Технологии на основе растворимых полимеров

И биополимеров

 

Растворы ПАА. Одним из промышленно выпускаемых водорастворимых полимеров, нашедших масштабное применение в процессах добычи нефти, является полиакриламид (ПАА). ПАА относится к малоопасным вредным веществам IV класса, не обладает токсичным и раздражающим действием. Поэтому работа с раствором полимера не требует особых мер предосторожности. ПДК ПАА в воздухе рабочей зоны 10 мг/м³. Порошкообразные ПАА входят в группу горючих веществ с нижним пределом взрываемости, что позволяет пользоваться оборудованием в обычном исполнении.

Специфические свойства ПАА проявляются в его способности при небольших добавках к воде резко загущать ее, снижать подвижность полимерного раствора в пористой среде и уменьшать проницаемость водонасыщенной породы. В то же время ПАА склонен к сдвиговой (механической) деградации: его молекулы необратимо изменяются при перемешивании во время приготовления водных растворов, при закачивании их в пласт насосными агрегатами и при движении в пористой среде.

Скорость и полнота растворения полимера – основные факторы, определяющие его технологичность. Перед растворением полимеры проходят через стадию набухания, поэтому скорость растворения зависит от дисперсности. Возможность ускорения процесса растворения за счет интенсивного перемешивания ограничивается механической деструкцией. Минерализация воды негативно влияет на процесс растворения. Одним из способов повышения скорости растворимости является увеличение температуры: с повышением температуры до 70 °С скорость растворения ПАА возрастает в 2 раза.

Физико-механические и реологические свойства минерализованных растворов ПАА зависят от проницаемости породы: с ее увеличением механические напряжения уменьшаются, а вязкость раствора растет. Для сохранения высоких реологических свойств растворов в пластовых условиях применяют различные стабилизирующие добавки неорганического и органического происхождения (щелочные соединения, ПАВ и др.).

Для создания в пласте заранее заданного уровня остаточного фактора сопротивления при соблюдении технологического режима в раствор полимера вводят незначительное количество (тысячные доли процента) «сшивающего» агента, под воздействием которого происходит структурирование макромолекул полимера в пористой среде с образованием геля. Диапазон возможных значений остаточного фактора сопротивления может быть в 1000 раз выше, чем у полимерного раствора без «сшивающего» агента. Соответственно методы увеличения охвата пластов и их нефтеотдачи можно разделить на две основные группы.

Первая группа использует свойство ПАА загущать воду при небольших концентрациях, вследствие чего подвижность воды приближается к подвижности нефти, что способствует равномерному продвижению водонефтяного контакта и повышению нефтеотдачи. Эти методы наиболее эффективны на ранней стадии разработки месторождения.

Вторая группа методов рекомендуется к применению на поздней стадии разработки при обводненности нефти свыше 60 %, в пластах с высокой степенью неоднородности и в трещинах коллекторов. Раствор ПАА закачивается в пласт вместе с реагентом, способным вызвать осадкообразование. В этом случае ПАА вследствие адсорбции связывает частицы осадков между собой и со стенками пор. Проницаемость для воды, закачиваемой после определенного времени «сшивания» полимера в промытых зонах, резко снижается.

В настоящее время разработаны и хорошо показали себя на практике следующие основные технологии:

· закачка индивидуальных растворов полимеров (полимерное заводнение);

· воздействие на пласт «сшитыми» полимерами;

· полимерные воздействия в сочетании с другими физико-химическими методами повышения нефтеотдачи.

Полимерное заводнение. Согласно этой технологии оторочка размером 0,3-0,5 от объема пор с концентрацией 0,01-0,1 % в отдельных случаях до 0,6 % основного вещества. Концентрация раствора зависит от геолого-физических условий месторождения и определяется по соотношению коэффициентов подвижностей полимерного раствора и нефти при пластовых условиях.

На нефтепромыслах используется отечественный сульфатный гранулированный полиакриламид ПААС (крупнодисперсный порошок с частицами до 1-6 мм и содержанием основного вещества до 60 %). Раствор из порошка приготавливается на установках УДПП-1,5 и УДПП-5. Закачка раствора ПАА в скважину не требует дополнительного оборудования и производится цементировочными агрегатами ЦА-320 на минимальной подаче. Водный раствор полимера поступает преимущественно в высокопроницаемые пропластки, причем чем выше их проницаемость – тем больше поступает полимерного раствора и существеннее повышаются фильтрационные сопротивления высокопроницаемых слоев. В естественных пористых средах со средней проницаемостью 0,1 мкм² и высокой удельной поверхностью полимер удерживается вследствие физической адсорбции.

