Заводнение растворами полимеров

Механизм процесса. Применение метода основано на свойстве полимера загущать воду и снижать фазовую проницаемость для воды. Полимерный раствор обладает свойствами неньютоновских жидкостей. Ергином Ю.В. изучено структурообразование в малоконцентрированных растворах полиакриламида. Присутствие высокодисперсной фазы в достаточно низкой концентрации делает систему тиксотропной: после механического разрушения структуры ее прочность постепенно восстанавливается до предельного значения. При малых напряжениях сдвига система имеет достаточно времени для тиксотропного восстановления; при увеличении напряжения сдвига, наблюдается лавинное разрушение структуры - вязкость резко уменьшается. Дальнейшее увеличение приводит к значениям постоянной вязкости раствора, соответствующей предельному разрушению пространственной структуры. Пропускная способность пористой среды для полимерного раствора уменьшается непропорционально увеличению его вязкости. Это явление характеризуется "фактором сопротивления" и описывается отношением коэффициента подвижности для воды к коэффициенту подвижности полимерного раствора. Подвижность для воды не должна превышать подвижности полимерного раствора более чем в два раза, так как только в этом случае исключается возможность порыва полимерного раствора. Другой характеристикой является "остаточный фактор сопротивления", определяемый как отношение подвижности воды до и после фильтрации раствора полимера в пористой среде. Это проявляется в том, что адсорбция полимера в пористой среде при фильтрации полимерного раствора вызывает снижение проницаемости пористых сред по воде даже после полного вытеснения из них раствора полимера. При этом происходит селективное снижение проницаемости пористой среды, в основном, для воды. Это связано с тем, что макромолекулы полимера, набухают в воде и увеличиваются в размере с образованием малоподвижной гидратной оболочки. На подвижность же нефти макромолекулы полимера почти не влияют, так как нефть состоит, в основном, из неполярных молекул.[16]

Растворы полимеров проявляют свойства полиэлектролитов. Введение электролитов в полимерные растворы приводит к разрушению структур. Увеличение степени минерализации воды понижает реологические свойства растворов. Это связывается с уменьшением геометрического размера полимерных макромолекул под действием гидратированных ионов солей. Соли, имеющиеся в составе пластовых и закачиваемых вод, снижают вязкость раствора, т.к. под действием ионов пластовой воды и приложенного напряжения структура растворов полностью разрушается. С увеличением концентрации полиакриламида в растворе требуется большее количество соли для разрушения структуры. Так, при концентрации полиакриламида 0,1 % мас. вязкость раствора становится независимой от концентрации соли до 3 %. Влияние минерализации пластовой воды (непосредственно в пласте) на стабильность раствора полимера неоднозначно. Увеличение минерализации пластовой воды снижает вязкость раствора, а фазовая проницаемость для раствора увеличивается, что способствует повышению нефтеотдачи. Результирующий эффект может быть различным в зависимости от свойств пластовой воды, пористой среды, типа полимера, свойств растворителя и концентрации раствора. На вязкоупругие и реологические свойства растворов полиакриламида при фильтрации в пористой среде существенное влияние оказывает проницаемость пород. При снижении проницаемости пород линейно увеличиваются показатели реологических свойств фильтрующихся растворов, в особенности остаточный фактор сопротивления, который является основным при оценке действия полимеров и связан с сорбцией полимера породами пласта.

кривые вязкости и pH растворов для кислых сред (pH<7) имеют четкую взаимозависимость, характерную для полимерных растворов - рост вязкости с ростом степени гидролиза полиакриламида. [16,57]

