эти химические методы открывает многообещающие возможности для гибридных методов повышения нефтеотдачи [9-12].
Это исследование стремится развить эти фундаментальные теории, исследуя комбинированные эффекты магнитных полей и изменений давления на электрокинетические свойства и поведение разряда жидкости в условиях моделируемого пласта. Заполняя пробелы в понимании того, как магнитные поля взаимодействуют с пластовыми жидкостями, это исследование вносит вклад в разработку более эффективных и устойчивых методов EOR. Ожидается, что результаты предоставят информацию об оптимизации операций по заводнению и повышении нефтеотдачи в сложных пластовых условиях [13, 14]. Методология
Эксперименты проводились на установке, описанной на рисунке 1. Установка включает в себя регулятор типа YCA-4A (1), вариатор типа SUNTEK 2000 VA (2), вольт-амперметр (3), электромагнит (4), мерный цилиндр (5), клапаны (6,10,12,14,17), манометры (7,9,15), колонку высокого давления (8), потенциометр типа УРВ-2М с высоким входным сопротивлением (11), бак для жидкостей (16), бомбу высокого давления типа PVT (13), измерительный пресс (18).

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.
Колонна (8) устойчива к высокому давлению и имеет полую цилиндрическую форму с внутренним диаметром 31 мм и длиной 320 мм. Колонна закреплена с обоих концов металлическими колпачками и армирована резиновыми кольцами, называемыми уплотнителями. Для измерения разности потенциалов в пористой среде использовалась высокоомная вольфрамовая проволока, одна сторона которой прочно прикреплена к пористой среде, а другая сторона является проводящей для жидкостей, покрытая слоем фторопласта, изолирующим породу. Электроизоляция пористой среды от внутренней поверхности колонки обеспечивалась нанесенным по внутренней стороне колонки эпоксидным клеем. Такой подход также направлен на предотвращение утечки жидкости между пористой средой и корпусом колонки.
Эксперимент проводился в следующей последовательности:
Сначала в PVT-бомбе (13) создавалась модель комбинированной нефти. Образец пластовой нефти переносился из пробоотборника в PVT-бомбу и определялось давление насыщения системы.
Проницаемость пористой среды для воздуха определяется по известному методу. Объем пор рассчитывается как «весовым методом», так и путем заполнения пористой среды воздухом до определенного давления и применения уравнения состояния газа.
Пористая среда заполняется исследуемой жидкостью с помощью PVT-бомбы. Пористая среда предварительно вакуумируется от воды. В пористую среду закачивается объем жидкости, равный десятикратному объему пор. Следует отметить, что для полного вытеснения воздуха из пор давление в системе периодически повышается, а жидкость резко сбрасывается в процессе закачки жидкости в породу.
За счет частичного растворения газа при повышении давления в колонне и большой разности давлений пористая среда эффективно очищается от газа путем фильтрации газа в колонне. Давление в колонне повышается на 10 МПа выше давления насыщения, определяемого в PVT-бомбе. Это делается для предотвращения разделения газа при переходе газожидкостной смеси в пористую среду. Бомба PVT заполняется водой и подключается к колонне. Затем бак (16), заполненный трансформаторным маслом, который служит механизмом сжатия, подключается к бомбе PVT через гидравлический пресс (18). Первоначально впускной (14) и выпускной (12) клапаны бомбы закрываются, и трансформаторное масло перекачивается из бака в гидравлический пресс. Затем открываются впускная и выпускная линии бомбы, при этом впускная линия колонны (10) остается открытой, а выпускная линия (6) остается закрытой. После герметизации линии, ведущей от бака к прессу, пресс впрыскивает масло в бомбу снизу. Этот процесс поднимает поршень внутри бомбы, заставляя воду внутри бомбы поступать в колонну.
Электромагнит (4) устанавливается на линии около входа колонны. Цель этой установки — подвергнуть поступающую воду воздействию магнитного поля, намагничивая ее перед поступлением в колонну. Интенсивность магнитного поля регулируется в требуемом диапазоне с помощью переменного трансформатора (2). Измерение индукции магнитного поля электромагнитного устройства проводилось путем изменения напряжения (U) вариачного трансформатора, измеряемого в вольтах. Результирующая напряженность магнитного поля (H), создаваемая электромагнитом, регистрировалась в миллитеслах с помощью магнитометра. Эта установка позволяла точно контролировать и отслеживать соотношение между входным напряжением и соответствующей напряженностью магнитного поля, предоставляя ценную информацию о рабочих характеристиках устройства в различных условиях эксплуатации. Результаты в таблице 1 показывают, как напряжение (U) влияет на напряженность магнитного поля (H), создаваемого устройством.

