апк3а. Анализ эффективности применения технологии полимерного
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
1.2 Анализ выбора полимера для заводнения Существует множество различных агентов для полимерного заводнение, но в основном на промысле используется полиакриламид с разными добавками. Промышленные полимеры делятся на два класса: полиакриламиды и полисахориды. Дальше в работе мы будем обращаться именно к ним. На рисунке 1 представлена типичная молекулярная структура полимеров. Биополимеры ксантановой смолы, например, полисахарид ксантан (ксантановая камедь) – по своей природе является полисахаридом и относится к группе стабилизаторов. Общая формула (С 35 H 49 O 29 ) n .[3] Раствор ксантана устойчив к ферментам, спиртам, ПАВам, кислотам (кроме соляной) и щелочам, высоким (до 120 о С) и низким (до – 18 о С) температурам. В смеси с другими камедями эффект применяется в качестве загустителя для буровых растворов. Полисахариды образуются в процессе бактериального брожения за счет полимеризации молекул сахаридов (рисунок 1 (b)). Однако после процесса остается много обломков, которые необходимо убрать до закачки полимера (Веллингтон, 1980). Из недостатков полисахаридов можно выделить их чувствительность к бактериальному воздействию после закачки в пласт. Но при этому они невосприимчевы к минерализации и жесткости воды. На рисунке 1 14 (b) можно видеть причину данной невосприимчивости. Так как молекулу полисахарида можно считать неионогенной, следовательно, на нее не действует ионогенное экранирование. В результате того, что структура полисахарида более развернутая, чем у частично гидролизованного полиакриламида, а вращение углеродной связи с атомом кислорода в кольце не полное, то увеличение вязкости раствора происходит за счет сцепления и добавления в раствор более жесткой структуры. Полисахариды не дают уменьшения проницаемости. Молекулярный вес полисахаридов колеблется в районе миллионов г/моль. Рисунок 1 – Молекулярные структуры (Уилхайт и Доминквец, 1977) (а) – Частично гидролизованный полиакриламид (b) – Полисахарид (биополимер) В 1960-х годах в СССР изучали методы увеличения вытесняющей способности воды, которые заключались в добавлении различных химических б а 15 реагентов для увеличения вытеснения нефти из малопроницаемых зон пласта. Биополимер «Продукт БП-92» в 1999 году был внедрен на Покамасовском месторождении. Было произведено 69 операций по закачке реагента в пласт. В пласт было закачено 50 тыс. м 3 реактива . Технологический эффект от применения данного полимера составил более 500 тонн дополнительно добытой нефти на 1 тонну реагента. Полиакриламиды или частично гидролизованные полиакриламиды состава (-CH 2 CHCONH 2 -) n используются в нефтяной промышленности для заводнения пластов и проведения ремонтно-изоляционных работ в скважине, также применяются при нефтедобыче как регулятор водоотдачи и ингибитор набухания глины.[3] Полиакриламиды называют частично гидролизованными из-за того, что в процессе полимерного заводнения полимер подвергается частичному гидролизу. В результате гидролиза, анионные карбоксильные группы (-COO - ) оказываются разбросанными вдоль основной цепи макромолекулы. Мономерноге звено макромалекулы полимера представлено молекулой акриламида. Степень гидролиза помогает оптимизировать определенные свойства, такие как растворимость в воде, вязкость и удерживающая способность. Стараются сделать так, чтобы степень гидролиза составляла 30-35% акриламидных мономеров. Потому что если степень гидролиза будет намного меньше, то полимер не сможет раствориться в воде. А если степень гидролиза будет слишком большой, то полимер будет слишком чувствителен к действию минерализации и жесткости (Шуп, 1998). Характерная особенность гидролизованного полиакриламида увеличивать вязкость заключается в его большом молекулярном весе. Частично гидролизованные полакриламиды обладают особенностью увеличивать вязкость за счет большого молекулярного веса. Усиление этой способности происходит за счет анионного отталкивания между молекулами полимера и между сегментами одной и той же молекулы. В результате 16 отталкивания, молекулы раствора растягиваются и сцепляются с другими растянутыми молекулами. Это приводит к уменьшению подвижности при повышенных концентрациях Недостатком частично гидролизованого полиакриламида является чувствиетльность к минерализации и жескости воды. Так как при повышенных данных показателей, отталкивание молекул уменьшается. Это происходит из-за ионного экранирования, т.