Игнатенко Маргарита Борисовна. Анализ эффективного применения технологии полимерного
 Скачать 2.66 Mb.
|
|
μ G – вязкость раствора при скорости сдвига G, мПа*с, μ тах – максимальная ньютоновская вязкость, отвечающая условию μ тах =, при G=0, мПа*с, t р – время релаксации, с, т – индекс сдвигового разжижения, характеризующий степень проявления неньютоновского поведения. Приводимое уравнение Саггеа является типичным трансцендентным уравнением, которое может быть решено исключительно численным методом. 28 Точность решения во многом зависит от имеющихся экспериментальных данных по значениям наибольшей ньютоновской вязкости. Получение таких данных не всегда возможно из-за отсутствия вискозиметров, позволяющих проводить измерения при скоростях сдвига менее 1 с -1 (т.н. low-shear viscometers). Значения наибольшей ньютоновской вязкости в реальных условиях, т.е. в условиях конкретного пласта, практически никогда не реализуются. Диапазон реальных скоростей сдвига при фильтрации в пористой среде обычно превышает значение 1 с -1 Реальные значения скоростей сдвига, реализуемые при закачке полимерных растворов в конкретную скважину, могут быть рассчитаны из уравнения (формула 7)): (7) где j – скорость сдвига в пористой среде, с -1 , v – линейная скорость фильтрации, м/с, т – пористость пласта, k – проницаемость пласта, мкм 2 Например, для типичных параметров пласта к<0,2 мкм 2 , т=0,22 и скорости фильтрации в удаленной зоне пласта 0,5 м/сут, скорость фильтрации составит (формула 8)): (8) В подавляющем большинстве случаев диапазон реальных скоростей сдвига (как усредненных, так и в отдельных пропластках, слагающих продуктовый пласт) относится к области реологической кривой (рисунок 6), отражающей псевдопластический характер течения.Математическое описание этой области не требует применения трансцендентных уравнений и достаточно корректно описывается при использовании элементарных функций 29 (экспоненциальной, логарифмической, а лучше всего степенной). Таким образом, располагая паспортными данными по молекулярным характеристикам полимера, базой данных по реологическим характеристикам полимерных растворов в стандартных условиях, может быть рассчитан диапазон вязкостных свойств растворов полимеров конкретной марки как функция концентрации полимера и скорости сдвига в пористой среде. Стабильность полимерных растворов Одним из недостатков гибкоцепных синтетических полимеров акриламида является их подверженность механической, термоокислительной и биологической деструкции. В результате деструкции происходит разрыв макромолекулярных цепочек, уменьшение молекулярной массы полимера и, как следствие, снижение загущающей способности полимерного реагента. Механическая деструкция имеет место при приложении к молекулам полимера механических нагрузок, превышающих некоторое критическое значение. Мерой нагрузки может являться, например, скорость сдвига. При течении жидкости в каналах круглого сечения скорость сдвига рассчитывается по формуле(9): (9) где j – скорость сдвига, с Q – объемный расход, м 3 /с, v – линейная скорость, м/с, r – радиус канала, м, d – диаметр канала, м. При течении в трещинах скорость сдвига также пропорциональна линейной скорости фильтрации и обратно пропорциональна характерному размеру (формула 10)): (10) где b – ширина (раскрытие) трещин, м. 30 Здесь характерным размером поровых каналов является корень из проницаемости. Как видно из вышеприведенных формул, скорость сдвига пропорциональна линейной скорости движения жидкости и обратно пропорциональна размерам проводящих каналов. Максимальная механическая нагрузка имеет место при сочетании обоих признаков. Наглядно разрушение полимера в результате механической деструкции прослеживается в результате т.н. дроссельного эффекта – истечении жидкости через узкие отверстия из линии высокого давления. При реализации технологии полимерного заводнения механическая деструкция полимеров имеет место в узлах насосов (по этой причине недопустимо для перекачки полимерных систем использовать центробежные насосы), в сужении трубопроводов. Механическая деструкция в пористой среде имеет место только в ближней призабойной зоне, на малом удалении от ствола скважины. По мере увеличения радиуса фильтрации скорость фильтрации гиперболически уменьшается и вероятность механической деструкции приближается к нулю. Таким образом, при большой длительности полимерного заводнения, обычно