Полимерное заводнение.
Автор: student | Категория: Естественные науки / Химия | Просмотров: 3794 | Комментирии: 0 | 24-02-2014 21:24

Полимерное заводнение.

Другой метод повышения эффективности заводнения пластов - так называемое полимерное заводнение, заключающееся в том, что в воде растворяется высокомолекулярный химический реа­гент - полимер (полиакриламид), обладающий способностью даже при малых концентрациях существенно повышать вязкость воды, снижать ее подвижность и за счет этого повышать охват пластов заводнением.

Метод изучается с конца 50-х годов, а в промышленных усло­виях испытывается с 60-х годов. В нашей стране исследования проблем полимерного заводнения наиболее широко проводятся во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследовательском институте и Гипровостокнефти.

Механизм   процесса. Как было показано, от вязкости воды,   вытесняющей   нефть,   от  соотношения вязкостей нефти и воды существенно зависит охват не­однородных пластов заводнением.

Основное и самое простое свой­ство полимеров заключается в загу­щении воды. При концентрации их в растворе 0,01 - 0,1 % вязкость его увеличивается до 3-4 мПа·с (рис. 3). Это приводит к такому же уменьше­нию соотношения вязкостей нефти и воды в пласте и сокращению условий прорыва воды, обусловленных разли­чием вязкостей или неоднородностью пласта. В процессе фильтрации поли­мерных растворов через пористую среду они приобретают кажущуюся вязкость, которая может быть в 10 - 20 раз выше вязкости, замеренной вискозиметром. Поэтому полимерные растворы наиболее применимы в неод­нородных пластах, а также при повышенной вязкости нефти с целью повышения охвата их заводнением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость вязко­сти полимерного раствора μ от концентрации С.

1 - в   дистиллированной воде; 2 - то же, с 1 % NaCl 

 

Кроме того, полимерные растворы, обладая повышенной вяз­костью, лучше вытесняют не только нефть, но и связанную пласто­вую воду из пористой среды. Поэтому они вступают во взаимо­действие со скелетом пористой среды, т. е. породой и цементирую­щим веществом. Это вызывает адсорбцию молекул полимеров, которые выпадают из раствора на поверхность пористой среды и перекрывают каналы или ухудшают фильтрацию в них воды (рис. 4), а на фронте вытеснения при этом образуется вал не­активной воды. А так как полимерный раствор предпочтительно поступает в высокопроницаемые слои, то за счет этих двух эффек­тов - повышения вязкости раствора и снижения проводимости среды - происходит существенное уменьшение динамической не­однородности потоков жидкости и, как следствие, повышение охвата пластов заводнением. Температура пласта от 20 до 90 °С мало влияет на отношение вязкостей (рис. 5). Известно также, что полимерные растворы обладают вязкопластичными, или так называемыми неньютоновскими свойствами, вследствие чего фильтрация их возможна только после преодоления начального градиента сдвига и может улучшаться или ухудшаться в зависи­мости от скорости фильтрации и молекулярной массы полимера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Относительные проницаемо­сти для нефти fн, воды fв,

 раствора ПАА fр в зависимости от насыщенно­сти S.

Фазовая проницаемость для нефти (1, 2) и воды (3, 4) при вытеснении:

1, 3 - водой; 2, 4 - раствором воды + 0,05 % ПАА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Влияние температуры T на отношение вязкостей раствора поли­мера и воды μp/μв при различных концентрациях раствора.

Концентрация, %: 1 - 0,1; 2 - 0,05; 5 - 0,03; 4 - 0,015

 

 

 

Влияние этих свойств полимерных растворов на эффективность вытеснения нефти пока еще изучено слабо. Но установлено, что с повышением скорости фильтрации и с уменьшением размеров поровых каналов кажущаяся вязкость полимерных растворов уве­личивается, т. е. сопротивление пористой среды фильтрации рас­твора возрастает. Это явление обусловливается удержанием поли­мера пористой средой и эластичными свойствами растворенного в воде полимера.

Адсорбция полимера пористой средой. Взаимо­действие растворенного вещества с породой и пластовой водой приводит к тому, что концентрация полимера в растворе умень­шается и перед фронтом полимера образуется вал пластовой воды, а затем воды, лишенной части полимера. На рис. 6 показаны результаты вытеснения дистиллированной воды раствором NaCl (несорбирующегося агента) и полимерным раствором. С увели­чением солености и уменьшением проницаемости пласта адсорб­ция возрастает.

Оценка адсорбции полимерного вещества по промысловым дан­ным при обычных концентрациях полимера (0,03-0,05 %) показы­вает, что адсорбция полимера может составлять 30-150 г/м3 по­роды или 0,15-0,75 кг/м3 пористой среды. Это примерно в 15 - 30 раз меньше, чем адсорбция неионогенных ПАВ в пористой среде. Обычно одним из основных требований, предъявляемых к полимерам, является минимальная адсорбция их на поверхности пористой среды, так как это уменьшает его потери и расход. Однако это упрощенное представление об эффективности вытес­нения нефти полимерным раствором.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Зависимость концентрации С хлористого натрия (1) и полимера (2) в выходящей жидкости от относитель­ного отбора  . 

