Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В последние годы мировая экономика интенсивно развивается и потребности многих стран в нефти и газе значительно возросли. Чтобы обеспечить достаточный объем добычи нефти, необходимый для развития национальной экономики, в дополнение к поиску новых запасов, во многих странах мира основное внимание научных исследований направлено на уменьшение материальных затрат при разработке нефтяных месторождений и на увеличение нефтеотдачи пластов при применении различных химических методов увеличения нефтеотдачи пластов [1, 2]. В большинстве случаев химические методы увеличения нефтеотдачи пластов относятся к добавлению различных химических реагентов в нагнетательную воду, которые вызывают значительное изменение физико-химических свойств вытесняющей жидкости и межфазных свойств между вытесняющей жидкостью, нефтью и резервуаром, что в конечном итоге приводит к увеличению нефтеотдачи пластов. Полимерное заводнение является самым широко применяемым химическим методом для увеличения нефтеотдачи пластов. Полимерное заводнение позволяет увеличить нефтеотдачу пластов от 5 % до 30 % [3]. В настоящей работе рассмотрены механизм вытеснения нефти из пластов с применением метода полимерного заводнения, анализ эффективности применения метода полимерного заводнения в нефтедобывающей промышленности, его существующие проблемы и дальнейшее направление развития данного метода.

Механизм метода вытеснения нефти с помощью полимерного заводнения

Полимерное заводнение пластов достигается за счет добавления некоторого количества частично гидролизованного полиакриламида к нагнетательной воде, за счет этого макроскопически увеличивается вязкость нагнетательной воды и снижается коэффициент мобильности нефти и воды (М0), т.е., по существу, полимер задерживается в порах коллектора, вызывает уменьшение сечения потока и увеличение фильтрационного сопротивления. Для неоднородного пласта полимер на начальной стадии полимерного заводнения сначала входит в слой с высокой проницаемостью и низким сопротивлением и задерживается в нем, что приводит к уменьшению сечения потока в порах и увеличению фильтрационного сопротивления. Когда тот же раствор полимера проникает в слои с низкой и средней проницаемостью коллектора, также будет происходить задержание полимера и увеличение прироста фильтрационного сопротивления в них. По мере продолжения процесса полимерного заводнения фильтрационное сопротивление в слоях средней и низкой проницаемости коллекторов будет постепенно увеличиваться [4–6]. Объем и время задержки полимера в порах и фильтрационное сопротивление пласта может оцениваться по коэффициенту сопротивления и коэффициенту остаточного сопротивления. По мере увеличения коэффициента сопротивления и коэффициента остаточного сопротивления увеличивается давление нагнетания, повышается перепад давления поглощения в слоях средней и низкой проницаемости, увеличиваются степень поглощения жидкости и коэффициент охвата пласта [7–10]. Для повышения нефтеотдачи пластов используются в основном два типа полимеров: синтетический полимер и биополимер. В настоящее время широко используются частично гидролизованный полиакриламид, ксантановые смолы и модифицированные полимеры, полиакриламиды в значительной степени доминируют при полимерном заводнении, а биополимеры пока не находят широкого применения [11, 12]. Самым широко используемым полимер в процессе повышения нефтеотдачи пластов на месторождении является частично гидролизованный полиакриламид (ПАА). Он представляет собой сополимер полиакриламида и полиакриловой кислоты. ПАА является предпочтительным в процессе повышения нефтеотдачи пластов, так как он может выдерживать высокие механические силы в процессе заводнения. Кроме того, низкая стоимость и устойчивость к бартерному воздействию тоже являются большим достоинством данного полимера. Но ПАА очень чувствителен к солености и вязкости воды. Свойство повышения вязкости значительно снижается, когда ПАА растворяется в воде высокой солености и вязкости [11–13].

Ксантан представляет собой полисахарид, который получают путем ферментации глюкозы или фруктозы различными бактериями. Возможность повышения вязкости раствора заключается в высокой молекулярной массе ксантана, которая находится в диапазоне от 2 до 50×106 г/мол. По сравнению с ПАА, ксантан имеет более устойчивую структуру и является более не ионным соединением. Благодаря этим свойством ксантан не чувствителен к солености и твердости, но после закачки в пласт ксантан чувствителен к бактериальному разложению [13, 14]. Полиакриламид и частично гидролизованный полиакриламид очень чувствителен к солености и вязкости воды, за счет этого свойство повышения вязкости значительно снижается, когда ПАА растворяется в высокоминерализованной воде. Кроме того, термическое разложение и низкая термостойкость являются недостатком полиакриламида и частично гидролизованного полиакриламида. Когда температура выше, чем 93 °С происходит серьезное термическое разложение полиакриламида, поэтому полиакриламид не пригоден в пластах при высоких температурах. В связи с этим разработка термостойких и солеустойчивых модифицированных полимеров является актуальной задачей [15, 16]. В последние годы исследования термостойких и солеустойчивых модифицированных полимеров разделяют на два основных направления:

– ультрастойкие молекулярные полимеры и химическая модификация полимеров, в том числе сополимер акриламида с термостойкими и солеустойчивыми мономерами;

– гидрофобный ассоциирующий полимер, сополимер акриламида с новой структурой [17].

Состояние применения технологии полимерного заводнения в промысловых условиях

Технологии полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов начали применять в середине 20 в. В 1964 г. США проводили первое пилотное тестирование по полимерному заводнению пластов для повышения нефтеотдачи пластов и в течение следующих пяти лет провели 61 пилотное испытание. С 1970 по 1985 г. были проведены 183 промышленных испытаний по полимерному заводнению, 55,7 % из них достигли хорошего технического и экономического эффекта. С 1990-х гг. из-за падения цен на нефть количество промышленных испытаний сократилось. В табл. 1 представлено количество проведенных промышленных испытаний по применению технологии полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов в мире до 2015 г. В 24 странах были проведены 733 промышленных испытания по применению технологии полимерного заводнения. Из них 8 испытаний были выполнены на море, меньше чем 15 % испытаний проведены на карбонатных коллекторах [18, 19].

