Анализ применения низко- и высокомолекулярных полимерных растворов для увеличения коэффициента охвата вытеснением

Применение методов повышения нефтеотдачи, в т.ч. химических, позволяет увеличить коэффициент извлечения нефти за счет мобилизации остаточной нефти, что повышает производительность нефтяных скважин. Полимерное заводнение является одним из наиболее распространенных ХМУН, которое успешно используется уже несколько десятилетий. В этом методе полимер добавляется в закачиваемую воду для поддержания пластового давления с целью уменьшения ее подвижности. Процессы увеличения вязкости, снижения проницаемости водной фазы, полученные в ходе загущения, улучшают макроскопическую эффективность вытеснения нефти. Известно, что в поровом масштабе вязкоупругость также является ключевым параметром, определяющим микроскопическую эффективность охвата. Однако эта эффективность охвата зависит от таких факторов, как проницаемость, температура, соленость, смачиваемость, капиллярное число, неоднородность и т.д. Авторы статьи обобщают результаты исследований влияния молекулярной массы на вязкоупругость, загущающую способность, адсорбцию, механическое разрушение, коэффициент извлечения нефти. А также приводят результаты расчетов гидродинамических моделей различных сценариев заводнения – классического и полимерного, подтверждающие актуальность выбранной темы исследования и необходимость изучения поведения полимерных растворов в поровом пространстве, обладающих различными вязкоупругими свойствами.

Полимерное заводнение представляет собой закачку воды, загущенной синтетическими полимерами для повышения ее вязкости. Это приводит к более высокому значению вязкости при равных скоростях закачки и, следовательно, к снижению подвижности воды в пласте и, следовательно, коэффициента мобильности М, определяемого как отношение подвижности вытесняющей жидкости (т.е. воды) к подвижности вытесняемой жидкости (нефти) (рис. 1). Конечная цель данной технологии заключается в улучшении эффективности охвата пласта процессом заводнения [2]. Эффективность охвата показывает, насколько быстро или эффективно закачиваемая жидкость течет через весь объем резервуара. Низкая эффективность охвата приводит к раннему прорыву воды и замедлению добычи нефти после прорыва, что приводит к экономическим потерям. Причиной низкой эффективности охвата может быть либо неблагоприятное соотношение подвижностей между нефтью и водой, либо чрезмерная неоднородность коллектора.

Рис. 1. Процесс заводнения (M >1,0) (а), процесс полимерного заводнения (М <1,0) (б): НС – нагнетательная скважина, ДС – добывающая скважина, ПЗ – полимерное заводнение [3]

Частично гидролизованный полиакриламид (HPAM) является одним из наиболее широко используемых полимеров для полимерного заводнения. HPAM представляет собой синтетический полимер с гибкой цепной структурой. Он обладает вязкоупругими свойствами в пористой среде. Вязкоупругие свойства, безусловно, могут служить преимуществом в неоднородных коллекторах по сравнению с невязкоупругими полимерами, поскольку эффект загущения при сдвиге еще больше снизит подвижность полимера в зонах с высокой проницаемостью из-за более высокой скорости сдвига.

Принято разделять частично гидролизованные полиакриламиды по величине молекулярной массы следующим образом:

- низкомолекулярные – до 2·10⁶ г/моль;

- среднемолекулярные – от 2 до 7·10⁶ г/моль;

- высокомолекулярные – от 7·10⁶ г/моль [8].

Многие исследователи сообщают, что молекулярная масса (ММ) полимера положительно влияет на его вязкоупругость [4, 5, 7]. Полимеры с более высокой молекулярной массой и, соответственно, более высокой средней длиной цепи макромолекулы требуют большего времени для релаксации. С другой стороны, полимеры с высокой молекулярной массой более подвержены механической деградации, что приводит к разрушению основной цепи полимера и ухудшению его загущающей способности. Следовательно, этот фактор требует тщательного исследования и оптимизации перед внедрением полимерного заводнения [8].

В этой работе обобщены результаты экспериментальных исследований реологических и фильтрационных характеристик HPAM с высокой и низкой молекулярной массой. Как правило, HPAM с высокой молекулярной массой имеют более крупные и длинные молекулы, обеспечивающие более высокую вязкость и более вязкоупругие свойства, чем HPAM с низкой молекулярной массой той же концентрации. Величина разницы также зависит от концентрации полимера в водном растворе.

