В статье представлены статистические данные, результирующие применение полимерного заводнения как одного из сравнительно простых с точки зрения технологии и в то же время эффективных методов увеличения нефтеотдачи пластов. Мировой опыт применения полимерного заводнения демонстрирует, что сухой порошок загустителя, растворенный в воде даже в концентрации до 0,5% масс., позволяет в несколько раз увеличить вязкость вытесняющего агента, в результате чего при закачке через нагнетательные скважины фронт вытеснения выравнивается за счет создания в промытых высокопроницаемых зонах повышенных фильтрационных сопротивлений.

Отмечено, что в настоящее время в качестве загустителя при полимерном заводнении наиболее часто используется гидролизованный полиакриламид с высокой молекулярной массой, составляющей около 10⁴–10⁶ Да, причем применяются главным образом анионные и неионогенные полиакриламиды. Подчеркнуто, что при температурах пласта до 95°C широко используются полиакриламиды с сульфонированными мономерами (акриламидо-терт-бутилсульфонатом), что обусловлено их устойчивостью в высокоминерализованных средах, содержащих ионы кальция и магния, тогда как стандартные сополимеры акриламида и акрилата натрия (гидролизованный полиакриламид) стабильны при температуре 75°C, чувствительны к уровню минерализации воды и подвержены механической деструкции. Кроме того, все более широкое применение находят различные термотропные полимеры, такие как полиакриламид с мономером N-изопропилакриламида, использование которых позволяет за счет варьирования количества мономеров изменять температуру гелеобразования полимерных растворов.

Представленные данные свидетельствуют о том, что на сегодняшний день накоплен большой опыт, позволяющий расширить представления об особенностях применения полиакриламида разных типов на месторождениях с высокими вязкостью нефти, уровнем минерализации, температурой и низкой проницаемостью, в том числе в рамках технологии ASP-заводнения (при закачке в пласт смеси, состоящей из анионного поверхностно-активного вещества, соды / щелочи и полимера).

ВВЕДЕНИЕ

Около десяти лет Россия удерживала позиции крупнейшего производителя нефти, пока в 2018 г., несмотря на рост добычи до 555,9 млн т, не уступила мировое лидерство в области нефтедобычи США и Саудовской Аравии. В числе прочих факторов этому способствовало то, что бльшая часть крупных месторождений РФ истощена, активные извлекаемые запасы выработаны, а новые месторождения находятся в удаленных провинциях с неразвитой инфраструктурой. В результате на сегодняшний день коэффициент извлечения нефти в РФ составляет около 0,3, что обусловлено в первую очередь сложной структурой запасов.

Свою лепту в существенное отставание в выработке запасов внесло также ограниченное применение методов увеличения нефтеотдачи (МУН) на месторождениях, содержащих трудноизвлекаемые запасы (ТРИЗ). Очевидно, что проблема разработки таких месторождений существует давно. Разработка месторождений, содержащих ТРИЗ, требует индивидуального подхода и больших затрат, поэтому в целях обеспечения рентабельности этой деятельности вводятся дополнительные льготы. При этом, по мнению автора [1], к ТРИЗ правомерно относить и остаточные запасы нефти месторождений, находящихся на поздней стадии разработки, на которых достижению достаточно высоких значений коэффициента нефтеотдачи и необходимых уровней добычи способствовало, в частности, применение заводнения. Оговоримся, что обобщение опыта разработки месторождений показывает, что наиболее рационально приступать к решению проблемы повышения нефтеотдачи пластов задолго до наступления поздней стадии разработки [2].

Таким образом, на сегодняшний день вопрос применения МУН встает как никогда остро, что нашло свое отражение в утвержденном в 2019 г. Правительством РФ плане мероприятий («дорожной карте») по реализации мер по освоению нефтяных месторождений и увеличению объемов добычи нефти в Российской Федерации, в котором особо было оговорено «стимулирование добычи нефти на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами нефти путем внедрения третичных методов увеличения нефтеотдачи пластов, а также стимулирования добычи на малых месторождениях».