измеряемого годами, процесс механического разрушения полимеров в результате деструкции очень короткий и составляет несколько часов. Другой особенностью механической деструкции полимеров является то, что за длительное время исследования этого процесса не выявлены марки полимеров, отличающиеся повышенной стойкостью к механической деструкции или добавки, увеличивающие эту стойкость. Безусловно, марки полимеров, перспективные для технологии полимерного заводнения, должны тестироваться на предмет стойкости к механической деструкции, но этот тест является сугубо экспериментальным. На стадии анализа рынка полимеров необходимо учитывать, что подверженность к механической деструкции возрастает с увеличением молекулярной массы полимера. 31 В качестве иллюстрации на рисунке 7 показана динамика уменьшения молекулярной массы полимера при перемешивании механической мешалкой раствора полимера. Рисунок 7 – Кинетика механической деструкции полиакриламида в растворе при скорости перемешивания 4000 об/мин Такой характер влияния молекулярной массы на стойкость к деструкции лишний раз показывает, что следует достаточно осторожно подходить к выбору полимера со сверхвысокой молекулярной массой. Это касается как кинетики растворения полимера, так и стойкости к механической деструкции. Рост молекулярной массы ПАА уменьшает также стойкость и к термоокислительной деструкции и приводит к ухудшению технологических свойств растворов под действием температуры и добавок, обладающих окислительно-восстановительными свойствами. В отличие от механических разрушений, термоокислительная деструкция под действием температуры и активных добавок, содержащихся в воде, породе и в самом полимере, продолжается длительное время – весь период полимерного заводнения. Причем происходит разрушение не только макромолекул, присутствующих в 32 растворе и создающих фактор сопротивления, но и молекул, адсорбированных на породе, благодаря чему возникает остаточный фактор сопротивления. В отличие от механической деструкции, термоокислительная деструкция является в большей степени управляемым процессом, как в сторону увеличения, так и уменьшения ее скорости. Имеется достаточно много способов увеличения стойкости полимеров к термоокислительной деструкции, в том числе и на стадии синтеза полимеров. К таким способам относится, в частности, удаление активных микропримесей из полимера. Процесс термоокислительной деструкции является цепным радикальным процессом. Инициировать этот процесс могут следы активных неорганических и органических веществ. Например, добавки меди при ничтожно малой концентрации (менее 0,5 мг/л) могут в несколько раз увеличить скорость термоокислительной деструкции ПАА. Длительное время исходный реагент для полимера (акриламид) получали на медных катализаторах. При этом акриламид и синтезированный из него полиакриламид содержали следы соединений меди, что приводило к завышенной скорости деструкции полимера. В настоящее время передовые фирмы используют способ получения акриламида на основе биосинтеза. Синтезируемые из него полимеры, соответственно, более термостойкие из-за отсутствия меди. Самым распространенным методом увеличения стойкости полимеров к деструкции является применение стабилизаторов деструкции. Наиболее распространенными стабилизаторами являются химические вещества, содержащие в своем составе серу (так называемые дезактиваторы) – меркаптобензтиазол, меркаптобензимидазол, тиомочевина. Концентрация дез- активаторов (как индивидуальных, так и синергетических смесей) обычно составляет 0,5-1,5% от массы полимера. Перечисленные методы незначительно, но все же увеличивают себестоимость полимера. При этом не все фирмы - производители ПАА выпускают продукцию, отличающуюся повышенной стойкостью к 33 термоокислительной деструкции. Причиной является не только стремление отдельных фирм экономить на производстве полимеров, но и то, что подбор эффективных стабилизаторов требует большого объема исследований, как физико-химических, так и фильтрационных. По данному критерию – стойкости к термоокислительной деструкции, как и по стойкости к механической деструкции, следует достаточно осторожно подходить к выбору высокомолекулярных полимеров по той же причине, что скорость к деструкции возрастает с увеличением молекулярной массы полимера (рисунок 8). Рисунок 8 – Кинетика термоокислительной деструкции полиакриламидов в водном растворе при температуре 70°С 