Таблица 1. Измерение индукции магнитного поля электромагнитного устройства.

Перед началом эксперимента регистрируются начальные значения напряжения и сопротивления. Эксперимент проводится при давлении P=1,6 атм в диапазоне давлений 1,6-14,4 атм. Интенсивности магнитного поля электромагнита 40, 80, 107, 125 и 140 мТл исследуются последовательно для каждого указанного уровня давления.
Вначале с помощью пресса в бомбу впрыскивается масло под давлением 1,6 атм, вытесняя воду в пористую среду колонны. Давление поддерживается постоянным на уровне 1,6 атм в течение этой фазы. После этого 2-минутное ожидание обеспечивает полное насыщение водой пористой среды. После завершения периода ожидания открывают выпускную линию колонны и измеряют количество вытесненной воды с помощью мерного цилиндра (5). Одновременно регистрируются значения сопротивления и напряжения. Эта процедура периодически повторяется для каждого значения напряженности магнитного поля при указанных давлениях, и результаты анализируются.
Анализ качества воды. Водопроводная вода, используемая в экспериментах, была проанализирована для определения ее физико-химических свойств до применения магнитного поля. Измеренные показатели, включая pH, общее количество растворенных твердых веществ (TDS), жесткость, щелочность, мутность и концентрации ключевых ионов, таких как кальций (Ca²⁺), магний (Mg²⁺), железо (Fe) и марганец (Mn), представлены в Таблице 2. Эти свойства имеют решающее значение для понимания поведения воды под воздействием магнитного поля и ее роли в повышении нефтеотдачи. Таблица 2. Физико-химические свойства водопроводной воды, используемой в экспериментах.

Результаты и обсуждение
Исследования проводились по указанной методике, и результаты оценивались. В соответствии с этим были построены графики зависимости напряжения, сопротивления и количества сбрасываемой воды от давления соответственно (рисунки 2, 3 и 4).

Рисунок 2. График напряжения по давлению с применением электромагнита и без него.

Рисунок 3. График сопротивления по давлению с применением электромагнита и без него.

Рисунок 4. График сбрасываемой воды по давлению с применением электромагнита и без него.