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ

На сегодняшний день в мире наиболее широко применяются тепловые и газовые МУН, тогда как на долю физико-химических методов приходится сравнительно небольшое количество проектов. Согласно данным, приведенным в [3, 4], химические технологии составляют около 8% всех МУН, применяемых в мире.

Наибольшее количество проектов с применением химических МУН пластов пришлось на 1970–1980‑е гг., когда как в России, так и в США были проведены широкомасштабные работы по внедрению в нефтегазовую промышленность МУН, главным образом в терригенных коллекторах [5].

В целом из числа МУН достаточно простым с точки зрения технологии и, пожалуй, наиболее широко применяемым методом является полимерное заводнение, в ходе которого реагенты закачивают в пласт через нагнетательные скважины оторочками разного объема, добавляя их в воду системы поддержания пластового давления.

Однако мировая статистика применения данного метода отражает существенные различия. К примеру, в США, где государственная система налоговых льгот в течение многих лет стимулировала проведение опытно-промышленных работ по третичным МУН пластов, интерес к применению полимеров стал угасать начиная с середины 1980‑х гг. [6]. В то же время в СССР к началу 1980‑х гг. степень изученности технологий полимерного заводнения оценивалась на уровне 0,57 при том, что комплексный параметр изученности, например, циклической закачки воды достигал 0,78 [6].

Все реализованные в СССР проекты характеризуются следующими показателями: вязкость нефти – 3÷10 мПа·с, температура пласта – 40 °C, концентрация полиакриламида – 0,03÷0,15%, объем закачки (V_пор) – 5÷50%.

Рис. 1. Формула полиакриламида: а) катионного; б) анионного; в) неионогенного

Рис. 2. Реакция сшивки двухвалентными ионами, предшествующая деградации гидролизованного полиакриламида, в присутствии катионов кальция

В настоящее время специфика проектов геолого-технических мероприятий в российских компаниях такова, что в основном проводятся обработки призабойной зоны пласта закачкой химических реагентов в малых объемах.

ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ

Основной принцип полимерного заводнения заключается в закачке оптимальной оторочки раствора полимера. В результате за счет увеличения вязкости вытесняющего агента и отношения подвижности между водой и нефтью увеличивается коэффициент охвата пласта:

\(\lambda_{\mathrm{в}}/\lambda_{\mathrm{н}}=(k_{\mathrm{в}}/\mu_{\mathrm{в}})/(k_{\mathrm{н}}/\mu_{\mathrm{н}})\qquad (1)\)

где \(\lambda_{\mathrm{в}}, \lambda_{\mathrm{н}}\) – подвижность воды и нефти соответственно; \(k_{\mathrm{в}}, k_{\mathrm{н}}\) – проницаемость пористой среды для воды и нефти соответственно, мД; \(\mu_{\mathrm{в}}, \mu_{\mathrm{н}}\) – вязкость воды и нефти соответственно, Па·с.

Полимерное заводнение может быть эффективным при большой разнице между подвижностью воды и нефти. В таких условиях возможно предотвратить прорывы воды к добывающим скважинам, так называемые языки обводнения. Воду загущают полимером, вязкость ее увеличивается, и тем самым выравнивается фронт вытеснения. Также при большой неоднородности пласта с помощью полимерного заводнения фронт вытеснения выравнивается за счет создания дополнительного фильтрационного сопротивления в высокопроницаемых пропластках, куда в основном и проникает полимерный раствор. В результате низкопроницаемые пропластки могут включиться в процесс вытеснения.

Повышение фильтрационного сопротивления в высокопроницаемых промытых зонах определяется как отношение подвижности воды к подвижности закачиваемого химического раствора (раствора полимера) и определяется величиной фактора сопротивления:

\(R=(k_{\mathrm{в}}/\mu_{\mathrm{в}})/(k_{\mathrm{п.р.}}/\mu_{\mathrm{п.р.}}),\qquad (2)\)

где \(k_{\mathrm{п.р.}}\) – проницаемость пористой среды для полимерного раствора, мД; \(\mu_{\mathrm{п.р.}}\) – вязкость полимерного раствора, Па·с.