к. свободно вращающиеся углерод-углеродные связи (рисунок 1 (а)) позволяют молекуле свернуться в клубок. Следовательно снижается сцепление и тем самым уменьшается эффективность полимера. Однако частично гидролизованный полакриламид обладает стойкостью к действию бактерий, является относительно недорогим агентом и дает постоянное уменьшение проницаемости. Каждый из классов по своему эффективен и выгоден в применении. Хотя частично гидролизованный полиакриламид дешевле полисахаридов, но при высокой минерализации разница в цене будет не значительна. Ксантовые смолы лучше загущают жесткую воду, а полиакриламиды более стабильны в щелочных условиях.[1] Также хотелось бы отметить, что оба класса претерпевают химическую деструкцию и не допускают высокого содержания кислорода или ионов железа, а лучше и полностью исключить кислород. Поэтому необходимо подбирать полимер исходя из пластовых условий. 1.3 Анализ геологических особенностей применения полимерного заводнения При выборе полимера необходимо рассмотреть геолого-физические условия (ГФУ) применения для ПЗ, чтобы применение ПЗ было более эффективным. В последнее время диапазон ГФУ значительно расширился. Изменения в количестве и качестве полимера связаны с новыми разработками в нефтехимии. Так, благодаря работе ученых удалось создать полимеры, сохраняющие свою структуру под воздействием высоких пластовых температур и минерализации пластовой воды. Кроме того, с целью повышения 17 устойчивости полимера к жестким средам применяют специальные защитные добавки. Строение Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна представлено преимущественно переслаиванием песчано-влевритовых толщ и глинистых покрышек. Нижняя покрышка, куда входят отложения васюганской свиты верхней юры и нижнемеловые отложения, является одновозрастной большей части коллекторов и сочленяется с ними по латерали. В зоне сочленения распространена толща переслаивающихся песчано-алевритовых коллекторов и глинистых флюидоупоров, имеющих важное значение в нефтегазоносном отношении (рисунок 2). Стоит отметить, что отложения, залегающие ниже и выше по разрезу, имеют разную степень катагенетического преобразования. Чем ниже залегает толща, тем выше степень изменения. Залегающий выше по разрезу флюидоупор отличается значительной толщиной и изолирующими свойствами (рисунок 2). Большая толщина нефтегазоносных комплексов, превышающая 2 км, резкая фациальная изменчивость отдельных пластов и пачек пород, присутствие глинистых и глинисто-карбонатных прослоев обусловливают значительное изменение фильтрационно-емкостных свойств пород-коллекторов. Толщины пластов- коллекторов в основном имеют значение 2-5 м. Покрышки над нефтяными залежами превышают 10 м, а над уникальными газовыми – достигают 800 м.[4] 18 Рисунок 2 – Схематическое изображение нефтегазоносных объектов осадочного чехла Западно-Сибирской плиты (по И.И. Нестерову и М.Я. Рудкевичу) Ⅰ – коллекторы; Ⅱ – нетрадиционные коллекторы; Ⅲ – флюидоупоры; Ⅳ – породы фундамента; Ⅴ – названия региональных нефтегазоносных комплексов. Цифрами на схеме обозначены: 1 – покрышка мелового комплекса; 2 – меловой комплекс: 2.1 – осложненная часть, 2.2 – неосложненная часть; 3 – покрышка юрского комплекса; 4 – юрский комплекс 19 Для полимерного заводнения предложено несколько критериев отбора (таблица 1). Таблица 1 – Параметры полимерного заводнения Характеристики коллектора Текущий диапазон применения Проницаемость, мкм 2 0,01 – 1 Температура, ℃ 80 – 120 Литологический состав Песчаник Вязкость нефти в пласте, мПа∙с < 40 Плотность нефти, кг/м 