Рисунок 2 иллюстрирует взаимосвязь между измеренным напряжением (U, в милливольтах) и давлением (P, в атмосферах) во время экспериментов, проводимых при различной интенсивности магнитного поля. Эксперимент включает одно контрольное условие (без приложения магнитного поля, красная линия) и шесть различных интенсивностей магнитного поля (H, измеряется в миллитеслах). Красная кривая представляет собой контрольный сценарий, при котором магнитное поле не применяется. В этом случае напряжение постепенно уменьшается с ростом давления до P=8 атм, после чего оно стабилизируется на плато приблизительно 50 мВ. Такое базовое поведение указывает на то, что изменения давления сами по себе снижают напряжение из-за изменений электрокинетических свойств жидкости, потенциально возникающих из-за снижения ионной подвижности или нарушения естественного электрохимического равновесия. Под воздействием магнитного поля напряжение демонстрирует более выраженное снижение с ростом давления, что указывает на то, что магнитное поле усиливает реакцию системы на изменения давления. Для более слабых напряженностей магнитного поля (H=40 мТл и H=80 мТл) напряжение стабилизируется на более высоком значении по сравнению с более сильными напряженностями поля. Для напряженности магнитного поля 107 мТл напряжение породы снизилось с 94,3 мВ до 36,3 мВ с падением на 61%. Когда дело доходит до увеличения напряженности магнитного поля до H=125 мТл и H=140 мТл, напряжение снижается еще больше, самые низкие значения наблюдаются при H=125 мТл, что считается примерно 66%-ным уменьшением, и оно снижается до минимального засвидетельствованного значения во время эксперимента, что составляет около 27 мВ напряжения стабилизации. Тогда как для 150 мТл напряжение стабилизации снова увеличивается, а процент снижения напряжения снижается до 60%. Эта тенденция показывает, что более высокие напряженности магнитного поля до 150 мТл оказывают более значительное влияние на снижение напряжения под давлением. Наблюдаемое поведение можно объяснить взаимодействием между приложенным магнитным полем и заряженными частицами или ионами в жидкости. Магнитные поля влияют на движение ионов, что приводит к изменениям электрокинетических свойств жидкости, включая потенциальное увеличение подвижности ионов или реорганизацию ионного распределения. Этот эффект становится более выраженным при более сильных магнитных полях, что приводит к большему снижению напряжения.
Также следует отметить, что стабилизация напряжения происходит примерно при ΔP=8 атм для всех случаев, что указывает на то, что изменения, вызванные давлением в системе, достигают точки насыщения, за пределами которой дальнейшее увеличение давления оказывает минимальное влияние. Такое поведение предполагает динамическое равновесие в системе, где комбинированные эффекты давления и магнитного поля стабилизируют электрокинетические свойства жидкости.
На рисунке 3 показано изменение сопротивления (R, кОм) в зависимости от давления (P, атм) в экспериментальных условиях с применением магнитных полей различной интенсивности и без них. График включает результаты для контрольного случая, когда магнитное поле не применяется (красная линия), и для случаев, когда применяются магнитные поля с интенсивностью H=40 мТл, H=80 мТл, H=107 мТл, H=125 мТл, H=140 мТл и H=150 мТл. Исследование изучает влияние магнитных полей на сопротивление во время изменений давления, проливая свет на потенциальные электрокинетические и гидродинамические эффекты, вызванные применением магнитного поля.
При отсутствии магнитного поля (красная кривая) сопротивление неуклонно уменьшается с ростом давления, достигая своего минимума P=8 атм. После этой точки сопротивление начинает расти, показывая отчетливую тенденцию к восстановлению с ростом давления. Такое поведение отражает естественную реакцию системы на изменения давления, когда давление, вероятно, снижает проводимость жидкости из-за уплотнения или реорганизации проводящих путей, а при более высоких давлениях сопротивление увеличивается по мере стабилизации характеристик потока жидкости.
При приложении магнитных полей сопротивление уменьшается более резко с ростом давления по сравнению с контрольным случаем и стабилизируется на значительно более низких значениях. При напряженности магнитного поля H=40 мТл и H=80 мТл сопротивление стабилизируется на более высоких значениях, чем при более сильных напряженностях поля, в целом 49% и 55% соответственно. Напротив, при более высоких напряженностях магнитного поля (H=107 мТл, H=125 мТл) сопротивление стабилизируется на более низких уровнях, при этом самое низкое сопротивление наблюдается при H=125 мТл и составляет около 52 кОм. Что касается напряженности магнитного поля 140 мТл, то определено, что сопротивление породы уменьшилось почти в 2 раза для своего минимального значения. Однако при напряженности магнитного поля 150 мТл наблюдается, что процент снижения сопротивления уменьшился примерно до 51% в конце эксперимента. Это указывает на то, что более высокие напряженности магнитного поля оказывают более сильное влияние на снижение сопротивления в системе.

