Фізичні та технологічні основи підвищення видобутку нафти з використанням іонізуючих опромінень і водонабрякаючих полімерів в умовах неоднорідності пластів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

УДК 622.276:621.039:678

Фізичні та технологічні основи підвищення видобутку нафти з використанням іонізуючих опромінень і водонабрякаючих полімерів в умовах неоднорідності пластів

Спеціальність 05.15.06 Розробка нафтових та газових родовищ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Акульшин Олександр Олексійович

Івано Франківськ, 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу.

Захист дисертації відбудеться 26 листопада 1999 р. о 10.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 20.052.02 у Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу за адресою : Україна, 284019, м.Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу.

Автореферат розісланий “ 25 ” жовтня 1999 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Б.І.Навроцький

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми.

В практиці розробки нафтових родовищ запропонована і використовується значна кількість методів, спрямованих на збільшення нафтовилучення. Однак довготривале продовження розробки родовищ більш гостро ставить проблему підтримання видобутку нафти на необхідному рівні, тому подальший пошук нових методів підвищення нафтовилучення завжди залишається актуальним питанням. Крім того, серед багаточисельних методів підвищення нафтовилучення одні вимагають значних енергетичних затрат, інші використання дорогих хімічних реагентів. В зв'язку з цим актуальним стає пошук нових методів підвищення ефективності нафтовилучення продуктивних пластів з використанням малоенергоємних технологій, а також нових багатофункціональних та більш дешевих хімічних реагентів.

До числа малоенергоємних технологій належать технології, які базуються на використанні дії радіоактивних полів на продуктивні пласти.

З практики використання іонізуючих опромінень як в хімії взагалі, так у фізичній і радіаційній зокрема відомо, що під впливом такого типу енергії в різного роду матеріалах можливе проходження суттєвих перетворень із зміною їх фізико-хімічних властивостей (форми, твердості, розчинності, механічної стійкості). В зв'язку з цим, актуальним стає завдання пошуку серед відомих у нафтогазопромисловій практиці хімічних реагентів таких, які б під дією іонізуючого опромінення змінювали свої фізико-хімічні властивості. Це сприяло б умовам більш широкого їх використання при виготовленні технологічних рідин різного призначення.

Не менш актуальною проблемою є подальше удосконалення заводнення в умовах шаронеоднорідних пластів при зменшенні тиску нижче тиску насичення. Багатьма дослідниками доведено, що довготривала розробка менілітових покладів нафти Прикарпаття при заводненні характеризується низьким нафтовилученням від 11 до 15 % при обводненості продукції 80-95 %. Із загально теоретичних міркувань можна зробити висновок про те, що переведення покладу в змішаний режим розробки (водонапірний і розчиненого газу) буде сприяти збільшенню нафтовилучення. Це ілюструється відомою залежністю:

В американській практиці даний процес отримав назву часткового підтримання пластового тиску або часткового заводнення.

Теоретичним дослідженням щодо режимів часткового підтримання пластового тиску присвятили свої пошуки вчені М.Т.Абасов, А.А.Боксерман, М.М.Глаговский, Е.Б.Чекалюк і багато інших. Рішення, які ними отримані, більшою або меншою мірою враховують властивості пластової нафти, газу і фазових проникностей. Разом з тим, запропоновані авторами висновки не враховують охоплення пластів заводненням, що робить їх непридатними для виконання порівняльних досліджень режимів з рішенням задачі жорсткого водонапірного режиму, в якій коефіцієнт охоплення враховується.

Все це висуває як необхідну і актуальну задачу поглибленого вивчення режимів розробки в умовах часткового підтримання пластового тиску, а також узагальнення досвіду розробки і управління процесом заводнення пластів при змішаному режимі розробки.

Метою роботи є визначення можливості використання іонізуючих випромінювань в процесах підвищення нафтовилучення з продуктивних пластів, пошук і використання нових хімічних реагентів для застосування в процесах нафтогазовидобутку, розробка технологій отримання хімічних реагентів за допомогою іонізуючих випромінювань, розробка технологічних процесів використання отриманих нових хімічних реагентів і впровадження розроблених технологічних процесів в нафтопромисловій практиці. Окрім того, пропонується теоретичне дослідження режиму часткового підтримання пластового тиску, вдосконалення методики гідродинамічних розрахунків даного технологічного процесу.