3 < 965,9 Минерализация, г/л < 270 Нефтенасыщенность, % > 20 Предпочтительнее выбирать для ПЗ однородные пласты, которые характеризуются более равномерным характером течения. Применяя полимерное заводнение, необходимо учитывать такие важные параметры, как проницаемость пласта, пластовая температура и минерализация воды, поскольку, например, при низкой проницаемости возможно возникновение проблемы, связанной с приемистостью реагента пластом. Фильтрационно-емкостные свойства терригенных пород имеют разные значение как с глубиной, так и по латерали. Так, величина пористости с глубиной колеблется от 5 до 35 %, а проницаемость составляет от 0,1 до 3000 мД. Среди разных типов коллекторов чаще всего встречаются первично – и вторично-поровые, а также порово-трещинные; на глубинах свыше 3 км – трещинные коллекторы. Значение пористости зависит от многих факторов: от медианного размера зерен, гранулометрический состав пород, цемент (глинистый или карбонатный), степень отсортированности осадка, степень его уплотнения и преобразования. 20 Учитывая тот факт, что в карбонатных коллекторах присутствуют такие ионы, как Ca 2+ и Mg 2+ , в данных коллекторах происходит осаждение полимера солями кальция и магния, что отрицательно сказывается на процессе заводнения. Так же карбонатные коллектора следует избегать из-за неоднородности и низкой проницаемости скелета породы. Стабилизаторы позволяют полимеру сохранять устойчивость к высокой пластовой температуре, а также не дают полимеру осаждаться из раствора. Оценить температуру внутри пласта возможно с помощью геотермического градиента, который показывает прирост температуры на каждые 100 м с глубиной, а также с помощью геотермической ступени – величина, обратная геотермическому градиенту. Наряду с нормальными пластовыми температурами присутствуют участки с аномально высокими или аномально низкими пластовыми температурами. Таким образом, аномально высокая температура характерна для антиклинальных структур, а аномально низкая – для синклинальных. Пониженные значения пластовой температуры в синклиналях объясняются тем, что синклинальные впадины вмещают в себя больше глинистого осадка, которые обладают низкой теплопроводностью. Антиклинали, наоборот, слагают больше песчаники, имеющие повышенную теплопроводность. Повышенную следует считать температуру, значение которой составляет более 95 ℃ при градиенте более 4 ℃/100 м. Давление для закачки полимерных растворов в пласт должно быть выше давления обычного заводнения. Соответственно, давление должно быть около 20 МПа. Такое давление необходимо, чтобы поддерживать пластовое давление из-за повышения вязкости вытесняющего агента, появления дополнительного сопротивления среды, а также из-за проявления кажущейся вязкости раствора. По этим причинам ПЗ окажется малоэффективным в слабопроницаемых пластах. В ходе фильтрации через пористую среду в растворе проявляется кажущая вязкость, как уже говорилось выше. Вязкость оказывается в 10-20 раз выше вязкости, измеренной вискозиметром. В результате этого ПЗ более 21 эффективности применять для нефти, обладающей высокой вязкостью, чтобы увеличить коэффициент охвата пласта заводнением. При перемешивании полимера и пластовой воды наблюдается разрушение молекул и соответственно снижение вязкости. Если пластовая вода обладает высокой минерализацией, то концентрация полимера должна быть в 2-3 раза выше. Однако для эффективного ПЗ лучше использовать слабоминерализованную воду с небольшим содержанием кальция и магния. При неэффективном вытеснении происходит прорыв воды к добывающим скважинам, что способствует увеличению обводнения. В данном случае соотношение подвижностей нефти и воды неблагоприятное (коэффициент подвижности близок к 1), поэтому закачка полимера в пласт повысит коэффициент охвата. Причинами прорывов могут служить: зональная и слоистая неоднородности пласта, залегание подошвенных вод, наличие высокопроницаемых трещин или каналов (особенно характерно для трещиновато-пористого коллектора), а также негерметичность эксплуатационной колонны. В пределах Западной Сибири свойства нефти в условиях пласта отличаются многообразием как по степени газонасыщенности, так и по физическим свойствам. Так, в частности, газовый фактор дифференциального разгазирования колеблется от 27-30 м 3 /т до 120-180 м 3 /т. Соответственно, с ростом газосодержания давление насыщения увеличивается от 6-8 МПа до 19- 22 МПа, вязкость нефти при пластовых давлении и температуре изменяется от 0,6-1,0 мПа·с до 8-10 мПа·с.