Поведение можно объяснить воздействием магнитных полей на заряженные частицы и движение ионов в жидкости. Магнитные поля влияют на выравнивание и распределение ионов, повышая их подвижность и изменяя проводящие свойства жидкости. Этот эффект становится более выраженным по мере увеличения интенсивности магнитного поля, что приводит к большему снижению сопротивления. Кроме того, стабилизация значений сопротивления при более высоких давлениях указывает на динамическое равновесие, где комбинированное воздействие давления и магнитных полей создает устойчивое состояние в системе.
Важным наблюдением является то, что восстановление сопротивления за пределами P=8 атм, как видно в контрольном случае, значительно ослабляется при применении магнитного поля. Это говорит о том, что магнитные поля смягчают эффекты уплотнения или реорганизации, вызванные давлением, поддерживая более низкие уровни сопротивления даже при более высоких давлениях. Тенденция подчеркивает способность магнитных полей стабилизировать поток жидкости и проводимость в условиях изменяющегося давления.
График на рисунке 4 демонстрирует связь между объемом сбрасываемой воды (Q, м³) и приложенным давлением (P, атм) в условиях с применением и без применения электромагнитных полей различной интенсивности (H, мТл). Случай «без магнита» (красная кривая) служит базовой линией, показывая устойчивое увеличение объема сбрасываемой воды до 8 атм, где он достигает пика около 40 м³. За пределами этого давления объем сбрасываемой воды последовательно уменьшается, вероятно, из-за таких факторов, как снижение проницаемости или увеличение сопротивления потоку при более высоких давлениях. Напротив, применение магнитных полей значительно увеличивает сброс воды на всех уровнях давления. При более низких напряженностях поля (40 мТл и 80 мТл) объем сбрасываемой воды показывает значительное улучшение по сравнению со случаем «без магнита». Однако более высокие напряженности поля (107 мТл, 125 мТл и 140 мТл) дают еще большие улучшения, причем 125 мТл дает наиболее заметный эффект. При этой оптимальной интенсивности максимальный объем разряда достигает приблизительно 75 м³, что происходит около 8-9 атм. Это указывает на синергетическое взаимодействие между приложенным давлением и магнитным полем, что повышает подвижность жидкости более эффективно, чем при более низких напряженностях поля. Интересно, что хотя кривая 140 мТл демонстрирует высокий объем разряда, он показывает небольшое снижение (52%) по сравнению со 125 мТл, особенно при пиковом давлении. Это говорит о том, что может быть эффект насыщения или убывающая отдача, когда напряженность магнитного поля превышает оптимальный порог. Разряд при 150 мТл неуклонно увеличивается с давлением, достигая пика при 69 м³ около 8 атм. По сравнению с результатами для 140 мТл, производительность 150 мТл указывает на небольшое снижение, поскольку улучшение становится менее выраженным при более высоких давлениях. За пределами 8 атм объем разряда при 150 мТл постепенно снижается, но остается выше, чем при более низких напряженностях поля и в случае «без магнита». Кроме того, стоит отметить, что магнитные бури являются естественными явлениями, вызванными возмущениями геомагнитного поля Земли, и они случаются довольно часто. Эти возмущения могут влиять на чувствительные экспериментальные установки, особенно те, которые включают электромагниты или другие системы, зависящие от стабильных электромагнитных полей. Таблица 3, в которой подробно описана интенсивность магнитных бурь в Баку в октябре (месяц, в котором проводился эксперимент), предоставляет важную информацию для анализа потенциального воздействия на лабораторные эксперименты. Уровни интенсивности магнитных бурь, представленные значениями от 1 до 8 (согласно упомянутой ниже шкале), указывают на различные степени геомагнитной активности. Эксперименты проводились, когда интенсивность магнитных бурь, согласно упомянутой шкале, попадала под «незначительные возмущения». Эти условия обеспечивали минимальные помехи от геомагнитной активности, что позволяло получать более точные и надежные экспериментальные результаты.

Таблица 3. Магнитные бури в Баку в октябре [15].