Основні завдання досліджень:

- теоретичні та експериментальні дослідження можливості використання іонізуючих випромінювань в процесах підвищення нафтовилучення в умовах закачки води;

- пошук ефективних хімічних реагентів для отримання багатофункціональних технологічних рідин шляхом радіаційного опромінення;

- дослідження фізико-хімічних властивостей нових хімічних реагентів і технологічних рідин на їх основі;

- розробка технологічних процесів з використанням нових хімічних реагентів і рідин на їх основі;

- узагальнення уявлень про технологічний процес підвищення нафтовилучення при частковому підтриманні пластового тиску;

- розробка методики гідродинамічних розрахунків показників розробки при частковому підтриманні пластового тиску;

- опрацювання та впровадження розроблених технологічних процесів на нафтових і газових родовищах України.

Методи досліджень.

Реалізація мети та вирішення поставлених завдань досліджень здійснено на основі аналізу і узагальнення теорії і практики впровадження технологій підвищення нафтовилучення, теоретичних, експериментальних та промислових досліджень фізико-хімічних явищ, які супроводжують процеси дії на пласт і привибійну зону свердловини.

Наукова новизна дисертації:

- вперше теоретично і експериментально обгрунтована можливість використання іонізуючих випромінювань з метою підвищення нафтовилучення в умовах закачки води;

- вперше обгрунтовано і досліджено вплив іонізуючого опромінення на фільтраційні характеристики порового середовища при просуванні через нього водних розчинів органічних з'єднань;

- вперше розроблено способи отримання принципово нових водонабрякаючих полімерів типу ПОЛІКАР з використанням хімічних та фізичних методів;

- вперше теоретично і експериментально закладено основи багатофункціонального використання водонабрякаючих полімерів в нафтогазопромисловій практиці;

- виконані дослідження по оцінці нафтовилучення при витисненні нафти із тріщинно-порового пласта облямівкою водної дисперсії водонабрякаючого полімера;

- запропоновано теоретичне рішення для розрахунків показників розробки тріщинно-порового пласта при витисненні нафти водними полімерними дисперсіями;

- сформульовані ознаки технологічного процесу підвищення нафтовилучення при частковому підтриманні пластового тиску для неоднорідних пластів;

- виконано рішення по визначенню максимального дебіта свердловини для умов зменшення вибійного тиску нижче тиску насичення.

Практична значимість роботи:

- теоретичні та експериментальні дослідження, вміщені у роботі, створюють підгрунтя для розробки технологій підвищення нафтовилучення пластів і збільшення продуктивності свердловин з використанням опромінення і опромінених полімерних матеріалів;

- розроблено технології, що спрямовані на регулювання процесу заводнення в умовах неоднорідності пластів, збільшення продуктивності і зменшення обводненості продукції свердловин, забезпечення проведення безпечного підземного і капітального ремонту свердловин із застосуванням рідин, тимчасово блокуючих продуктивний розріз нафтових і газових свердловин, пригнічення діяльності бактерій при використанні вод з поверхневих джерел у системах заводнення, підвищення ефективності заводнення з використанням ПАР, збільшення приймальності водонагнітальних свердловин, ефективної розробки тріщинних і тріщинно-порових нафтонасичених пластів, ізоляції водоприпливу в нафтові та газові свердловини, підвищення продуктивності нафтових свердловин з використанням полімеркислотних систем, ізоляції водопритоку з встановленням водонепроникного нерухомого ізоляційного екрану, а також технологічні рідини для гідравлічного розриву пласта, буріння свердловин і тимчасової ізоляції пласта.

- розроблено, затверджено ВАТ “Укрнафта” і прийнято до впровадження керівний документ;

- 6 із розроблених технологій випробувано в промислових умовах на родовищах України та за її межами.

Достовірність наукових досліджень, висновків і рекомендацій роботи підтверджуються тим, що проведений комплекс досліджень базується на класичних положеннях гідродинаміки, хімії, фізичної хімії і радіаційної хімії, математичного та лабораторного моделювання з використанням методів планування експерименту і сучасної контрольно-реєструючої апаратури, а також промисловим впровадженням розробок із значним техніко-економічним ефектом. При виконанні досліджень використовувалась сучасна науково-лабораторна база Інституту фізичної хімії НАН України - УКП-250000, ЕЛУ-6 та інші.