При фильтрации раствора в пористой среде наблюдается адсорбция полимера породе. Увеличение содержания хлористого натрия, хлористого кальция и других электролитов от 0,5 до 20 % многократно увеличивает адсорбцию полимера на породе. Адсорбция полимера, при концентрации 0,03-0,05 % может составлять 30-150 г/см³ или 0,15-0,75 кг/м³. Адсорбция зависит и от природы продуктивного пласта. Так, на известняках она значительно выше, чем на кварцевых песчаниках, а в полимиктовых породах в 4-6 раз выше, чем на кварцевом песчанике. Адсорбция породами пласта из минерализованных растворов в несколько раз выше, чем из опресненных вод. Для снижения адсорбции добавляют растворы НПАВ (АФ-10, АФ-12) и щелочи. Для месторождений Башкирии состав (полиакриламид 0,01-0,2 % мас., АФ₉-12 0,005-0,40 % мас., щелочь 0,00004-0,004 % мас., вода остальное) позволяет почти полностью подавить адсорбцию полимера. Снижение степени адсорбции полиакриламида значительно зависит от состава присутствующих компонентов и pH пластовых вод, пластовой температуры. Адсорбция полимеров неоднозначно влияет на поведение пластовых флюидов. Уменьшение адсорбции полимера снижает фактор сопротивления для воды и охват пласта заводнением. При высокой адсорбции фронт полимера значительно отстает от фронта вытеснения нефти водой. Поэтому необходимо определение оптимального диапазона адсорбции, который обеспечит эффективное вытеснение нефти.

Полимерные молекулы в водном растворе под действием различных факторов могут необратимо разрушаться вследствие их деструкции. Деструкция может быть химической, термической, механической или сдвиговой, микробиологической. Химическая деструкция происходит в результате взаимодействия кислорода воздуха с полимерными молекулами. Поэтому в воде для приготовления раствора не должно быть кислорода. Отрицательное воздействие оказывают сероводород, соли железа, соприкосновение со стальными поверхностями вязкость раствора падает, особенно в присутствии многозарядных ионов солей. Отмечено, что по силе влияния на полимерные растворы ионы солей пластовой воды располагаются в следующей последовательности, зависящей от валентности и радиуса катионов: Me ⁺³ > Me ⁺² > Me ⁺¹; К⁺ > Na⁺ > Ca⁺⁺ > Mg⁺⁺. Результаты исследований влияния сероводорода и его совместного присутствия с ионами Fe⁺² показывают, что с повышенным содержанием ионов железа в растворе полимера 0,06 %, значения вязкоупругих свойств выше, чем в присутствии лишь сероводорода, что связано с образованием сульфида железа, который при оптимальных соотношениях оказывает "сшивающее" действие на макромолекулы полиакриламида [16].Термическая деструкция происходит при температурах выше 100⁰С. Механическая деструкция обусловлена разрывом макромолекулярных ассоциаций под действием повышенных напряжений (при высоких скоростях движения) при течении растворов в нефтепромысловом оборудовании, призабойной зоне пласта. Микробиологическая деструкция полимерных молекул может происходить под действием аэробных бактерий, которые могут развиваться в пласте при закачке их с водой.[18]

Реологические свойства растворов изменяются во времени: для полимера в динамических процессах падает вязкость и проявляется способность снижать потери на трение при их движении, проявляется так называемый эффект Томса.

Технология воздействия и область применения Эффективность применения данного метода определяется многими факторами, главными из которых является [16] качество полимера, стабильность полимера, а также композиции полимера и химреагентов (ПАВ, полимеров, щелочей) в водном растворе в пористой среде, минерализация растворителя - необходимо учитывать явления высаливания-всаливания электролитов из растворов; выбор месторождения с подходящими геолого-физическими параметрами; строгое соблюдение технологического режима (скорость фильтрации) в промысловых условиях.

Удельная эффективность изменяется от 119 до 1580 т/т полимера. Обычно используются импортные реагенты типа "Пушер -500", "Пушер-700", CS -6, CS-30, РДА - 1020, РДА - 1041, ДКS-ORPF - 40NT и др., отечественный полиакриламид ПААС, гипан (гидролизованный полиакрилонитрил), деман ВПК-402, реагент "Темпоскрин". Импортные полимеры CS-6, CS-30, РДА 10-20, Пушер 500 обладают высокими фильтрационными характеристиками, но молекулы их в значительной степени подвергаются деструкции в пористой среде.