После закачки определенного объема оторочки полимерного раствора продолжают закачивать воду. Для понимания процессов, происходящих в пласте на этом этапе, вводят такой параметр, как остаточный фактор сопротивления, который определяется как отношение подвижностей воды, закачиваемой до оторочки полимерного раствора и после:

\(R_{\mathrm{ост}}=(k_{\mathrm{в}}/\mu_{\mathrm{в}})/(k'_{\mathrm{в}}/\mu'_{\mathrm{в}}),\qquad (3)\)

где \(k_{\mathrm{в}}, k'_{\mathrm{в}}\) – проницаемость пористой среды для воды, закачиваемой до и после оторочки полимерного раствора соответственно, мД; \(\mu_{\mathrm{в}}, \mu'_{\mathrm{в}}\) – вязкость воды, закачиваемой до и после оторочки полимерного раствора соответственно, Па·с.

Рис. 3. Гидролиз неионогенного полиакриламида

Рис. 4. Радикальный механизм деструкции полиакриламида

Наиболее важной особенностью растворов полимеров является тот факт, что их подвижность в пористой среде значительно ниже подвижности, рассчитанной по вязкости, измеренной стандартными методами. Это явление связано с неньютоновским характером течения растворов полимеров, а также с адсорбцией и механическим удерживанием полимеров в пористой среде.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ

В качестве полимера для проведения заводнения используется полиакриламид (ПАА), представляющий собой вещество с высокой молекулярной массой порядка 10⁴–35·10⁶ Да (рис. 1). В зависимости от условий возможно применение катионного, анионного и неионогенного полиакриламида. Катионные полиакриламиды в большинстве своем применяются в качестве флокулянтов при очистке сточных вод (рис. 1а). Анионные и неионогенные полиакриламиды (рис. 1б и 1в) также применяются как флокулянты и широко используются при полимерном заводнении.

Макромолекулы полимера могут находиться в различных конформационных состояниях: глобулы, статические клубки, ориентированные структуры. Растворение полимеров в воде занимает определенное время, поскольку при взаимодействии высокомолекулярного соединения с растворителем происходит набухание, в процессе которого увеличивается объем макромолекулы полимера. Время растворения зависит от качества воды и физико-химических свойств полимера. В случае применения ПАА для улучшения его растворимости в воде используют частично гидролизованный ПАА (рис. 1б). Впрочем, многолетний опыт применения и исследований показал, что, несмотря на уменьшение времени растворения, гидролизованный ПАА наиболее склонен к деструкции и деградации [7]. Высокая ионизация макромолекулы приводит к взаимному отталкиванию отдельных фрагментов, а при наличии в растворе ионов двухвалентных металлов вызывает уплотнение или сшивку данных фрагментов. Реакция сшивки двухвалентными ионами, предшествующая деградации гидролизованного ПАА в присутствии катионов кальция, представлена на рис. 2.

Неионогенный ПАА также может быть подвержен деградации двухвалентными ионами в присутствии двухвалентных катионов, так как даже при невысокой температуре в водном растворе происходит гидролиз амидных групп с образованием карбоксильных (рис. 3), и дальнейший процесс деградации двухвалентными ионами макромолекулы происходит аналогично гидролизованному ПАА.

Таблица 1. Диапазон параметров для применения полимерного заводнения

Деструкция ПАА также может происходить вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и солями металлов переменной валентности (в частности, железа), приводящего к развитию радикальных окислительно-восстановительных реакций, способствующих разрушению (деструкции) полимера с уменьшением молекулярной массы. Скорость окислительно-восстановительных реакций будет увеличивать наличие примесей, содержащихся в ПАА из‑за недостаточной очистки при производстве. Механизм подобной деструкции показан на рис. 4.

Существенная проблема при полимерном заводнении связана не только с составом используемой воды и температурой пласта, но и со стоимостью проекта. Использование пресной воды, привозимой на промысел, очень сильно удорожает процесс, а применение технической воды может привести к образованию осадков и снижению эффективности химического состава, особенно если вода содержит железо и кислород.