Основні положення, що виносяться на захист

- технологічні процеси підвищення нафтовилучення з використанням іонізуючого опромінення;

- спосіб підвищення фільтраційних характеристик порового середовища при дії іонізуючого опромінення;

- радіаційні та хімічні способи отримання водонабрякаючих полімерів і багатофункціональні технологічні рідини на їх основі;

- технологічні процеси підвищення нафтовилучення з пластів та свердловин, регулювання процесів розробки, здійснення обмежувальних робіт водоприпливу, а також створення безпечних умов здійснення капітальних та підземних ремонтів свердловин;

- теоретичні і промислові ознаки ефективного використання технологічного процесу часткового підтримання пластового тиску;

- теоретичне встановлення максимального дебіту при експлуатації свердловин в умовах зменшення тиску нижче тиску насичення нафти газом.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на всесоюзній нараді “Современные методы увеличения нефтеотдачи пластов” (Бугульма, 1989), на міжнародному симпозіумі “По проблемам разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти и газа, бурения и эксплуатации скважин” (Яремча, 1993), на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу інституту нафти і газу (Івано-Франківськ, 1994), на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу університету (Івано-Франківськ, 1995), на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу університету (Івано-Франківськ, 1996), на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу університету (Івано-Франківськ, 1997), на 2-й Міжнародній науково-практичній конференції “Управління енерговикористанням” (Львів, 1997), на науково-практичній конференції “Стан і перспективи розвитку розвідувального та експлуатаційного буріння й закінчення свердловин в Україні” (Харків, 1998), на 5-й Міжнародній конференції “Нафта-Газ України-98” (Полтава, 1998).

Публікації. Основні положення дисертації викладено у 37 друкованих працях, у тому числі: у 29 статтях і тезах доповідей, у 7 авторських свідоцтвах і патентах.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і рекомендацій, переліку використаних джерел інформації і додатків.

Зміст роботи викладений на 281 сторінках і містить 27 таблиць на 28 сторінках, 62 рисунки на 62 сторінках, перелік інформації з 152 найменувань на 18 сторінках, додатки на 22 сторінках.

Автор висловлює щиру подяку за цінні поради і допомогу академіку Української нафтогазової академії, професору, д.т.н. Ю.О.Зарубіну, академіку Української нафтогазової академії, професору, д.т.н., Заслуженому діячу науки і техніки України В.С.Бойку; за увагу і підтримку роботи, створення належних умов для її виконання - академіку Української нафтогазової академії, Заслуженому діячу науки і техніки України, професору, д.т.н. Р.М.Кондрату, академіку Української нафтогазової академії, Заслуженому діячу науки і техніки України, професору, д.т.н. Р.С.Яремійчуку, академіку Української нафтогазової академії, Заслуженому діячу науки і техніки України, професору, д.г-м.н. Н.Н.Гунці, а також співробітникам кафедри ІФДТУНГ, працівникам ВАТ “Укрнафта” В.А.Петриняку, М.М.Лилаку, І.Я.Бойчуку, І.А.Пилипцю, Р.В.Мисьовичу, В.С.Копичку, Л.П.Хойській, М.В.Піті, В.Г.Касянчуку та багатьом іншим за корисні поради та участь у виконанні промислових досліджень та впровадженні розробок дисертаційної роботи.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи і дано її загальну характеристику.

В першому розділі дисертації висвітлюється стан використання радіаційних випромінювань в нафтовій та газовій промисловості.

Оглядом теоретичних і лабораторних досліджень, які виконувались в інституті фізичної хімії НАН України Стрелко В.В, Вовком І.Ф., Швецом Д.І. та іншими було виявлено, що опромінювання суттєво впливає на властивості поверхні твердого тіла, на адсорбційні процеси, які протікають на поверхні твердого тіла, а також на фізико-хімічні властивості рідин.

Дослідження впливу випромінювань на вуглеводні виконувались в інституті нафто-хімічного синтезу АН СРСР і лабораторії радіаційної хімії хімічного факультету МГУ. Кінцевою метою даних досліджень не була нафтогазопромислова практика, однак вони підтвердили, що радіоліз вуглеводнів переважно проходить з розривом зв'язку в системі С-Н, ніж С-С. При цьому утворюється, в основному, молекулярний водень та граничні і неграничні продукти зв'язку С-С.