[5] Так как для эффективного полимерного заводнения нужны пласты терригенных пород, со средней проницаемостью 0,2-1мкм 2 и вязкостью нефти в пределах 3-40 мПа*с, то месторождения Западной Сибири оптимально подходят для этого метода. Недоступный поровый объём В малых участках порового пространства, из-за их размера, молекулы полимера не могут проникать в них, вследствие чего, часть порового 22 пространства остается незатронутой или недоступной для полимера. Это приводит к ускорению прохождения полимерного раствора через проницаемую среду. С другой стороны, недоступный поровый объем можно объяснить с помощью эффекта исключения пристенной области из зоны течения. Слой полимерной жидкости у стенки поры имеет меньшую вязкость, чем жидкость в центре, что вызывает кажущееся проскальзывание жидкости. Предельное значение недоступного порового объема достигает 30 % от всего порового пространства. Так же при увеличение молекулярного веса полимера и уменьшение отношения проницаемости к пористости, недоступный поровый объем становится более выраженным. Следовательно, можно сказать, что недоступный поровый объем зависит от молекулярного веса полимера, проницаемости среды, пористости и распределения пор по размерам.[6] 1.4 Физико-химические свойства полимеров При использование в промышлености полимерных соединений, одним из важных факторов является их физическое состояние. Так существует три физических состояниях полимеров: порошкообразное, бульонные культуры и эмульсии. Самым первым появились порошкообразные полимеры. Данный вид полимеров чаще всего используют из-за просто хранения и легкой транспортировки. Однако отдельное внимание стоит уделить их смешиванию, так как существует тенденция, что полимер при первом контакте с водой будет образовывать очень вязкие гидрационные слои вокруг частиц. Это приводит к замедлению последующего растворения. Из бульонной культуры намного проще приготовить полимерный раствор, нежели из порошкообразного полимера, так как она представляет из себя водную суспензию полимера. Однако связи с большим объемом воды, которое необходимо транспортировать и хранить, данное физическое состояния полимера выходит значительно дороже. Одним из недостатков бульонных культур является их высокая вязкость, из-за чего для перемешивания требуется специальное оборудование. 23 В полимерной эмульсии содержание полимерного раствора во взвешенном состояние достигает 35 % в несущей масляной фазе. Благодаря инвертированию водомасляной эмульсии и добавлению воды, мы получаем полимерный раствор нужной для закачки концентрации. Эмульсия имеет примерно ту же скорость течения, что и масляная фаза. Зависимость вязкости полимера от концентрации В основу построения кривой зависимости вязкости от концентрации (рисунок 3) легло уравнения Флори Хаггинса (Флори, 1953) [6]: [ ] (1) где С 41 – концентрация полимера в водной фазе, µ 1 – вязкость раствора (растворителя), a 1 , a 2 и т.д. являются константами. В связи с тем что полимер находится в водной фазе, то индекс 1 у концентрации полимера можно опустить. Концентрация полимера измеряется в г/м 3 .Линейный член уравнения (1), отвечает за диапазон разбавления, в котором молекулы полимера действуют независимо (без зацепления). В общем случае уравнение можно сократить по кубическому члену. Как видно из рисунка 3, для раствора полимера Ксанфлад, при концентрации 1000 г/м 3 в 1% раствора NaCl и температуре 24 o С, вязкость равна 60 мПа*сек (60 сантипуаз). Из чего можно сделать вывод, что в данных условиях Ксанфлад является хорошим загустителем. Загущающую способность полимера можно определить через его характеристическую вязкость: [ ] [ ] (2) Характеристическая вязкость является критерием загущающейся способности полимера, и как член a 1 в уравнение (1) является константой. И если рассматривать пример упомянутый ранее, то для полимера Ксанфлада в тех же условиях характеристическая вязкость будет равна 60 дл/гр. Так же хотелось бы отметить, что она не чувствительна к концентрации полимера. 