Примечания:
1 - Никаких существенных возмущений 5 - Умеренная геомагнитная буря
2 - Незначительные возмущения 6 - Сильная геомагнитная буря
3 - Слабая геомагнитная буря 7 - Сильная геомагнитная буря
4 - Незначительная геомагнитная буря 8 - Экстремальная буря
Выводы
В этом исследовании всесторонне изучено влияние магнитных полей на электрокинетические свойства пластовых жидкостей и поведение сброса жидкости в условиях переменного давления. На основании результатов сделаны следующие выводы:
1. Магнитные поля значительно улучшают электрокинетические свойства пластовых жидкостей. Исследование показало, что применение напряженностей магнитного поля от 40 до 150 мТл приводит к существенному улучшению подвижности ионов и проводимости жидкости. Это приводит к стабилизации потока жидкости и увеличению сброса воды, особенно в условиях высокого давления.
2. Была определена оптимальная напряженность магнитного поля 125 мТл, дающая наиболее благоприятные эффекты для снижения сопротивления, стабилизации напряжения и увеличения объема сбрасываемой воды. При 125 мТ сопротивление системы значительно снизилось, а объем сбрасываемой воды достиг пика около 75 м³ при давлении около 8–9 атм, что подчеркивает роль поля в облегчении движения жидкости через пористые породы. За пределами этой интенсивности наблюдался эффект убывающей отдачи, что указывает на потенциальную точку насыщения во влиянии магнитного поля на свойства жидкости.

3. Результаты выявили отчетливые тенденции в поведении системы до и после 8 атм. До 8 атм значения напряжения и сопротивления значительно снизились, что указывает на повышенную проводимость жидкости и подвижность ионов под воздействием магнитных полей. Одновременно с этим существенно увеличился объем сбрасываемой воды. Эти результаты демонстрируют постепенное улучшение движения жидкости и электрокинетических свойств до 8 атм. За пределами 8 атм система достигает динамического равновесия, где объединенные эффекты давления и магнитных полей стабилизируют электрокинетические свойства. Эта стабилизация указывает на то, что магнитные поля смягчают вызванное давлением уплотнение и реорганизацию в пористой среде.
4. Это исследование дает критически важное представление о потенциальном применении магнитных полей в технологиях повышения нефтеотдачи. Оптимизируя подвижность флюидов и снижая сопротивление потоку в пористой среде, технология магнитного поля предлагает многообещающий путь для повышения производительности нефтяных месторождений, особенно в сложных условиях высокого давления.
5. Было признано потенциальное влияние естественной геомагнитной активности, такой как магнитные бури, на экспериментальные установки. Мониторинг геомагнитной активности имеет решающее значение для обеспечения надежности и воспроизводимости результатов в исследованиях, связанных с магнитным полем.
В заключение, это исследование устанавливает преобразующую роль магнитных полей в оптимизации транспортировки флюидов и повышении эффективности систем резервуаров. Результаты прокладывают путь для дальнейшего изучения применения магнитных полей в нефтегазовой промышленности, особенно для повышения коэффициентов извлечения в зрелых и низкопроницаемых резервуарах. Будущая работа должна изучить долгосрочные эффекты магнитных полей и их взаимодействие с различными составами флюидов и геологическими условиями, чтобы подтвердить и расширить эти результаты.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Это исследование не получало внешнего финансирования.
Конкурирующие интересы. Авторы заявляют об отсутствии у них конфликта интересов.
Вклад авторов. Автор внес следующий вклад в концепцию: Эльнур Ф. Ализаде – концептуализация, методология, системный анализ, руководство; администрирование проекта, сбор и обработка материалов, анализ полученных данных.

 

Об авторах

Elnur Alizade

Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.alizade.99@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-8531-1788

Кафедра нефтяной инженерии

Азербайджан, Проспект Азадлыг, 20, Баку, Азербайджан, AZ1010

Список литературы

Дополнительные файлы