Полимерное заводнение: лабораторные исследования образцов частично гидролизованных полимеров в свободных объемах при проектировании внедрения технологии

Полимерное заводнение на протяжении нескольких десятилетий является широко известным физико-химическим методом увеличения нефтеотдачи. Данный метод внедрялся на многих месторождениях по всему миру, среди самых известных примеров можно назвать месторождения Daqing (Китай) и Pelican Lake (Канада). В первом случае благодаря полимерному заводнению удалось добиться +15,1 % к базовой добыче [1], во втором случае более 20 % [2].

На территории РФ крупнейшим проектом на сегодняшний день является реализация пилотного испытания технологии на приуроченном к покурской свите объекте Восточно-Мессояхского месторождения, где также были получены положительные результаты. По результатам пилотных работ дополнительная добыча нефти составила 59 тонн на одну тонну закачанного полимера, NPV проекта достиг 70,4 млн руб. [3], что послужило основанием для проектирования полномасштабного внедрения данной технологии на всем месторождении [4].

Одним из механизмов действия технологии полимерного заводнения является влияние на фронт вытеснения за счет минимизации образования «языков», формирующихся в результате прорыва воды сквозь нефтенасыщенную часть пласта из-за разности в подвижности воды и нефти [5]. Данный эффект достигается путем снижения подвижности вытеснителя (воды) в сравнении с подвижностью нефти:

где и – фазовые проницаемости нефти и воды, м2; и – динамические вязкости нефти и воды, Па×с.

Вводится понятие коэффициента подвижности – показателя оценки вытеснения нефти водой [6]. Считается, что для максимально эффективного вытеснения нефти водой этот показатель должен быть меньше единицы:

Водный раствор полимера характеризуется параметром кажущейся вязкости. В зависимости от скорости фильтрации водный раствор полимера может вести себя как ньютоновская, так и как неньютоновская жидкость, для которой характерна нелинейная зависимость вязкости от скорости сдвига[1].

Другим механизмом действия полимерного заводнения является увеличение коэффициента охвата за счет влияния на зону высокой проницаемости. За счет неньютоновских свойств полимера в зоне повышенной проницаемости создается фильтрационное сопротивление, которое усиливается эффектами адсорбции молекул полимера на горной породе [7]. Эти факторы позволяют перенаправить потоки нагнетаемой жидкости в пропластки с меньшей проницаемостью, ранее не охваченные воздействием [8].

Помимо вышеперечисленных эффектов стоит отметить и положительное влияние вязкоупругих свойств полимерного раствора на снижение остаточной нефтенасыщенности. Данное явление связано с особенностью строения полимера, а именно с его длиной и гибкой молекулярной цепью, способной вытягивать нефть, запертую в тупиковых порах, и формировать нитевидный поток нефти в поровом пространстве вместо движения отдельных микрокапель [9]. Вязкоупругие свойства проявляются в большей степени с ростом молекулярной массы полимера и концентрации раствора [10].

С учетом наблюдаемых тенденций необходимы дополнительные исследования для оценки возможности внедрения технологии полимерного заводнения в конкретных геолого-физических условиях. В рамках данной работы были исследованы образцы полимеров в свободных объемах с целью определения возможности их использования на исследуемом объекте.

Описание объекта исследования

Исследуемый эксплуатационный объект характеризуется наличием неоднородности по проницаемости. В связи с этим менее проницаемые пропластки могут оказать существенное влияние на фильтрацию полимерного раствора в пласте. С учетом этого, ключевой целью последующего исследования является оценка возможности фильтрации различных, отличающихся по молекулярной массе, полимеров в различных по проницаемости образцах.

Стоит отметить, что проницаемость рассматриваемого объекта будет оказывать влияние на выбор молекулярной массы полимера, так как со снижением проницаемости увеличивается степень механической деградации полимера при его движении в пласте, с другой стороны, уменьшением молекулярной массы понижается коэффициент остаточного сопротивления коллектора при одной и той же проницаемости [11]. Также приемистость скважин снижается при использовании растворов полимеров высокой молекулярной массы, что вызывает необходимость повышения давления нагнетания [12].

Рекомендуемые значения среднечисленной молекулярной массы полимера в зависимости от абсолютной проницаемости коллектора приведены в таблице 1.