На успешность реализации проекта применения химических МУН влияет и совместимость реагентов с насыщающими пласт флюидами (нефть, пластовая вода и газ) и породами коллектора. Если фактор совместимости не будет учтен, полимерные растворы могут потерять вязкость в пластовых условиях. Это может быть связано как с непосредственным уменьшением молекулярной массы полимера за счет деструкции (разрыва) макромолекулы, так и с изменением конформации макромолекул, уплотнением макромолекулярных клубков, т. е. деградацией и адсорбцией полимера на породе.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Перечисленные сложности и неконтролируемость процессов в пласте, а также дороговизна проектов обусловили снижение интереса к технологии полимерного заводнения. Однако в последнее время ситуация изменилась: появляется все больше публикаций о применении полимеров как в комплексных (ASP-заводнение), так и в чисто полимерных технологиях. Особенность этих проектов заключается в том, что закачка полимера осуществляется при высокой температуре, высоком уровне минерализации и в пластах с тяжелой нефтью, что ранее было невозможно. Это связано как с разработкой новых марок полиакриламида, так и с усовершенствованием технологий закачки полимерных растворов. Так, к примеру, для ликвидации деструкции в настоящее время применяются азотная подушка, качественная водоподготовка и полимеры с использованием акриламидо-трет-бутилсульфоната (АТБС).

Недавние разработки помогли расширить границы применения полимеров для различных пластовых условий (табл. 1) [7].

Стандартные сополимеры акриламида и акрилата натрия (гидролизованный ПАА) стабильны до 75°C и более при отсутствии двухвалентных катионов. При температурах пласта до 95°C широко используются ПАА с сульфонированными мономерами (АТБС) (рис. 5), поскольку такие полимеры устойчивы в высокоминерализованных средах, содержащих ионы кальция и магния.

Рис. 5. Формула полиакриламида с мономером акриламидо-терт-бутилсульфонатом

Технологии применения ПАА с сульфонированными мономерами успешно реализованы на Москудьинском месторождении (ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь») и месторождении Algy (MOL), имеющих температуру пласта 27 и 98°C и минерализацию 240 и 0,15г/л соответственно [8, 9].

Интересной разработкой являются так называемые термотропные полимеры, к числу которых относится ПАА с мономером N-изопропилакриламида (рис. 6), способный создавать трехмерные структуры в водных растворах. За счет варьирования количества мономеров можно изменять температуру гелеобразования полимерных растворов [10], что является актуальным направлением в создании полимеров с улучшенными свойствами.

Рис. 6. Формула полиакриламида с мономером N-изопропилакриламида

В табл. 2 представлены данные о наиболее значимых проектах, демонстрирующих возможности использования ПАА с различными мономерами на месторождениях с высокими уровнями вязкости нефти, минерализации, высокой температурой пласта и низкой проницаемостью [8–12].

Таблица 2. Примеры характеристик месторождений, на которых осуществлялось полимерное заводнение

На данный момент все реализованные проекты характеризуются следующими показателями: концентрация ПАА –0,01÷0,5%, объем закачки Vпор – 30÷100%, молекулярная масса ПАА – 3·106÷35·106 Да. Минимальная дополнительная добыча нефти для всех этих проектов составляет около 10% от изначального коэффициента извлечения нефти. Ярким примером высокой эффективности полимерного заводнения является закачка раствора полиакриламида на шельфовом месторождении Captain (Chevron), где прирост добычи нефти составил 16 % и было сэкономлено 25 млн баррелей воды по сравнению с базовым сценарием закачки [11].

В целом представленные данные свидетельствуют о наличии тенденции к увеличению интереса к применению полиакриламидов с новыми свойствами, позволяющими осуществлять полимерное заводнение в месторождениях с ТРИЗ нефти.

Источник: журнал Территория "Нефтегаз" 9-10.2021
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ В МИРЕ