34 2. СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 2.1. Выбор химических реагентов для полимерного заводнения Эффективность технологии полимерного заводнения в значительной степени определяется свойствами используемых реагентов. Выбор реагентов должен осуществляться с учетом индивидуальных особенностей и состояния разработки конкретного месторождения. На первом этапе выбор реагентов, потенциально пригодных для условий объекта воздействия, осуществляется на основе данных о физикохимических свойствах, предоставляемых производителями, с учетом экономического фактора и доступности реагента. На втором этапе проводится анализ по данным лабораторных исследований наиболее перспективных образцов полимеров, включающий обзор основных характеристик по типовым схемам. На данном этапе анализ проводится по следующим физико-химическим параметрам: - дисперсность порошка полимера; - содержание основного вещества; - характеристическая вязкость; - степень гидролиза; - растворимость в модельной воде; - нерастворимый остаток; - реология растворов в свободном объеме. По результатам второго этапа, в соответствии с техническими требованиями к полимерам для технологий полимерного заводнения, выбираются образцы для дальнейшего анализа. Последним заключительным этапом является анализ детальных исследований технологических свойств 1 - 2 наиболее подходящих образцов в условиях, максимально приближенных к реальным. Основными 35 технологическими характеристиками растворов являются: фактор и остаточный фактор сопротивления как функция концентрации, скорости фильтрации и проницаемости; адсорбционные характеристики полимеров; стабильность полимеров в пористой среде. 2.1.1. Обзор физико-химических показателей образцов полимеров Анализ молекулярных характеристик полимеров Из большого ассортимента промышленно выпускаемых в настоящее время водорастворимых полимеров, предоставленных нам различными производителями, для лабораторных испытаний были выбраны 16 образцов. Из них 15 полимеров представляют собой синтетические водорастворимые сополимеры акриламида с различными мономерами, улучшающими совместимость с высокоминерализованными водами и стойкость к термо- окислительной деструкции. Также для анализа был выбран биополимер ксантановая камедь, производства фирмы «ADM» (США). Результаты анализа основных молекулярных характеристик тестируемых полимеров акриламида представлены в таблице 2. Молекулярные массы образцов полимеров находятся в диапазоне от 7 до 23 млн.; содержание карбоксильных групп варьируется в пределах от 1 до 22 % мольн. 36 Таблица 2 – Физико-химические характеристики полимеров № Марка полимера Производитель Содержание основного вещества, % Степень гидролиза , % Характерис- тическая вязкость, дл/г Молеку- лярная масса млн. 1 Superflock A 100 “KEMIRA” 90,3 4 13,7 6,9 2 Superflock A 110 90,0 10,6 15,7 8,4 3 FP 5115 “SNF FLOENGER” 91,2 7,3 14,4 7,3 4 FР 5115 SН 90,6 9,6 17,4 10,4 5 FLОСОМВ С 6210 90,2 10,8 23,6 18,4 6 Superpusher K 129 90,8 7,7 22,1 16,7 7 FLОРААМ 1630 S 90,0 8,1 26,2 23,2 8 FLОРААМ 6010 S 91,0 13,1 23,2 17,4 9 FА 920 VНМ 91,2 1,0 17,3 11,2 10 АN 910 VНМ 91,8 8,0 20,9 15,0 11 АН 912 VНМ 90,4 2,1 16,9 10,5 12 SANFLOC AM- 200Р «SANYO Chemical Co. Ltd» 91,9 13,9 19,6 12,4 13 РОLEOR АТС №800 Китайские фирмы 90,5 1,3 15,7 9,3 14 РОLEOR-Z 3020 90,8 22,1 21,7 14,0 15 РОLEOR АТС А- 1800 91,2 19,5 18,6 10,6 16 ОРТIXAN (ксантановаякаме дь) «АDМ» США - - - - 37 В таблице 2, наряду с молекулярными характеристиками, приведены также содержание основного вещества в выбранных полимерных реагентах по потере в массе после высушивания при температуре 110 о С в течение 2 часов. Как видно из таблицы, все проанализированные регенты характеризуются содержанием основного вещества в диапазоне 90 – 92 %, что соответствует принятым нормативным требованиям. Анализ растворимости полимеров Растворимость является важным параметром при выборе реагентов для технологии полимерного заводнения, особенно для условий неглубоко залегающих пластов. Анализ показал, что 11 из 15 образцов полимеров акриламида удовлетворительно растворяются в высокоминерализованной модельной воде месторождения ХХХ (таблица 3). Плохой растворимостью в данной воде ха- рактеризуются образцы полимеров марок FLОСОМВ С 6210, FLОРААМ 6010 S, РОLEOR-Z 3020, РОLEOR АТС А-1800. Полученные результаты подтверждают литературные данные о плохой совместимости с высокоминерализованными водами полимеров акриламида, обладающих высокой анионностью заряда макромолекул. Вышеперечисленные образцы полимеров с плохой растворимостью исключаются из дальнейшего анализа. Необходимо отметить, что в реальных условиях промысла время растворения полимеров будет в 2 – 3 раза меньше, чем определенное в лабораторных условиях, из-за действующего перепада давления (до нескольких десятков кг/см 2 ) при попадании частиц полимера на прием насоса и в линию высокого давления (см. главу 1.). 