Метод увеличения эффективности заводнения щелочными водами в варианте водных растворов соды известен давно. У нас в стране возможности этого метода впервые были изучены экспериментально А.Д.Архангельским и и М..А.Жиркевич [l] в конце 20-х годов. В част­ности, ими было установлено, что коэффициент вытеснения при приме­нении в качестве вытесняющей жидкости содовых растворов, был на 3-15 % больше, чем при применении соленой воды, причем это увеличе­ние достигалось как при закачке содового раствора с начала вытес­нения, так и после практически закончившегося вытеснения соленой водой, то есть при до вытеснении остаточной нефти. Позже исследова­ния с целью оценки эффективности применения щелочной воды, глав­ным образом естественной пластовой, проводились многими бакинскими исследователями, в том числе В.С.Гориным, В.М.Барышевым, Г.А. Бабаляном и др.

         Следует отметить, что в ранних исследованиях внимание акцен­тировалось на естественных щелочных водах, нагнетаемых как в тече­ние всего процесса заводнения, так и периодически, путем создания оторочек щелочной воды. Вязкость вытесняемой нефти отдельно, как фактор, определяющий эффективность вытеснения, не рассматривалась.

В результате большого количества исследований В.Т.Малышек предложил следующую классификацию нефтей по степени их активнос­ти, которая основывалась на содержании органических кислот:

1) неактивные нефти, содержащие до 0,06% органических кис­лот. Поверхностное натяжение этих нефтей на границе с пластовой щелочной водой, а также с морской водой (Каспийское море) разня­лось около 25-35 мН/м;

2) малоактивные нефти, содержащие от 0,1 до 0,25% органичес­ких кислот и других соединений, способных омыляться щелочью. Такие нефти характеризуются поверхностным натяжением на границе с морской водой от 14 до 25 мН/м. Эти нефти сравнительно мало обо­гащается ПАВ из-за взаимодействия с щелочными водами. Поверхност­ное натяжение малоактивных нефтей на границе с щелочными пласто­выми водами равно 7-8 мН/м;

3) активные нефти, содержащие от 0,3 до 1,0% органических кислот. Поверхностное натяжение этих нефтей на границе с морской водой изменяется от 1,0 до 7,0 мН/м; при применении растворов щелочей снижается до величин, меньших I мН/м;

4) высокоактивные нефти, содержащие от I и более процентов органических кислот. Поверхностное натяжение на границе с пласто­вой щелочной водой доходит до 0,1 мН/м. На границе с морской водой колеблется от 12 до 25 мН/м.

В последние годы щелочное заводнение, как метод увеличения нефтеотдачи пластов, получил дальнейшее развитие в работах А.Г.Ковалева, А.Т.Горбунова и многих других советских ученых, а также зарубежных исследователей [2,3,4,5].

Механизм процесса. В результате многочисленных исследований советских и зарубежных исследователей было установлено, что при определенных ус­ловиях вытеснение нефтей повышенной и даже высокой вязкости раст­ворами щелочей или щелочных реагентов может быть несравненно бо­лее эффективным, чем вытеснение солеными или жесткими пресными водами.

        Очевидно, что эффективность вытеснения различных нефтей ще­лочными растворами должна определяться влиянием или действием каких-то отдельных факторов или их совокупностью. К числу этих факторов следует прежде всего отнести характер взаимодействия раствора щелочи с нефтью, поведение нефти на поверхности зерен породообразующих минералов, образование в пласте в результате взаимодействия щелочных растворов с активными компонентами нефти вала высокодисперсной эмульсии.  Характер взаимодействия нефти с растворами щелочей и поведение капель нефти на поверхности зерен  породообразующих минералов могут изменяться в зависимости от свойств и характеристик продуктивного пласта, насыщающих его жид­костей и некоторых показателей динамики процесса вытеснения.

        Многочисленные лабораторные исследования процессов вытесне­ния дегазированной нефти растворами щелочей различной концентра­ции из пористых сред позволяют считать, что основным фактором, определяющим более эффективное извлечение нефти из пород, по срав­нению с обычный заводнением, является фактор исключительно рез­кого снижения поверхностного натяжения на границе нефть - щелоч­ной раствор.

        Причем совершенно точно установлено, что чрезмерно резкое снижение поверхностного натяжения происходит в очень узком диапа­зоне концентрации. Этот диапазон концентраций щелочи, когда по­верхностное натяжение применяемыми в лабораториях приборами фак­тически трудно измерить, для разных нефтей различен как по абсо­лютным величинам концентраций, так и по разности концентраций.

        На рис. 1 приведены два графика, иллюстрирующие изменение поверх­ностного натяжения нефтей двух различных месторождений на грани­це с растворами NaОН  разной концентрации [3] . Если для неф­ти А  концентрация щелочи, при которой поверхностное натяжение чрезмерно мало (фактически не измеряется) изменяется от 0,09 до 0,12 мН/м, то для нефти Б поверхностное натяжение не­возможно замерить (из-за его малости) при концентрациях от 0,05 до 1,0%.

        Согласно общим представлениям, если поверхностное натяжение на границе раствора щелочи с какой-то нефтью исчезающе мало, то вытеснение отдельных капель или глобул нефти из пористой среды, проталкивание их через систему каналов самой различной конфигу­рации, в том числе с пережатиями, не составляет труда.

       Однако проталкиваться через систему перовых каналов могут только те капли и глобулы нефти, которые не связаны с поверх­ностью породообразующих минералов или связаны слабо, частично и могут легко отрываться.