С учетом средней проницаемости объекта (0,2 мкм2) оптимальной молекулярной массой полимера является значение до 12 млн Да. Ориентируясь на указанное значение, в качестве объектов исследования были выбраны полимеры разных производителей марки FLOPAAM под условными обозначениями FP 3230S, FP 3330S и FP 3630S.

Далее необходимо было определить молекулярную массу полимера, построить реологические зависимости и оценить деструкцию полимера. Для решения этих задач в рамках данной работы были проведены следующие лабораторные исследования:

– Определение характеристической вязкости;

– Определение зависимости кажущейся (эффективной) вязкости от скорости сдвига;

– Определение стойкости к механической деструкции;

– Определение стойкости к термоокислительной деструкции.

Определение характеристической вязкости и зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига является основой для интерпретации данных, полученных в результате дальнейших фильтрационных исследований. Информация о склонности полимеров к механической деструкции требуется для последующего ранжирования образцов относительно их эффективности и возможности использования при проведении фильтрационных экспериментов. Также, учитывая, что пластовая температура составляет около 60 °С, требуются исследования по определению стойкости к термоокислительной деструкции выбранных полимеров, так как данные условия могут значительно влиять на снижение вязкости и деградацию частично гидролизованного полиакриламида (ПАА) [14, 15].

Определение молекулярных масс полимеров

Для определения молекулярных масс исследуемых полимеров была определена их приведенная вязкость, согласно времени истечения раствора из вискозиметра, и далее рассчитана их характеристическая вязкость, условный показатель, определяющий относительный прирост вязкости низкомолекулярного растворителя при введении в него полимера. Измерения проводились с помощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-1-0,01-ХСЗ (ГОСТ 10028-81) с диаметром капилляра 0,54 мм, в качестве растворителя был использован раствор хлористого натрия с концентрацией 100 г/л.

На рисунке 1 представлен график зависимости приведенной вязкости полимерного раствора от его концентрации.

В таблице 2 представлены рассчитанные значения характеристической вязкости и молекулярной массы выбранных полимеров.

Согласно рисунку 1 и таблице 2, наблюдается зависимость между вязкостью полимерного раствора и молекулярной массой полимера. С увеличением молекулярной массы происходит повышение приведенной вязкости раствора.

Так как выбранные образцы полимеров являются частично гидролизованными, то рассчитанные значения их молекулярных масс являются приближенными, не учитывающими возможное наличие мономерных звеньев в составе макромолекул. Согласно результатам расчета, наибольшей молекулярной массой обладает полимер марки FP 3630S – 19,5 млн Да, наименьшей – FP 3230S, 5,3 млн Да.

Определение зависимости кажущейся вязкости полимерного раствора от скорости сдвига

При исследовании режима течения полимерных растворов на сверхчувствительных вискозиметрах было установлено, что при низких скоростях сдвига преобладает ньютоновское течение, после первого критического значения происходит снижение кажущейся вязкости (псевдопластичное поведение), далее при достижении второго критического значения скорости сдвига течение становится дилатантным (повышение кажущейся вязкости) [16, 17].

После того, как было достигнуто предельно возможное растяжение цепочек полимеров при высоких скоростях сдвига, наступает деградация молекул, приводящая к снижению кажущейся вязкости раствора [18]. Определение зависимости вязкости полимерного раствора от скорости сдвига позволяет в дальнейшем смоделировать его движение в системе нагнетания и в пласте, выбрав наиболее подходящий для конкретных условий состав.

Для приготовления полимерных растворов была использована модель воды, соответствующая по ионному составу применяемой в системе поддержания пластового давления на исследуемом объекте. Ионный состав воды, применяемой в системе поддержания пластового давления (ППД) на месторождении, представлен в таблице 3.

Измерения кажущейся вязкости полимерных растворов при различных скоростях сдвига проводились с использованием ротационного вискозиметра Rheotest RN 4.1.

Были приготовлены растворы полимеров указанных марок разной концентрации – 500, 1250, 1500, 1750, 2000 и 2500 ppm. Для оценки возможного поведения полимерного раствора в пласте определялась зависимость вязкости от скорости сдвига при пластовой температуре – 60 °С. Полученные реологические кривые растворов полимеров представлены на рисунке 2.