В настоящее время разработаны и успешно применяются следующие основные технологии:

- закачка индивидуальных растворов полимера (полимерное заводнение)

- закачка "сшитых" полимеров и полимерное заводнение в сочетании с вязкоупругими составами (ВУС)

- полимерное заводнение в сочетании с другими МУН.[16]

Полимерные растворы обычно применяются в виде оторочек. Оптимальное содержание полимера в растворе составляет от 0,01 до 0,15 %; при этом оптимальный объем оторочек составляет 20-40 % от объема пор пласта. В настоящее время основным направлением является подбор оптимальных композиций реагентов с точки зрения их стабильности и эффективности нефтевытеснения. Введение в раствор полимера различных реагентов по разному влияет на вязкость раствора. Например, добавление ПАВ (НПАВ+АПАВ) концентрацией 0,45 % мас. разрушает структуру раствора: вязкость уменьшается по сравнению с вязкостью раствора полиакриламида. Добавки полиэлектролита полидиметилдиалил аммоний хлорида (ВПК-402) изменяют структурно-механические свойства растворов. Стабилизаторы значительно улучшают вязкостные и вязкоупругие свойства минерализованных водных растворов полимеров при воздействии на них сероводорода и ионов железа. В качестве стабилизаторов испытывали водорастворимые соединения фенольного, аминного, аминофенольного типов (антиокислители). Также были испытаны дезактиваторы металлов - соединения, связывающие ионы Fe⁺² в нерастворимые комплексы: гексаметилендималеиноваяя кислота (ГМД), соль аммониевая сульфидацетата (ТГ), оксиэтилдиаминотетрауксусная кислота (ЭДТА), оксиэтилидендифосфониевая кислота (ОЭДФ). Однако их индивидуальное введение в полимерный раствор не дало положительного эффекта. Совместное действие антиокислителей и дезактиваторов показало высокую эффективность, оптимальное соотношение компонентов находится в интервале 20:1 - 10:1. В качестве стабилизаторов могут использоваться и циклические ацеталии (например, диметилдиоксан -ДМДО).

Защитный эффект стабилизирующих добавок проявляется либо за счет химической модификации макромолекул полимера с образованием различных комплексных соединений в результате межмолекулярных связей, либо за счет блокирования агрессивных ионов сточной воды и комплексных взаимодействий. Для регулирования и снижения процесса адсорбции полиакриламида на поверхности водонасыщенных пород, а также улучшения реологических свойств применяются щелочные реагенты, формалин, многоатомные спирты и др.

Снижение эффективности индивидуального полимерного раствора происходит не только по причине деструкции макромолекул полиакриламида, но и за счет таких его конформационных и технологических изменений в агрессивных средах, которые приводят к потере гибкости макромолекул, уменьшению их лабильности и объема макромолекулы. [16]

Технологии "сшитых" полимеров предусматривают их образование в результате химического взаимодействия полимера и сшивающего агента. образование сшитых полимерных структур получают при взаимодействии водорастворимого полимера с ионами многовалентных металлов (Fe⁺³, Cu⁺², Cr⁺³, Al⁺³, но прочность гелей на основе сшивающего действия соединений алюминия низкая), хромкальциевыми квасцами. В растворе полимера создаются коллоидные водонерастворимые соединения, которые при взаимодействии с макромолекулами полимера образовывать малоподвижные в пористой среде гелеобразные системы. При этом применяется композиция ПАА с коллоидными неорганическими соединениями, полученными в растворе полимера реакциями окисления или восстановления, а также изменением pH раствора соли поливалентного металла. Соли двухвалентных катионов коагулируют раствор лишь частично гидролизованного ПАА, а соли трехвалентных катионов дают хлопьевидные осадки и с негидролизованным ПАА.

Сшитые полимерные системы с повышенным содержанием сшивателя, обладающие малым временем гелеобразования, высокой вязкостью и низкой подвижностью в пористой среде, значительным начальным градиентом сдвига и ярко выраженными вязкоупругими свойствами, названы вязкоупругими составами [24].

К недостаткам применения сшитых можно отнести неравномерность образования геля по объему пласта - качество сшивки зависит от концентрации ПАА и сшивающего агента; опасность загрязнения окружающей среды - использование солей тяжелых металлов (хрома).

С целью повышения эффективности полимерного воздействия является введение в полимерный раствор НПАВ. Улучшение вязкоупругих свойств растворов полиакриламида в присутствии АФ-10 связывается с образованием различных водорастворимых комплексов, что приводит к формированию новых конформационных структур с повышенными реологическими параметрами. Проведенные БашНИПИнефтью исследования указывают на перспективность метода воздействия на пласт композициями ПАА-НПАВ в условиях высокоминерализованных пластовых вод и повышенной вязкости нефти. Сочетание ПАА и НПАВ с различной степенью оксиэтилирования (масло- и водорастворимые) обеспечивает высокие вязкостные и реологические свойства растворов. Для выработки нефтенасыщенных зон на поздней стадии разработки рекомендуются системы, состоящие из ПАА и смесей масло-, водорастворимых НПАВ, которые образуют дисперсные системы.[16]

Испытания полимерных растворов проводились и проводятся на многих месторождения как у нас в стране так и за рубежом.