Еще одним фактором, влияющим на вязкоупругие свойства, является проницаемость коллектора. Полимеры, фильтрующиеся в пористых средах с низкой проницаемостью, демонстрируют более выраженную вязкоупругость. Это может быть связано с уменьшением среднего объема пористого пространства, где более высокое дифференциальное давление усиливает деформацию полимера и вызывает вязкоупругое течение даже при сравнительно более низких скоростях потока. Тем не менее также важно отметить, что проницаемость влияет на механическую деструкцию, в частности происходит более раннее разрушение цепей полимеров при низкой проницаемости коллектора, как в случае с высокой молекулярной массой. Поэтому некоторые исследователи предлагают использовать полимеры с высокой молекулярной массой только в породах с высокой проницаемостью, ограничивая ММ для пород с более низкой проницаемостью [5].

Степень механического разложения в пористой среде в основном контролируется такими параметрами, как скорость закачки, проницаемость пласта, температура, концентрация, соленость рассола, твердость и молекулярная масса полимера. Эффект деградации становится более сильным в плотных коллекторах с более низкой проницаемостью, где на раствор полимера воздействуют большие напряжения. Точно так же деградация усугубляется с увеличением молекулярной массы полимера [8].

Полимеры с более высокой молекулярной массой легче разлагаются, чем полимеры с более низкой молекулярной массой, из-за более высокого сопротивления потоку и больших механических напряжений.

В работе [1, 6] исследователи доказали, что удержание полимера HPAM в поровом пространстве повышается с увеличением молекулярной массы. Они также предположили, что полимеры с более высокой молекулярной массой имеют тенденцию образовывать более толстый слой при адсорбции на поверхности породы по сравнению с полимером с более низкой молекулярной массой.

Таким образом, молекулярная масса полимера является еще одним важным фактором, влияющим на технологию полимерного заводнения [7, 8]. Полимеры с более высокой молекулярной массой обычно приводят к более высокому снижению проницаемости, лучшей загущающей способности и более высокой нефтеотдаче. Однако этот параметр следует тщательно обосновывать, учитывая геологические особенности исследуемого объекта (например, проницаемость породы и размер порового канала). Влияние молекулярной массы полимеров HPAM на процессы нефтеотдачи могут быть изучены с применением программных продуктов по гидродинамическому моделированию процесса полимерного заводнения. Далее будут представлены результаты данных исследований.

Методика исследования процесса заводнения низко- и высокомолекулярными полимерными растворами

С целью изучения влияния низко- и высокомолекулярных полимерных растворов на увеличение коэффициента охвата вытеснением в неоднородных терригенных коллекторах использован программный комплекс по гидродинамическому моделированию с модулем по полимерному заводнению. Между собой сопоставлялись результаты четырех сценариев расчета заводнения:

1) классическое заводнение – без закачки полимерного раствора;

2) полимерное заводнение – закачка низкомолекулярного полимерного раствора в количестве 0,5 порового объема (PV) пласта;

3) полимерное заводнение – закачка высокомолекулярного полимерного раствора в количестве 0,5 PV пласта;

4) полимерное заводнение – закачка комбинированных (низко- и высокомолекулярного) полимерных растворов по 0,25 PV пласта низкомолекулярного и высокомолекулярного полимерных растворов.

В качестве объекта исследования использовался неоднородный по проницаемости терригенный пласт с характеристиками, приведенными в таблице 1. Объект состоит из двух пропластков толщиной по 5 м. Разработка данного объекта осуществляется вертикальными скважинами – одной добывающей и одной нагнетательной (рис. 2). Добывающая и нагнетательная скважины работали с одинаковым дебитом и расходом по 500 м³/сут. Расчет заводнения осуществлялся до достижения предельного значения обводненности (99 %).

Таблица 1. Геолого-физические характеристики объекта

РИС. 2. Начальная нефтенасыщенность (Sн = 0,7) на 01.03.2023

При моделировании полимерного заводения использовались частично гидролизованные, широко применяемые в ХМУН полимеры: в качестве низкомолекулярного полимера – частично гидролизованнй аноинный полимер Flopaam 3230 S с молекулярной массой 2·10⁶ г/моль, а в качестве высокомолекулярного полимера – анионный полимер Flopaam 3630 S с молекулярной массой 2,7·10⁷ г/моль.