       Факт резкого снижения поверхностного натяжения или наличие так называемого "провала" на графике рис. 1 позволяет предпола­гать, что при перемещении отдельных капель и глобул нефти через систему поровых каналов будет продолжаться, во всяком

Рис. 1. Изменение поверхностного натяжения от концентрации щелочи

случае некоторое время, их дробление, то есть диспергирование. В результате может образоваться эмульсия. Причем процесс образования эмульсии может интенсифицироваться за счет естественных эмульгаторов, содержащихся в нефти. Эмульсия типа "нефть в воде", имея разные характеристики в зависимости от типа и свойств нефти, ко­личество которой может изменяться по мере перемещения смеси по пласту, сама по себе обусловливает дополнительное извлечение неф­ти, например, из уже обводненного пласта. Вполне логично допус­тить, что количество дополнительно извлеченной нефти будет зави­сеть от количества и характера распределения остаточной нефти, то есть нефти, извлекаемой или еще не извлеченной из обводнившегося пласта к моменту закачки щелочей.

          Образование в пласте вала высокодисперсной эмульсии являет­ся одним из важных факторов, определяющих повышение нефтеотдачи, пластов при щелочном заводнении. Образование эмульсии обусловле­но взаимодействием щелочных растворов с активными компонентами нефти. В результате такого взаимодействия происходит омыление ак­тивных компонентов нефти, что в свою очередь приводит к резкому снижению поверхностного натяжения. Уровень снижения поверхностно­го натяжения на границе нефти со щелочным раствором - основной критерий при определении возможности применения щелочного заводнения на том или ином месторождении. Говоря о вале эмульсии в пласте, необходимо отметить, что для получения наибольшего эффекта от щелочного заводнения очень важно, чтобы эмульсия сохраняла свою стабильность в течение длительного времени в процессе движения по пласту.

          Факт образования эмульсии, которая может перемещаться по пласту, позволяет предполагать, что зона эмульсии, или, лучше сказать, вал эмульсии, которая, как все эмульсии, имеет высокую ' вязкость, будет действовать как поршень, вытесняющий подвижную нефть, содержащуюся в пласте перед нагнетанием раствора щелочи.          

          Эффективное действие щелочного раствора, обусловливающего дополнительное иди более полное вытеснение нефти при условии под­бора концентрации, соответствующей "провалу"' значений поверхност­ного натяжения, то есть его уменьшению до величины, не поддающей­ся определению при существующей лабораторной технике, было уста­новлено в многочисленных экспериментах.

          Однако следует отметить, что наиболее убедительная динамика до вытеснения и более эффективного вытеснения наблюдается для нефтей повышенной и даже высокой вязкости (при условии, что все они на границе со щелочным раствором определенной концентрации имеют исчезающие малые значения поверхностного  натяжения).

    Многие исследователи [3 и др.] при анализе результатов исследований исходят из того, что при фильтрации через пористую среду щелочного раствора происходит изменение смачиваемости поверхности зерен породообразующих минералов. Этот фактор, как влияющий на эффективность до вытеснения и вытеснения нефти, под­дается наименее надежной оценке. Дело в том, что измерение смачиваемости внутренней поверхности поровых каналов практически не­возможно, особенно, если речь идет о естественных породах, содер­жащих полимерные включения, в том числе и в виде цемента.

       Тем не менее имеется большое количество экспериментальных данных, которые дают основание считать, что многие химические реагенты, в том числе и щелочь, поступая в гидрофобную среду, делают ее гидрофильной. Однако степень изменчивости смачиваемости и влия­ние этой изменчивости на эффективность вытеснения в большей сте­пени зависит от ряда условий, в том числе температуры процесса. Изменение смачиваемости гидрофобного пласта при щелочном завод­нении, когда поверхностное натяжение оказывается чрезвычайно ма­лым, может способствовать более полному извлечению нефти, так как изменение смачиваемости будет способствовать отрыву капель и глобул нефти с поверхности породообразующих минералов.

       Не исключается и возможность такого факта, когда гидрофиль­ные участки породы при контактировании со щелочными растворами (при соответствующих условиях) могут стать гидрофобными. В этой случае разрозненные капли и глобулы нефти будут растекаться по гидрофобной поверхности, образуя неразрывную фазу, тем самым обеспечивая течение ее под действием существующего градиента давления.

           При гидрофобизации гидрофильной поверхности внутрипорового пространства образуется эмульсия типа "вода в нефти". В конечном итоге вытеснение нефти может оказаться очень эффективным, и в заключительной стадии процесса в пористой среде останется очень небольшое количество нефти. Таким образом, можно заключить, что дополнительное извлечение нефти или более эффективное вытеснение ее при применении в качестве вытесняющего агента щелочных раст­воров обусловлено чрезвычайно низким поверхностным натяжением на границе нефть - раствор, которое способствует образованию эмульсии, что в условиях изменения характеристики смачиваемости (с гидрофобной на гидрофильную и наоборот) приводит к очень низкому содержанию остаточной нефти в пористой среде. Причем образование эмульсии из части остаточной нефти приводит к существенному уве­личению фильтрационных сопротивлений при закачке раствора, во вся­ком случае в зоне фильтрации раствора. Это обстоятельство способ­ствует возникновении фильтрации жидкостей в других пластах и пропластках, ранее не участвовавших в процессе нефтеотдачи, то есть увеличению коэффициента охвата и, как следствие этого, к увеличе­нию нефтеотдачи.

          В конечном итоге все это в значительной степени повышает эффективность применения щелочных растворов в качестве вытесняющего и до вытеснявшего агента (при свойствах нефти, обус­ловливающих резкое уменьшение поверхностного натяжения на грани­це со щелочным раствором).