Підсумовуючи аспекти відомих досліджень в галузі фізичної хімії, нафтохімії і геології, які є цікавими з позиції дослідження іонізуючих випромінювань в процесах вилучення нафти, слід зазначити основні теоретичні передумови до пошуку нових методів підвищення нафтовилучення. До таких теоретичних напрямків слід віднести:

- перетворення під дією іонізуючого випромінювання структури гірської породи, і в першу чергу її поверхні, що може призвести до зміни змочуваності породи;

- перетворення властивостей поверхні твердого тіла при наявності на ній різного роду адсорбційних шарів під дією іонізуючого випромінювання;

- протікання ініційованих випромінюванням радіаційно-хімічних реакцій у воді і у водних розчинах зі зміною їх фізико-хімічних властивостей і отриманням стабільних кінцевих продуктів, здатних покращити відмив нафти від породи.

Теоретичні посилання використовування іонізуючих випромінювань в процесах вилучення нафти ставлять завдання досліджень їх дії на породу, вуглеводні, які насичують пористий простір, на процес витіснення вуглеводнів водою і на характер руху через пористий простір пластових рідин.

Дослідження здійснювались в інституті фізичної хімії НАН України на радіаційній установці УКП-250000, що використовує в якості джерела випромінення 60Со.

Дослідженнями впливу іонізуючого випромінювання на нафту ставилось завдання встановити залежності між газовиділеннями з нафти, складом газової фази і дозою опромінення в спектрі температур. Для цього використовувалась нафта Битківського нафтового родовища з густиною 824 кг/м3 і в'язкістю 35.2 мПа ? с (при температурі 20?С).

Вплив іонізуючого випромінювання на нафту здійснювали до величин поглинутих доз відповідно 0.1; 0.25; 0.5; 1.0; 2.5; 5.0 Мрад при температурі 20?С і атмосферному тиску.

Грунтуючись на проведених дослідах, встановлено, що під дією іонізуючого випромінювання спектру поглинутих доз від 0.1 до 5.0 Мрад не слід очікувати суттєвих змін у фракційному складі нафти, а також змін її фізико-хімічних властивостей і значних газовиділень. Однак, грунтуючись на загальних теоретичних уявленнях про процеси радіолізу вуглеводнів на поверхні силікатних матеріалів, можна передбачити, що коефіцієнт витіснення нафти водою в умовах радіаційного опромінення буде вищим, ніж при звичайному процесі.

З цією метою була створена спеціальна установка для оцінки ступеня зростання коефіцієнта витіснення нафти водою. Моделювання процесу витіснення здійснювалось з врахуванням гідродинамічного критерію подібності.

іонізуючий випромінювання нафтовилучення



В експериментах використовувалась нафта Битківського родовища. Витіснення нафти з модельної системи пласта проводили пластовою водою того ж родовища з використанням напірної системи. Перепад тиску в напірній ємності і точці зливу витісненої рідини після модельної пластової системи підтримувався на одному рівні, що забезпечувало швидкість фільтрації для умов даної моделі в середньому - 1.1?10-5 м/с.

На рис. 1 показані результати лабораторних експериментів по витісненню нафти пластовою водою при температурі 25?С. В експерименті використовувалась нафта в'язкістю 28.9 мПа?с. Як видно з рис. 1, поява води на виході з моделі зумовила різкий ріст обводненості. Швидкість фільтрації по мірі зростання долі води в продукції збільшується.

Досягнувши обводненості більше 95%, пластову систему піддали опроміненню дозою 0.5 Мрад з потужністю 413 рад/с. Після дії зафіксовано зростання коефіцієнта нафтовилучення в залежності від об'єму прокачаної через пористе середовище води.

Збільшення нафтовилучення склало 10.96, 12.2 і 6.2 % відповідно в першому, другому і третьому експериментах. На початковому етапі після витіснення спостерігалось зниження обводненості, газовиділення, а також збільшення швидкості фільтрації без зміни перепаду тиску, величина якого була стабільною до закінчення експерименту.

Проведені лабораторні дослідження по витісненню нафти пластовою водою з наступним опроміненням пластової системи однозначно показали, що разом з ростом коефіцієнта нафтовилучення після опромінення відзначаються поява в потоці рідини газу та збільшення швидкості фільтрації.