Согласно полученным реологическим кривым, все приготовленные полимерные растворы проявляли в основном псевдопластичное поведение в диапазоне скорости сдвига от 0,6 до 122,3 с-1. C повышением концентрации увеличивалась псевдопластичность исследуемого образца [19, 20]. Стоит отметить, что ввиду ограничений по рабочему диапазону вискозиметра возможности получить ньютоновские плато не было.

Дополнительно был составлен график зависимости вязкости исследуемых полимерных растворов от их концентрации (рис. 3).

Согласно графику на рисунке 3, растворы полимеров FP 3230S и FP 3330S, обладающих сравнительно близкими значениями молекулярных масс (5,3 и 8,0 млн Да соответственно, табл. 3), имеют схожую вязкость при одних и тех же концентрациях. Раствор FP 3630S при большей молекулярной массе полимера характеризуется также большими значениями вязкости [21].

Определение стойкости к механической деструкции

При движении в нагнетательном оборудовании и в пласте молекулы полимера под действием сдвиговых нагрузок подвергаются механической деструкции, снижающей вязкость раствора [17, 22]. Таким образом, для выбора оптимальной марки полимера необходимо предварительно оценить его стойкость к механической деструкции.

Для приготовления растворов полимеров использовалась модель воды, описанная выше. Вязкость исходных растворов была измерена при температуре 60 оС и скорости сдвига 7,338 с-1. Затем растворы (500 см3) перемешивали при скорости вращения мешалки 2000 об/мин в течение 10 минут, выдерживали до выхода пузырьков воздуха и измеряли их вязкость после механического воздействия. Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице 4.

Согласно результатам лабораторных исследований, наибольшей механической устойчивостью обладает полимер FP 3230S. Данное наблюдение может быть объяснено тем, что полимер FP 3230S обладает наименьшей молекулярной массой из рассмотренных образцов, а степень подверженности механической деструкции растет с увеличением молекулярной массы полимера [23, 24].

Определение стойкости к термоокислительной деструкции

Методика исследований основана на периодическом измерении вязкости растворов полимеров при долгосрочном воздействии пластовой температуры объекта [25].

Термостабильность полимеров оценивали по динамике изменения вязкости растворов под действием температуры и рассчитывали коэффициент стойкости к термоокислительной деструкции (Кт) как отношение вязкости после выдержки в течение заданного времени к вязкости исходных растворов при фиксированном значении скорости сдвига (7,338 с-1).

Для проведения исследований были приготовлены растворы полимеров с рабочими концентрациями на модели воды. Растворы полимеров помещали в бутылочки из боросиликатного стекла, снабженные резиновой пробкой и алюминиевым колпачком, который обжимается для обеспечения надежной герметизации. Растворы продували азотом для удаления воздуха, герметично закрывали и помещали в термошкаф с температурой 60 оС. Результаты проведенных лабораторных испытаний приведены на рисунке 4 и в таблице 5.

Согласно полученным результатам, после 120 суток выдержки при температуре 60 °С снижение вязкости образца полимера FP 3630S составило 20 %, растворы полимеров марок FP 3330S и FP 3230S проявили большую термостабильность, в их случае потеря вязкости была равна 12 и 5 % соответственно.

Выводы

При проектировании внедрения технологии полимерного заводнения на месторождении особенно важным является лабораторный этап скрининга потенциальных марок реагентов. Определение зависимости вязкости полимера от скорости сдвига, его подверженности механической и термоокислительной деструкции позволяет выбрать оптимальный состав, подходящий для конкретных условий пласта и инфраструктуры месторождения.

В результате проведения лабораторных исследований трех марок частично гидролизованного полиакриламида, были получены следующие выводы:

– наибольшей вязкостью при идентичных концентрациях обладает раствор полимера с наивысшей молекулярной массой – FP 3630S;

– наименьшая степень подверженности механической деструкции наблюдалась у полимера марки FP 3230S: потеря вязкости в результате эксперимента составила 10,1 %, у образца FP 3330S – 11,2 %, у FP 3630S – 14,6 %;

– наименьшая степень подверженности термоокислительной деструкции наблюдалась у полимера марки FP 3230S: потеря вязкости после выдержки при 60 °С в течение 120 суток составила 5 %, у образца FP 3330S – 12 %, у FP 3630S – 20 %.