38 Таблица 3 – Фракционный состав и растворимость полимеров. Растворитель - модельная вода, 116 г/л № Показатели Н ор м а Марка полимера S u p e r fl o c A 1 00 S u p e r fl o c A 1 10 F P 5115 F P 5115 S H F LО С О М В С 6210 S u p e r p u sh e r K 129 F LО Р А А М 1630 S F LО Р А А М 6010 S F А 92 0 V Н М А N 910 V Н М А Н 91 2 V Н М S A N F LO C AM -200 Р Р О L EO R А ТС № 800 Р О L EO R -Z 3020 Р О L EO R А ТС А -1800 О Р ТI X A N 1 Дисперсность порошка, % масс.: - фракции с размером частиц менее 0,25 мм - фракции с размером частиц более 1,0 мм < 10 < 10 2,5 3.6 3,3 2,5 2,1 2,8 3,8 3,1 4,0 3,6 3,0 2,9 2,5 3,0 3,7 4,2 4,1 4,0 3,6 3,1 3,5 4,3 4,3 3,0 4,0 3,0 4,3 2,5 3,9 4,0 тон код ис пе рс ны й по рош ок 2 Время растворения, мин < 240 240 240 150 180 300 210 210 300 240 240 240 240 240 300 300 30 3 Нерастворимый остаток, % < 0,3 0,22 0,20 0,11 0,13 1,84 0,15 0,12 2,0 0,22 0,28 0,30 0,25 0,31 3,3 2,9 - 39 2.1.2. Обзор реологических исследований выбранных образцов в свободном объеме на модельной воде При движении полимерного раствора в линии нагнетания и при фильтрации в пористой среде возникают различные режимы течения. При этом реологические свойства растворов полимеров не могут быть охарактеризованы каким-то определенным значением вязкости. Вязкость полимерных растворов существенным образом зависит от скорости сдвига. Применительно к полимерным растворам, используемым для полимерного заводнения, можно выделить четыре типа течения: ньютоновское (идеальное), псевдопластическое, дилатантное и комбинированное. Течение растворов полиакриламидов при низких скоростях сдвига (менее 1 с -1 ) носит явно выраженный ньютоновский характер. В низкосдвиговой области вязкость полимерного раствора максимальна и является постоянной величиной. При простом сдвиговом течении с увеличением скорости сдвига эффективная вязкость растворов полиакриламидов снижается, т.е. наблюдается проявление псевдопластического режима течения. При фильтрации в пористой среде, в зависимости от ее характеристик, а также от свойств полимера и растворителя, может проявляться как псевдопластический режим течения полимерного раствора, так и дилатантный. Иногда с ростом скорости сдвига в пористой среде может наблюдаться смена псевдопластического режима дилатантным (или наоборот); такое течение называется комбинированным. Диапазон реальных скоростей сдвига в пласте на расстояниях от 5 и более метров от скважин на выбранных объектах для полимерного заводнения в среднем составляет от 1 до 200 с -1 . Фильтрация растворов непосредственно в призабойной зоне происходит под действием высоких сдвиговых нагрузок, при которых происходит частичное разрушение макромолекул полимера с необратимым снижением вязкостных характеристик раствора (т.н. механическая деструкция). В связи с этим, оценка стойкости полимеров к механической деструкции является важным этапом при выборе загущающего 40 реагента для конкретного промыслового объекта. На величину вязкости полимерных растворов при равных сдвиговых нагрузках влияют молекулярные характеристики полимера, концентрация, минерализация растворителя и температура. Как видно из представленных данных, течение растворов анализируемых полимеров в свободном объеме в диапазоне скоростей сдвига 0,61 - 122,0 с -1 носит явно выраженный псевдопластический характер. При одной и той же концентрации полимеров различие в вязкости растворов у разных образцов весьма существенно и зависит от их молекулярного строения (молекулярной массы, строения мономерных звеньев, содержания анионных групп и др.). С увеличением температуры растворов полимеров от 25 до 40 о С их кажущаяся вязкость снижается в 1,15 – 1,35 раза. Анализируя реологические данные, можно расположить исследуемые образцы полимеров в порядке увеличения их загущающей способности в следующий ряд (таблица 4). Таблица 4 – Загущающая способность полимеров (Сп=1,5 г/л; С s =116 г/л; j=6,1 с -1 ) |