Виділення газу при опроміненні відіграє значну роль в збільшенні нафтовилучення, оскільки воно відбувається на поверхні розділу фаз нафта-порода, що сприяє посиленню десорбції рідини з поверхні породи і переносу сорбентів в напрямку фільтраційного потоку.

Збільшення швидкості фільтрації через пористе середовище після опромінення пояснюється зміною властивостей поверхні пористого простору з утворенням на твердій поверхні моношару пришитих молекул проміжного складу замість багатошарової адсорбції вуглеводнів.

Другою серією досліджень ставилось завдання вивчити причину збільшення швидкості фільтрації в пластовій системі після її опромінення без зміни перепаду тиску. Досліди проводились з використанням експериментальної установки при фільтрації через модельну пластову систему дистильованої води, пластової мінералізованої води Битківського нафтового родовища, а також розчинів, які мають поверхнево - активні речовини (ПАР) - ОП - 10. Вибір таких типів розчинів зумовлений наступними посиланнями. Дослідження процесу фільтрації дистильованої води через модельний пористий простір дозволяє встановити характер зміни поверхні твердого тіла під дією іонізуючого випромінювання без наявних будь-яких адсорбованих на його поверхні компонентів.

Фільтрацією мінералізованої води в пористому просторі до і після опромінення ставиться завдання встановити вплив мінералізації на фільтраційні властивості пласта.

Дослідженнями фільтрації водних розчинів ПАР - ОП - 10 ставилось завдання вияснити роль адсорбованої органічної речовини в перетворенні поверхні адсорбента (піщаника) і вплив цих явищ на фільтрацію рідин.

В результаті досліджень встановлено, що при фільтрації через пористе середовище дистильованої і мінералізованої води без опромінення і після нього в швидкості фільтрації спостерігаються незначні зміни.

Аналіз зміни концентрації ПАР - ОП - 10 у водному розчині при фільтрації його через модель пластової системи показав, що під дією іонізуючого випромінювання спостерігається зрив адсорбційних шарів ПАР з поверхні порового простору і перенесення їх в напрямі потоку. Це ще раз підтвердило можливість десорбції вуглеводневих органічних з'єднань з поверхні пористого простору при наявності полів іонізуючого випромінювання.

Останні дослідження на нафтових і газових родовищах України виявили іонізуюче опромінення в пластових водах. В деяких випадках потужність іонізуючого опромінення в пластових водах може становити 500-6000 мкР/год, що при довготривалій взаємодії з поровим середовищем приведе до отримання поверхнею породи значної поглинутої дози опромінення. З точки зору формування нафтового родовища наявність в пластових водах і породі радіоактивних полів буде сприяти просуванню нафти (газу) в поровому пласті.

З іншого боку, за результатами досліджень по радіаційній обробці розчину ПАР в умовах знаходження його в поровому середовищі, можна зробити висновок про те, що наявність в пластових водах природньої радіоактивності є сприятливим фактором для використання розчинів ПАР з метою підвищення нафтовилучення. Це пояснюється тим, що в умовах природньої радіоактивності адсорбція ПАР на поверхні порового середовища суттєво знижується і дозволяє більш повно обробити пласт розчином ПАР. У звичайних умовах основним заперечувальним моментом у використанні розчинів ПАР є значна адсорбція ПАР на поверхні породи.

У другому розділі представлені дослідження впливу іонізуючого випромінювання на хімічні реагенти, які більш широко використовуються в нафтогазопромисловій практиці.

Спрямованість цих досліджень не є новою для радіаційної хімії стосовно, насамперед, водонерозчинних полімерів (поліетилен, склопластики, епоксидні сполуки). Відомими експериментальними дослідженнями було встановлено, що під дією радіації полімерні матеріали можуть руйнуватися, або, навпаки, зміцнюватися. Окремі полімерні матеріали під дією випромінювання втрачали, наприклад, здатність накопичувати статичну електрику.

Відкриті друковані джерела свідчать про недостатність досліджень водорозчинних полімерних матеріалів.

У патентній та спеціальній технічній літературі описана радіаційна технологія отримання поліакриламіду (ПАА), при якій зшивання мономерних алкильних груп в полімер стимулюється використанням випромінювання. Властивості отриманого при цьому полімерного матеріалу нічим не відрізняються від властивостей водорозчинного ПАА, добутого різними способами. Інших досліджень про вплив іонізуючого випромінювання на водорозчинні полімери не виявлено.