Рассмотрим в качестве примера промышленный эксперимент, который был начат в апреле 1975 г. на участке Ново-Хазинской площади Арланского месторождения, где выделены центральное (II) опытное и два контрольных - (I) западное и (III) восточное поля. С запада опытный участок ограничен центральным разрезающим рядом нагнетательных скважин, с востока - контуром нефтеносности,.Опытный участок представляет собой прямоугольник, являющийся участком с открытыми границами. В пределах опытного участка размещено 11 добывающих скважин, плотность сетки 12 ×10⁴ м². [78]

На опытном участке выделяются два основных пласта С_II и C_VI, которые входят в один объект разработки, и добыча производится в основном совместно из этих двух пластов. Однако, при проведении промышленного эксперимента закачка ПАА проводилась только в пласт С_II. тульского горизонта. Пласт С_II сложен мелкозернистыми кварцевыми песчаниками и песчаными алевролитами и является основным эксплуатационным объектом на опытном участке.

Закачка раствора ПАА осуществлялась в 4 нагнетательные скважины №№ 5231, 5232, 5239, 5240.

Концентрация ПАА в воде изменялась в довольно широких пределах - 0.01-0.05 % до 1979 г, 0.03 % в 1979 г, и 0.06% с 1980-1982 г, размер оторочки достигал до 20% от объема пор.

Авторы [15] отмечают, что приемистость нагнетательных скважин выше в среднем на 20%, чем при закачке обычной сточной воды, давление на устье нагнетательных скважин, соответственно, ниже на 6%. Скорее всего данный эффект связан со снижением гидравлического сопротивления.

Оценка технологической эффективности проводилась сопоставлением динамики текущих показателей разработки опытного поля II с динамикой показателей контрольных полей I и III.

Опытный участок отличается от контрольных полей по содержащимся балансовым запасам почти в 2 раза. Участки отличаются по геологической неоднородности, рассчитанные комплексные показатели неоднородности приведены ниже.

Поле	Кнеод.	Красчл.
Опытное	2,45	2,53
Западное	2,80	2,82
Восточное	6,46	3,00

Таким образом, контрольные и, особенно восточное не идентифицированы по геологической неоднородности с опытным.

При анализе эффективности закачки ПАА в пласт С_II рассматривалась добыча нефти по всему объекту, так как добыча по многим скважинам производится совместно из пластов С_II и C_VI, а в некоторых случаях и из промежуточных.

С учетом возможных погрешностей статистических методов прогноза увеличение нефтеотдачи от закачки ПАА по опытному участку не может превышать 2-3 %.[79]

В литературных источниках не приводятся данные о времени "существования" в пластовых условиях гелей. В монографии Галеева Р.Г. приводятся данные по средней продолжительности эффективности методов воздействия по залежам Татарстана. Для полимерного заводнения средняя продолжительность эффекта составляет 42-60 мес.

Неоднородность пласта оказывает существенное влияние на эффективность метода при маловязких нефтях (менее 10 мПа*с), при повышенных вязкостях нефти решающее влияние на нефтеотдачу оказывают реологические характеристики нефти за счет уменьшения вязкостной неустойчивости. Если полимерное заводнение применяют с самого начала разработки, то перед полимерным раствором может образоваться фронт сильно минерализованной связанной воды. Наиболее благоприятные условия применения складываются в конце безводного (начале водного) периода эксплуатации ряда скважин, прилежащего к водонагнетательным.

В карбонатных породах эффективность метода существенно снижается за счет более высокой адсорбции полимера и снижения интенсивности капиллярного замещения нефти в пористых блоках [4].

Трещиноватость считается неблагоприятным фактором. Здесь эффективно применение растворов ПАА с добавкой осадкообразующих реагентов, которые также эффективны в пластах с высокой степенью неоднородности.