Следующим этапом оценки реагентов для проектирования внедрения полимерного заводнения на месторождении являются фильтрационные исследования на образцах керна. Полученные данные по реологическим характеристикам рассматриваемых полимеров позволят интерпретировать данные фильтрационных экспериментов и определить наиболее подходящий реагент для условий рассматриваемого объекта.

Литература

1. Сонг К. Современные достижения в области полимерного заводнения в Китае / К. Сонг, Ж. Тао, К. Лью // Молекьюлс. 2022. Т. 27, № 20. С. 6978.

2. Эзех О. Критический обзор полимерного заводнения на месторождениях Дацин и Пеликан Лейк: Изучение самых масштабных в мире проектов по внедрению полимерного заводнения на месторождениях легкой и тяжелой нефти соответственно / О. Эзех, С.С. Икиенсикимама, О. Акаранта // Журнал инженерных исследований и отчетов. 2021. Т. 21, № 10. С. 25–40.

3. Паляницина А.Н. Экологически безопасная технология повышения эффективности разработки месторождений высоковязкой нефти с высокой обводненностью / А.Н. Паляницина, Е.У. Сафиуллина, Р.Р. Бязров // Энерджис. 2022. Т. 15, № 3. С. 753–772.

4. Подопригора Д.Г. Современное состояние и перспективы развития технологии закачки большеобъемных полимерных оторочек с целью повышения нефтеотдачи / Д.Г. Подопригора, Р.Р. Бязров, Е.А. Христич // Евразийский научный журнал. 2022. Т. 14, № 2.

5. Фирозджаии А.М., Сагхафи Х.Р. Обзор полимерного заводнения как химического метода увеличения нефтеотдачи: Основы, экспериментальное и математическое моделирование // Петролеум. 2020. Т. 6, № 2. С. 115–122.

6. Тома А. Полимерное заводнение для увеличения нефтеотдачи на месторождениях легкой и тяжелой нефти / Тома А., Саюк Б., Абиров Ж., Мазбаев Е. // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. С. 58–67.

7. Загребельный Е. Опыт внедрения полимерного заводнения на Восточно-Мессояхском нефтяном месторождении / Е. Загребельный, Н. Глушенко, В. Комаров, Г. Немирович, И. Ильясов [и др.] // Доклад общества инженеров-нефтяников № 191569 на Российской Конференции Нефтегазовых Технологий в г. Москва, Россия, 15–17 октября 2018 г. Москва, Россия, 2018.

8. Лу К. Механизмы повышения нефтеотдачи полимерного заводнения в гетерогенных нефтяных коллекторах / К. Лу, Б. Као, К. Кси, В. Као, Й. Лиу, Й. Жанг, К. Ванг, Ж. Жанг // Петролеум Эксплорейшн энд Девелопмент. 2021. Т. 48, № 1. С. 169–178.

9. Демин В. Исследование механизмов полимерных растворов с вязкоупругим поведением, повышающим эффективность вытеснения нефти на микроуровне, и формирования устойчивых нитевидных потоков нефти / В. Демин, К. Хуифен, Л. Жонгчун, Я. Куингян // Доклад общества инженеров-нефтяников № 68723 на Азиатско-Тихоокеанской нефтегазовой конференции и выставке в г. Джакарта, Индонезия, 17–19 апреля 2001 г. Джакарта, Индонезия, 2001.

10. Шулинг Г. Промышленные испытания полимерного заводнения высокой концентрации с загущением сетки скважин с целью изменения направления потока после полимерного заводнения / Г. Шулинг, Ж. Женхай, Ж. Кайю, Л. Хайбо [и др.] // Доклад общества инженеров-нефтяников № 179794 на нефтегазовой конференции по методам увеличения нефтеотдачи в Западной Азии в г. Мускат, Оман, 21–23 марта 2016 г. Мускат, Оман, 2016.

11. Аль-Шакри Б. Приемистость при нагнетании полимера: Влияние проницаемости в потоке полимеров в пористой среде / Б. Аль-Шакри, Б. Шейкер-Ширан, Т. Скодж, А. Скодж // Доклад Общества инженеров-нефтяников № 195495 на конференции Европейской ассоциации инженеров-геологов и геофизиков в г. Лондон, Великобритания, 3–6 июня 2019 г. Лондон, Великобритания, 2019.