Опромінювання технологічних рідин проводили на радіаційній установці УКП-250000. Потужність і дози опромінення досліджуваних матеріалів вибирались в діапазоні технічних можливостей серійних технічних засобів, які можуть бути застосовані при практичній реалізації радіаційних технологій.

Особливо важливий результат при проведенні досліджень впливу випромінення на хімічні реагенти, що використовуються в нафтогазовидобувній практиці, був отриманий при обробці ПАА в гелеподібному вигляді. Так, даний полімер, що випускається згідно (ТУ 6 - 01 - 1049 - 82 - гелеподібний, 7 - 8% основної речовини), після опромінення набув вигляду нетекучої маси із гумоподібною структурою і легко подрібнюється (розкришується). Опромінений полімерний матеріал втратив властивість розчинятись у воді, що дало можливість утворювати на його основі водні дисперсні розчини. Іншою особливістю новоутвореного матеріалу є його здатність до набрякання. Крім того, у ПАА, який зазнав впливу опромінення, відсутня липкість (адгезія). Ця властивість робить його більш технологічним при використанні. Особливості новоутвореного матеріалу, який отримав назву ПОЛІКАР, викликали необхідність детальних досліджень його властивостей.

В першу чергу була вивчена зміна в'язкості розчинів різної концентрації ПАА до і після опромінення в спектрі поглинутих доз. Встановлено існування в розчинах трьох типів змін під впливом опромінення. Це деструкція, часткове зшивання і повне зшивання.

Так, деструктивні явища в водному розчині полімеру ПАА спостерігаються до концентрації 0.45 % при всіх значеннях поглинутої дози опромінення. Часткова зшивка виникає, починаючи від концентрації 0.225 до 0.475 % при поглинутій дозі не менше 0.25 Мрад. Повне зшивання водного розчину полімера ПАА здійснюється при дозі не менше 0.25 Мрад і при концентрації не менше 0.4 %.

Границі області повного зшивання водного розчину полімера ПАА залежать від концентрації вихідного розчину. При великих концентраціях розчину повне зшивання настає при менших дозах опромінення, і, навпаки, при меншій концентрації розчину необхідна більша доза опромінення. Після досягнення повного зшивання розчин ПАА набуває нетекучої форми з придбанням нових фізико-хімічних властивостей.

Опромінення гелеподібного полімера ПАА в товарній формі (7 - 8%) призвело до отримання повної радіаційної зшивки при дозі 0.25 Мрад і більше. Після цього при взаємодії з водою він набрякає в ній, суттєво збільшуючись в об'ємі. З водою утворює високов'язкі, стійкі водні полімерні дисперсії.

Дослідженнями набрякання полімеру ПОЛІКАР у воді з різною мінералізацією, при різному ступені опромінення встановлено, що максимального значення цей показник набуває при дозі 1.0 Мрад і при 4-6 годинному контакті з водою. Це виявилось оптимальною дозою опромінення, оскільки досягнення максимального набрякання дозволяє отримувати більш високов'язкі полімерні дисперсії.

На набрякання полімера встановлено вплив мінералізації, величини рН середовища і температури. Так, збільшення мінералізації до рівня 130-150 г/л зменшує набрякання полімеру в 5-7 разів в нейтральному середовищі.

В кислому середовищі в прісній воді з величиною рН 3-5 водонабрякання полімеру зменшується в 5-6 разів. В лужному середовищі з рН 8-9 величина набрякання збільшується на 25-30 %.

Збільшення температури з 20 до 90 0С зменшує величину набрякання на 10 %. Дослідженнями термічної деструкції полімеру ПОЛІКАР встановлено, що деструктивні явища починають проявлятись від температури 160 0С, а при температурі 180 0С структура полімера повністю руйнується.

Реологічними дослідженнями водних дисперсій полімера визначено тип рідини, оцінка її основних реологічних параметрів і порівняння їх з властивостями розчинів товарного ПАА. Ці дослідження проводились на ротаційному віскозиметрі “RHEOTEST - 2”.

Спираючись на дослiдження набрякання в рiзних умовах (змiна температури, мiнералiзацiї, тиску), встановлено, що головним фактором, що iстотно впливає на реологiчну характеристику водної дисперсiї полімеру ПОЛІКАР, є мiнералiзацiя води. Моделювання мiнералiзацiї водної полiмерної дисперсiї проводили введенням в розчин вiдповiдної кiлькостi солi NaCl. Введення солi проводилось у кiлькостях 1.5 г/л - пiдруслова рiчкова вода, 3.5 i 150 г/л - високомiнералiзована пластова вода.