Результаты исследований процесса заводнения

Анализ классического заводнения

Согласно прогнозхным данным, в августе 2063 с момента начала заводнения (01.03.2023) неоднородного пласта будет достигнуто предельное значение обводненности 99 %, при этом остаточная нефтенасыщенность (Sно) в высокопроницаемом пропластке составила 32,91 % (рис. 3, а), а в низкопроницаемом – 44,02 % (рис. 3, б). Накопленная добыча нефти составила 747 303 м³ с достижением коэффициента извлечения нефти (КИН) 29,89 %.

РИС. 3. Остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке (а) и высокопроницаемом пропластке (б) на 01.09.2062 после классического заводнения

Анализ заводнения низкомолекулярным полимерным раствором

После закачки оторочки (0,5 PV) низкомолекулярного полимерного раствора продолжалась закачка воды, как при классическом заводнении, до полного обводнения продукции (01.10.2062). Результаты гидродинамических расчетов показали, что накопленная добыча нефти и КИН выше, чем при классическом заводнении, и равны соответственно 752 402 м³ и 30,096 %. К концу заводнения остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке составила 35,03 %, что на 9 % меньше, чем при классическом заводнении (рис. 4, а). А в высокопроницаемом пропластке остаточная нефтенасыщенность составила 33,29 % (рис. 4, б).

РИС. 4. Остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке (а) и высокопроницаемом пропластке (б) на 01.10.2062 после заводнения низкомолекулярными полимерными растворам

В сравнении с заводнением неоднородного пласта с низкомолекулярным полимерным раствором при закачке раствора полимера с большей молекулярной массой привело к повышению накопленной добычи нефти до 752 982 м³ и КИН до 30,119 %. При этом время достижения предельного значения обводненности составило столько же, сколько и при заводнении низкомолекулярным полимерным раствором. Положительный эффект получен в большей степени вследствие увеличения охвата низкопроницаемого пропластка, т.к. остаточная нефтенасыщенность в этой зоне уменьшилась на 0,01 % (до 35,02 %) (рис. 5, а) по сравнению с заводнением с низкомолекулярным полимерным раствором. Однако в высокопроницаемой части произошло увеличение Sно на 0,13 % (до 33,43%) относительно закачки низкомолекулярного полимерного растворов (рис. 5, б), что можно связать с большей адсорбцией полимера в высокопроницаемом пропластке.

РИС. 5. Остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке (а) и высокопроницаемом пропластке (б) на 01.10.2062 после заводнения высокомолекулярными полимерными растворами

Анализ заводнения с комбинацией высокомолекулярного и низкомолекулярного полимерных растворов

На первом этапе закачивался высокомолекулярный полимерный раствор оторочкой в объеме 0,25 PV, следом проводилась закачка 0,25 PV низкомолекулярного полимерного раствора.

Расчеты гидродинамического моделирования в сравнении с другими сценариями полимерного заводнения показали следующие результаты:

- до достижения предельного значения обводненности КИН составил 30,097 %;

- накопленная добыча нефти составила 752 449 м³ и ниже, чем при закачке высокомолекулярного полимерного раствора;

- остаточная нефтенасыщенность в высокопроницаемом пропластке составила 33,35 % (рис. 6, а), а в низкопроницаемом – 35,04 % (рис. 6, б), что на 0,08 % меньше и на 0,02 % больше, чем при закачке высокомолекулярного полимерного раствора соответственно.

Согласно ранее проведенным теоретическим исследованиям, с одной стороны, закачка высокомолекулярного полимерного раствора в низкопроницаемую зону должна приводить к механической деградации цепей макромолекул полимера и снижению вязкоупругости. С другой стороны, к снижению проникающей способности в низкопроницаемый пропласток вследствие высокой упругой составляющей комплексной вязкости. Однако по результатам гидродинамических расчетов получен следующий эффект: чем выше молекулярная масса, тем ниже остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке и выше коэффициент извлечения нефти. Таким образом, вышеуказанные эффекты теоретических исследований не сходятся с результатами, полученными в ходе гидродинамических расчетов, что возможно объяснить не учетом данных эффектов в гидродинамической модели.

Рис. 6. Остаточная нефтенасыщенность в низкопроницаемом пропластке (а) и высокопроницаемом пропластке (б) на 01.08.2062 после комбинированного заводнения низко- и высокомолекулярными полимерными растворами

Выводы

Таким образом, в ходе проведенного анализа теоретических исследований можно выделить следующее:

- гидролизованные полиакриламиды (HPAM) с высокой молекулярной массой (от 7·10⁶ г/моль) обеспечивают большую вязкость и упругие свойства;

- механическое разрушение цепей макромолекул полимера при его фильтрации в поровом пространстве приводит к снижению эффективности полимерного заводнения;

- удержание полимера HPAM в поровом пространстве повышается с увеличением молекулярной массы;

- полимеры с более высокой молекулярной массой обычно приводят к более высокому снижению проницаемости, лучшей загущающей способности, что обуславливает более высокое нефтеизвлечение.