12. Гуо Х. Как выбрать молекулярный вес полимера и его концентрацию с целью снижения риска блокирования коллектора? Опыт промышленных испытаний // Доклад на 20-м Европейском Симпозиуме по повышению нефтеотдачи в г. Пау, Франция, 8–11 апреля 2019 г. Пау, Франция, 2019.

13. Тома А. Основы технологии полимерного заводнения. СПб.: ЦОП «Профессия», 2020. 240 с.

14. Каримов Д. Полная реологическая характеристика полимеров на основе частично гидролизованного полиакриламида для потенциального внедрения в качестве метода увеличения нефтеотдачи // Доклад Общества инженеров-нефтяников № 204270 на Ежегодной Технической конференции и выставке, виртуально, 26–29 октября 2020 г.

15. Масалмех С. Расширение области применения полимерного заводнения на высокотемпературные карбонатные коллектора повышенной солености / С. Масалмех, А. Аль-Сумаити, Н. Гаиллард [и др.] // Доклад общества инженеров-нефтяников № 197647 на международной нефтегазовой выставке и конференции в г. Абу-Даби, ОАЭ, 11–14 ноября 2019 г. Абу-Даби, ОАЭ, 2019.

16. Родригез С., Ромеро К., Саргенти М.Л. Фильтрация полимерных растворов в пористой среде // Нон-Ньютониан Флюид Мех, 1993. Т. 49, № 1. С. 63–85.

17. Азад М.С., Триведи Ж.Ж. Количественная оценка вязкоупругих эффектов во время полимерного заводнения: критический обзор // Журнал Общества инженеров-нефтяников. 2019. Т. 24, № 6. С. 2731–2757.

18. Пульц К. Механическая деградация полимеров во время закачки, движения в коллекторе и добычи – Результаты полевых испытаний в залежи 8 ТН, Австрия / К. Пульц, Т. Клеменс, К. Следз, Каднар Р., Гумпенбергер Т. // Доклад общества инженеров-нефтяников № 180144 на 78-й Конференции Европейской Ассоциации Геоученых и Инженеров в г. Вена, Австрия, 30 мая – 2 июня 2016 г. Вена, Австрия, 2016.

19. Кеннеди Дж. К., Мидоус Дж., Уильям П.А. Сдвиговая и объемная вязкость серии гидрофобно ассоциированных полиэлектролитов // Журнал Химического Общества, Фарадей Трансакшенс, 1995. Т. 91, № 5, 911–916.

20. Бондаренко А.В. Лабораторные исследования по обоснованию технологии полимерного заводнения для конкретных геолого-физических условий объектов разработки нефтяных месторождений / А.В. Бондаренко, Н.Н. Барковский, Т.А. Сюр, О.И. Якимов, Севрюгина А.В. // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений, 2016. Т. 10. С. 34–42.

21. Черепанова Н.А., Усольцев А.В., Кочетов А.В. Исследования эффективности полимерного заводнения для объектов высоковязкой нефти сеноманского горизонта // Экспозиция Нефть Газ. 2022. № 6. С. 51–55.

22. Джоанн С. Полимерное заводнение в условиях высокой температуры и высокой солености: Выбор типа и природы полимера, термическая стабильность // Журнал нефтегазовой науки и инженерии, 2020. Т. 195. С. 107545.

23. Тейлор К.К., Наср-Эль-Дин, Х.А. Водорастворимые гидрофобно связанные полимеры для повышения нефтеотдачи: литературный обзор // Доклад Общества инженеров-нефтяников № 29008 на конференции по нефтепромысловой химии в г. Сан-Антонио, США, 14–17 февраля 1995. Сан-Антонио, США, 1995.

24. Аль-Шакри Б. Влияние механической деградации на приемистость полимерных растворов в пористой среде / Б. Аль-Шакри, Скауге Т., Ширан Б.Ш., Скауге А. // Полимерс, 2018. Т. 10, № 7. С. 742.

25. Иманбаев Б.А. Оценка и научное обоснование применения полимерного заводнения на месторождении Узень / Б.А. Иманбаев, М.С. Сагындиков, Р.М. Кушеков, М.О. Таджибаев // Вестник нефтегазовой отрасли Казахстана, 2022. Т. 4, № 1. С. 10.