24 Рисунок 3 – Зависимость вязкости раствора полимера Ксанфлад от концентрации в 1% NaCl (Цаур, 1978) Но при увеличение молекулярного веса полимера характеристическая вязкость увеличивается, согласно формуле: [ ] (3) Показатель степени колеблется между 0.5 и 1.5, и его величина выше в случае хороших растворителей, как например, пресная вода. K’ – константа, характерная для конкретного полимера. Так же по уравнению Флори можно определить размер полимерных молекул в растворе: [ ] (4) Если расматривать ксантановые смолы, молекулярный вес которых составляет 2 милиона г/моль, то по уравнению (4) d p равно приблизительно 0.4 µм. Данный размер порового сужения встречается в песчаника с низкой и 25 средней проницаемостью.В результате, мы можем предположить, и фактически наблюдаем многочисленные взаимодействия полимера и породы. 1.5 Ограничения применения полимеров В процессе полимерного заводнения молекулы полимера могут подвергаться различным деструкциям, вследствие чего ухудшается заводнение и уменьшается нефтеотдача. Деструкция делиться на 4 вида: химическая, термическая, механическая и микробиологическая. Химическая деструкция происходит засчет взаимодействия молекул полимера с кислородом воздуха [1] Полимер перед закачкой в пласт растворяют в «воде для растворения», а затем в «воде для разбавления». Вода, с помощью которой получают необходимый раствор для заводнения, содержит в своем составе элементы, способные вступать в реакцию: растворенный кислород O 2 , сероводород H 2 S, железо Fe 2+ и пр. Благодаря взаимодействию окислителя и восстановителя образуются свободные радикалы. При контакте с ПАА происходит разрушение полимера. Важно, чтобы полученный раствор содержал небольшое количество кислорода и ограниченное количество поглотителей кислорода. Например, можно использовать акцепторы свободных радикалов. Данный метод заключается в применении поглотителей кислорода (например, бисульфита аммония NH 4 HSO 3 ), с помощью которых возможно снизить содержание в воде, используемой для закачки, кислорода до 0-20 частей на миллиард (0-20 ppb). Термическая деструкция наступает при температуре выше 130 о С, а в минерализованной пластовой воде – выше 70 о С.[7] Реакции осаждения взаимодействующих между собой гидролизованным ПАА и двухвалентными ионами пластовой воды (Ca 2+ , Mg 2+ ) происходят при определенных температурах. Эти реакции ведут к потере вязкости раствора закачки. Гидролиз полимера также может происходить и при низких температурах (50℃) при определенных значениях pH раствора. Данный процесс приведет к повышенной анионности полимера, в результате чего соли 26 кальция и магния будут осаждать полимер. Поэтому при высоких температурах следует выбирать полимер с низкой анионностью или с низкой кажущейся вязкостью. Механическая деструкция происходит при высоких скоростях сдвига, т.е. при движении растворов полимеров по трубам, насосам и в призабойной зоне пласта. Сдвиговое напряжение или сдвиг – фактор, который влияет на наличие механической деструкции полимера. Разделение полимера на отдельные части происходит под действием сдвига. В результате данного процесса образуются свободные радикалы, которые так же, как и при химической деструкции, способны разрушать полимерные молекулы в ходе цепной реакции. Основной сдвиг наблюдается в нагнетательной линии. Это объясняется тем, что в данном месте происходит затор или уменьшение внутреннего диаметра. Также сдвиг можно наблюдать при прохождении жидкости по насосам или в призабойной зоне пласта. В трубах и оборудовании скорость потока жидкости рекомендуется не более 5 м/с .[7] |