По результатам гидродинамических расчетов четырех сценариев заводнения в неоднородном по проницаемости терригенном коллекторе (классическое заводнение и заводнение полимерными растворами с различной молекулярной массой) установлено:

- повышение нефтеизвлечения происходит в большей степени вследствие увеличения охвата низкопроницаемого пропластка;

- увеличение молекулярной массы полимера, с одной стороны, приводит к повышению остаточной нефтенасыщенности в высокопроницаемом пропластке по сравнению с заводнением с низкомолекулярным полимерным раствором, что можно объяснить большей адсорбцией полимера. С другой стороны, к снижению остаточной нефтенасыщенности в высокопроницаемом пропластке также относительно закачки низкомолекулярного полимерного раствора. Несмотря на то, что закачка высокомолекулярных полимерных растворов в низкопроницаемые зоны обычно приводит к механической деградации цепей макромолекул полимера и снижению вязкоупругости, а также к снижению проникающей способности в низкопроницаемый пропласток вследствие высокой упругой составляющей комплексной вязкости.

В этой связи возникает необходимость изучения поведения полимерных растворов в поровом пространстве, обладающих различными вязкоупругими свойствами. В ближайшее время авторами планируется провести ряд лабораторных исследований с комбинацией высоко- и низкомолекулярных полимерных растворов, обладающих различными вязкоупругими свойствами, чтобы лучше понять их реологические и фильтрационные характеристики.

Литература

1. Al-Hashmi, A. R., Luckham, P. F., Heng, J. Y. Y., Al-Maamari, R. S., Zaitoun, A., Al-Sharji, H. H., & Al-Wehaibi, T. K. (2013). Adsorption of high-molecular-weight EOR polymers on glass surfaces using AFM and QCM-D. Energy and Fuels, 27(5), 2437–2444. https://doi.org/10.1021/ef302143a.

2. Al-Shakry, B., Skauge, T., Shiran, B. S., & Skauge, A. (2018). Impact of mechanical degradation on polymer injectivity in porous media. Polymers, 10 (7). DOI:10.3390/polym10070742.

3. Gbadamosi, A., Patil, S., Kamal, M. S., Adewunmi, A. A., Yusuff, A. S., Agi, A., & Oseh, J. (2022). Application of Polymers for Chemical Enhanced Oil Recovery: A Review. In Polymers (Vol. 14, Issue 7). MDPI. DOI:10.3390/polym14071433.

4. Ghahremani, H., Mobaraki, S., Khalilinezhad, S. S., & Jarrahian, K. (2018). An experimental study of the performance of low-molecular weight polymer for enhanced heavy oil recovery in a heterogeneous media. Geosystem Engineering, 21 (2), 95–102. DOI:10.1080/12269328.2017.1385424.

5. Kamal, M. S., Sultan, A. S., Al-Mubaiyedh, U. A., & Hussein, I. A. (2015). Review on polymer flooding: Rheology, adsorption, stability, and field applications of various polymer systems. In Polymer Reviews (Vol. 55, Issue 3, pp. 491–530). Taylor and Francis Inc. DOI:10.1080/15583724.2014.982821.

6. Song, W., Zhang, Y., Hamidian, A. H., & Yang, M. (2020). Biodegradation of low molecular weight polyacrylamide under aerobic and anaerobic conditions: Effect of the molecular weight. Water Science and Technology, 81 (2), 301–308. https://doi.org/10.2166/wst.2020.109.

7. Tapias Hernandez, F. A., Lizcano Niño, J. C., & Zanoni Lopes Moreno., R. B. (2018). Effects of salts and temperature on rheological and viscoelastic behavior of low molecular weight HPAM solutions. Revista Fuentes El Reventón Energético, 16 (1), 19–35. DOI:10.18273/revfue.v16n1-2018002.

8. Zeynalli, M., Alfazazi, U., Mushtaq, M., W. Al-Shalabi, E., & AlAmeri, W. (2022, October 31). Recent Advancements in Viscoelastic Polymer Flooding EOR Applications in Carbonates and Sandstones. DOI:10.2118/211481-ms.