На сегодняшний день в Китае широко применяются технологии полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов. В 1972 г. на нефтяном месторождении Дацин в Китае были впервые проведены полевые испытания технологии полимерного заводнения. После проведенных промышленных испытаний на нефтяных месторождениях Дацин, Щэнгли, Ляохэ, Синьцзян, Даганг, Хэнань и Цзилинь были реализованы проекты по полимерному заводнению. В настоящее время технологии полимерного заводнения широко применяются в Китае и представляют собой одну из важных технологий для устойчивой добычи нефти [20–22]. В 2003 г. объем добычи нефти в результате полимерного заводнения достиг более 10 млн т / год на месторождении Дацин, который стал крупнейшим месторождением по объему добычи нефти в результате применения технологии полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов в Китае, что позволило увеличить коэффициент извлечения нефти (КИН) на 13–14 %. Общий объем геологических запасов месторождения Дацин подходит для применения химических методов увеличения нефтеотдачи пластов – 2,313 млрд т. В настоящее время химические методы увеличения нефтеотдачи пластов применены на 87 нефтяных промыслах, с общим количеством 1,077 млрд т геологических запасов [23, 24].

Таблица 1

Количество проведенных испытаний технологий полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов в мире до 2015 г.

Существующие проблемы и тенденция развития полимерного заводнения

С точки зрения исследования механизма вытеснения нефти полимерного заводнения исследование механизма возврата профиля абсорбции является актуальной задачей [25, 26]. Для нефтяных месторождений с относительно большой неоднородностью пластов полимерное заводнение не имело более высокого эффекта увеличения добычи нефти и уменьшения обводненности. На ранней стадии полимерного заводнения профиль абсорбции вытесняющего агента коллектора может быть улучшен, но когда полимерное заводнение входит в среднюю и более позднюю стадии из-за явления возврата профиля абсорбции, вызванного неоднородностью коллектора и удерживания полимера в коллекторе, слои со средней и низкой проницаемостью будут заблокированы и поглощение жидкости происходит значительно труднее, и это не способствует повышению степени использования слоев пласта средней и низкой проницаемости. Полимерный раствор неэффективно циркулирует преимущественно в слое с высокой проницаемостью, где содержание остаточной нефти относительно невелико и объем охвата не может быть расширен [27–29]. В ходе применения полимерного заводнения используемые полимерные реагенты часто деградируют при различных физических или химических условиях, таких как термическое разложение, окислительная деградация, механическая деградация и др. После деградации высокомолекулярная масса и механическая энергия полимерного реагента уменьшаются или даже исчезают, что приводит к уменьшению вязкости, прочности и снижению эффекта применения полимерного реагента, поэтому для более эффективного повышения нефтеотдачи пластов необходимо уменьшать степень разложения полимера. В нефтяной промышленности, учитывая огромные масштабы производства, большое значение при выборе определенных конкретных химических методов для увеличения нефтеотдачи пластов имеют цена и степень риска при выборе химреагентов. В связи с этим Китайская национальная нефтяная компания провела экономическую оценку и сделала сравнительный анализ по применению технологии полимерного заводнения и технологии АСП (щелочь/ПАВ/полимер) заводнения для повышения нефтеотдачи пластов. В табл. 2 представлено сравнение финансовых затрат на добычу нефти с использованием технологии полимерного заводнения и технологии АСП заводнения. Так, например, стоимость одной наземной скважины, работающей с использованием технологии полимерного заводнения, составляет около 29,1×104 дол. США, а стоимость скважины, работающей с использованием технологии АСП заводнения, значительно больше и составляет 42,7×104 дол. США. Из-за сложности систем очистки сточных вод и систем нагнетания стоимость наземного строительства скважин, работающих с использованием технологии АСП заводнения, значительно выше, чем стоимость скважин, работающих с использованием технологии полимерного заводнения [30].

Таким образом, при нынешних низких ценах на нефть стоимость технологии АСП заводнения значительно выше, чем стоимость полимерного заводнения с точки зрения экономической эффективности, и оно доминирует в химических методах увеличения нефтеотдачи пластов. В то же время необходимо содействовать разработке и применению высокоэффективных и недорогих «зеленых» полимеров и минимизировать затраты на химические вещества, тем самым повышая экономическую эффективность применения технологий полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов. В то же время необходимо стимулировать разработки и применение высокоэффективных полимеров с низкой себестоимостью и минимизировать затраты на химические реагенты, тем самым увеличивая экономическую эффективность технологий полимерного заводнения для повышения нефтеотдачи пластов.

Заключение

В настоящей работе рассмотрены часто применяемые полимеры для повышения нефтеотдачи пластов, их механизмы вытеснения нефти, состояние применения технологии полимерного заводнения и тенденции развития данной технологии. Объекты применения технологии полимерного заводнения изменяются от песчаниковых пород до гравелитовых и карбонатных пород, от нормальных пластовых температур до высоких пластовых температур и высокоминерализованных нефтей, от высокомолекулярных полимеров до сверхвысоких полимеров. Поэтому разработки новых полимеров с высокой термостойкостью, устойчивых к высокой солености растворов и с низкой себестоимостью, являются одним из ключевых направлений развития технологий полимерного заводнения в будущем.