Технологии полимерного заводнения без сшивающих реагентов при наличии в разрезе высокопродуктивных слоев проницаемостью более 1 мкм² не эффективны. Это обусловлено особенностью фильтрации растворов ПАА в пористой среде и их реологическими свойствами. При высокой проницаемости факторы сопротивлений раствора снижаются, что ухудшает условия выравнивания фронта вытеснения в неоднородном пласте.

Масса полимера, необходимая для выравнивания профиля приемистости

Q _ПАА = с ₀ V _ПАА,

где с ₀ – концентрация раствора полимера, т/м³; V _ПАА – объем оторочки раствора полимера, м³.

Прогнозные показатели добычи нефти рассчитываются на основе математической модели, где учитываются характеристики объекта, оцениваются факторы сопротивлений, адсорбция и десорбция полимеров, а также изменение свойств растворов в пористой среде со временем.

Воздействие на пласт «сшитыми» полимерами. Область применения «сшитых» полимерных систем (СПС) довольно широка. Залежи могут быть представлены терригенными и карбонатными, в том числе и трещинными коллекторами. Расчлененность пласта, чередование изолированных продуктивных пропластков усиливают эффективность этой технологии. Различают два вида гелеобразования посредством «сшивки» полимеров в пластовых условиях. Для первого вида условием «сшивания» гель-частиц являются взаимодействие полимеров с пластовой водой определенной минерализации или повышение температуры раствора. В этом случае растворы приготавливаются из полимеров, в которые «сшивающие» реагенты введены в процессе их производства на заводе. Второй вид гелеобразования обусловлен полимеризацией с образованием «сшитых» полимеров под воздействием активных инициаторов.

Наибольшее распространение на практике получил метод применения «сшитых» полимерных систем, образующихся в пластовых условиях при взаимодействии водорастворимого полимера с растворами солей поливалентных металлов (Cr⁺³, Fe⁺³, Cu⁺², Al⁺³). Данная технология предусматривает использование «медленно сшивающих» композиций, что позволяет раствору полимер – «сшиватель» проникать в пласт на значительные расстояния и более эффективно регулировать распределение потоков при наличии гидродинамически промытых зон между пропластками.

В технологиях, основанных на использовании «сшитых» полимеров, выделяют две стадии: закачку реагентов в пласт и гелеобразование.

выбор реагентов для первой стадии зависит от времени растворения и реологических свойств в период закачки, а также свойств растворителя, стоимости полимера и уточняется при подготовке технических регламентов, составляемых по каждому объекту перед началом работ.

Для второй стадии важную роль играют следующие факторы:

· индукционный период (время, в течение которого реологические свойства раствора не изменяются);

· время гелеобразования (перехода раствора в «сшитый» полимер);

· реологические свойства геля, определяющие фильтрационные сопротивления в высокопроницаемых зонах;

· время, в течение которого технологические свойства реагента в пласте обеспечивают необходимую эффективность.

Гелеобразование систем полимер – «сшиватель». Время гелеобразования – важный технологический параметр, определяющий процесс закачки композиции в пласт. Регулирование этих свойств СПС обеспечивается выбором полимера, «сшивателя» и диапазона их концентраций. В качестве «сшивающих» реагентов в промышленных масштабах наиболее широко испытаны ацетат хрома (АХ) Cr(CH₃COO)₃, нитрат хрома (НХ) Cr(NO₃)₃ × 9H₂O и хромкалиевые квасцы (ХКК) KCr(SiO₄)₂ × 12H₂O.

кинетическая характеристика процесса гелеобразования с указанными реагентами-«сшивателями» (табл.4.1) свидетельствует, что системы на основе АХ и НХ могут быть использованы в качестве СПС для воздействия на пласт. Система на основе ХКК рекомендуется для обработки ПЗП. Это связано с тем, что время образования СПС сравнительно невелико, а прочностные характеристики довольно высоки. СПС на основе ХКК допускают градиент давления до 10 мПа/м, в то время как для систем на основе АК и НХ – 1-5 мПа/м. Из-за высоких скоростей фильтрации в ПЗП прочностные характеристики СПС являются основным параметром.

Таблица 4.1

Кинетическая характеристика гелеобразования