λ - отставание полимера от фронта вытес­нения

 

Проведенные во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследова­тельском институте (А. М. Полищук, Е. М. Суркова) численные расчеты показали, что этот вопрос значительно сложнее. При вы­теснении нефти из однородных и слоистых пластов полимерными растворами существует оптимальный диапазон адсорбции, соответствующий наилучшим показателям заводнения. При нулевой адсорбции от применения полимеров получается минимальный эффект (рис. 7). Это объясняется тем, что при движении несорбирующегося полимерного раствора в нефтенасыщенной пористой среде, содержащей связанную воду, полимерный раствор переме­шивается с ней и разрушается, а его вязкость уменьшается. В ре­зультате перед фронтом полимера образуется зона неактивной воды и снижается эффективность. Основная же специфика фильт­рации полимерного раствора, как отмечалось, состоит не только в повышении вязкости воды, но и в снижении ее подвижности, в повышении фактора сопротивления в пористой среде при малых скоростях фильтрации раствора, причиной которого является адсорбция полимера в пористой среде. Уменьшение адсорбции полимера снижает фактор сопротивления пласта для воды и охват пласта заводнением.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Зависимость коэффициента вы­теснения βв от относительного отбора   при  разной   сорбируемости    полимера в пористой среде.

Вытеснение:  1 - водой; 2, 3, 4 – полимерный раствор с коэффициентом десорбции 0; 1 и 0,5 соответственно

 

Ухудшение нефтеотдачи пласта при большой адсорбции объяс­няется тем, что фронт полимера сильно отстает от фронта вытес­нения нефти водой. Вследствие этого значительная часть нефти вытесняется неактивной водой, что и приводит к меньшей нефте­отдаче пласта.

Поэтому для эффективного вытеснения нефти полимерным рас­твором желательно иметь умеренную оптимальную адсорбцию полимера в пласте.

Деструкция молекул полимера. Полимерные моле­кулы в водном растворе под действием различных факторов могут необратимо разрушаться вследствие их деструкции или деграда­ции. Деструкция уменьшает молекулярную массу полимера и, как следствие, загущающую способность - основу эффективности его применения в качестве вытесняющего агента.

Деструкция может быть химической, термической, механиче­ской или сдвиговой и микробиологической. Химическая деструкция происходит вследствие взаимодействия кислорода воздуха с поли­мерными молекулами. Поэтому в воде, используемой для приго­товления полимерного раствора, не  должно  быть  кислорода. При  температуре  выше 130 °С наступает термическая деструкция. Меха­ническая деструкция обусловлена разрывом макромолекул поли­мера или их агрегатов при высоких скоростях движения, т. е. при движении растворов полимеров по трубам, насосам и в призабойной зоне пласта. Микробиологическая деструкция полимерных молекул может происходить под действием аэробных бактерий, которые развиваются в пласте при закачке их с водой вследствие окисления нефти.

Технология процесса. Полимерные растворы обычно применяются в виде оторочек размером до 40 - 50 % от объема пор. Размер оторочки, концентрация раствора и тип полимера должны выбираться исходя из неоднородности пласта, микронеоднородно­сти пористой среды и солевого состава пластовой (связанной) воды. При перемешивании полимерных растворов с пластовой со­леной водой происходит разрушение структуры раствора (молекул) в снижение его вязкости. В случае высокой минерализации воды концентрация раствора должна быть в 2 - 3 раза выше.

Давление для нагнетания полимерных растворов всегда тре­буется значительно более высокое, чем при обычном заводнении, чтобы обеспечить необходимые или аналогичные темпы разработки, вследствие увеличения вязкости вытесняющего агента и возникно­вения дополнительного сопротивления пористой среды, а также вследствие проявления кажущейся вязкости раствора,аналогичного (по эффекту) снижению фазовой проницаемости для воды. По этой причине полимерное заводнение может оказаться технически неосуществимым в слабопроницаемых пластах. Система размеще­ния скважин для полимерного заводнения может не отличаться от систем для обычного заводнения, если обеспечиваются необходи­мые давления нагнетания, градиенты давления и темпы отбора нефти. Но вполне логично применение более плотных сеток сква­жин для полимерного заводнения, которое, естественно, может быть только внутриконтурным.

Реализуемые проекты. Испытания полимерных растворов для увеличения нефтеотдачи пластов проводились на нескольких месторождениях в Куйбышевской области, Башкирии, Татарии и Казахстане. Однако наиболее представительными из них явля­ются опыты на Орлянском месторождении и на Ново-Хазинской площади Арланского месторождения.

Будущее метода. Применение метода полимерного завод­нения в будущем будет определяться объемом производста водо­растворимых полимеров, особенно солестойких, для нефтяной про­мышленности. Потребность в полимерах для увеличения нефтеот­дачи пластов выражается десятками тысяч тонн. Как показали исследования, представляется перспективным использование поли­меров в сочетании с другими методами увеличения нефтеотдачи пластов (щелочное заводнение, вытеснение нефти паром, горячей водой, ПАВ, углекислым газом), что позволяет достигать лучшего эффекта.

Большой эффект можно ожидать от создания полимерных мате­риалов новых типов (биополимеров, производимых с помощью микроорганизмов), обладающих требуемыми для нефтяной отрасли свойствами в большей мере, чем полиакриламиды. Эти полимеры должны быть стойкими к деградации, легко растворимыми в воде, малочувствительными к действию солей, должны существенно снижать подвижность воды и быть недорогими.

Особенно широкая область применения полимеров намечается в связи с использованием их для создания буфера подвижности как составного элемента технологии мицеллярных растворов, кото­рая будет рассмотрена ниже. Будущее полимерного заводнения во многом будет зависеть от стоимости полимеров (требуется суще­ственное ее снижение). С этой целью в будущем, возможно, будет применяться внутрипластовая полимеризация, а в пласты будет закачиваться мономер с соответствующим катализатором при определенных давлениях и температуре. И, естественно, масштабы применения полимерного заводнения будут зависеть от цен на нефть. Так как метод относится к дорогим, то экономическая эф­фективность его применения может быть возможна только при вы­соких ценах на нефть.