Метою проведення реологiчних дослiджень була оцiнка необхiдної концентрацiї полiмеру в технологічних рідинах при використаннi води з рiзною мiнералiзацiєю.

Увага зосереджувалась на реологiчних дослiдженнях водної дисперсiї полімеру ПОЛІКАР при використаннi моделi пiдруслової рiчкової води, мiнералiзацiя якої складає 1.5 г/л. Води такого типу найчастіше застосовуються для приготування технологічних рідин в промислових умовах.

Дослiдженнями водних дисперсiй при використаннi води з мiнералiзацiєю 3.0, 5.0 i 150 г/л встановлено, що для мінералізації 3 г/л високi в'язкiснi характеристики водної полiмерної дисперсiї (250-300 Па·с) при цих умовах проявляються при концентрацiї полімеру 0.9-1.0 %. Для мінералізації 5.0 i 150 г/л доцільно концентрацію витримувати відповідно 1.0 % і 2 %.

Для визначення блокуючої здатності водної дисперсії полімера ПОЛІКАР порового середовища проводились дослідження на штучних i природних кернах. Причому, приготування полiмерної дисперсiї здійснювалось з примусовим подрiбненням через сiтки розмiром 0.08 мм. Для проведення досліджень була створена експериментальна установка, на якій проводились визначення фiльтрацiйних характеристик кернового матерiалу як до, так i пiсля промивання водою.

Проведений комплекс дослiджень показав перспективнiсть застосування полiмерного матеріалу ПОЛІКАР в якостi основи для приготування блокуючих технологічних рiдин для порових колекторів. Для цього можна використовувати воднi дисперсiї полiмерного матеріалу ПОЛІКАР з концентрацiєю 0.6-0.8 % по основнiй речовинi при мiнералiзацiї до 1.5 г/л, а при мiнералiзацiї 1.5-5 г/л - 0.8-1.4 %.

Однак в промисловій практиці при розробці теригенних колекторів часто зустрічаються промиті зони з великою проникністю, а також окремі високопровідні тріщини в зонах тектонічних порушень і в зонах складних геологічних структур. Вищевказані властивості притаманні карбонатним колекторам. В зв'язку з цим актуальним стає завдання дослідження блокуючої здатності водної дисперсії полімеру в умовах окремих тріщин і високопроникних зон.

Дослідження блокуючої здатності водної дисперсії полімера ПОЛІКАР проводили на моделях тріщинного середовища, що являли собою металеву циліндричну ємність довжиною 100 мм з внутрішнім діаметром 25 мм, в яку вставляються 31 перфорована шайба. Діаметр перфорації становить 2.3?10-3 і 3?10-3 м , а товщина шайби 2.8?10-3 м. Пористість моделі в даних умовах становила 18.6 і 20 %. Проникність моделі по повітрю становила 100 мкм2.

Проведені дослідження показали, що повне блокування системи досягається при градієнті тиску в середньому 42.1 МПа/м (при використанні шайб моделі з отворами 2.3 мм) і 36.0 МПа/м (при використанні шайб моделі з отворами 3.0 мм). Фільтрація в даних моделях здійснюється після подолання градієнту тиску відповідно в середньому 39.72 і 29.44 МПа/м. Під час зворотної промивки моделі пластової системи при перепадах тиску близьких до перепадів, за яких здійснювалась фільтрація полімерної дисперсії, вона практично повністю вимивається.

Дослідження блокуючої здатності водної полімерної дисперсії в умовах моделювання тріщини дозволили рекомендувати дану рідину для блокування окремих тріщин і промитих зон при градієнті тиску до 3.6 МПа/м.

Виконані також дослідження можливості використання облямівок водної дисперсії полімера ПОЛІКАР для регулювання процесу заводнення в умовах порових і тріщинно - порових колекторів пласта.

Для проведення досліджень регулювання заводнення тріщинно-порових колекторів і здійснення витіснення нафти водою із моделі пластової системи з наступним введенням облямівки дисперсного розчину була створена експериментальна установка.

Основним елементом експериментальної установки є модель тріщинно-порового колектора довжиною 1900 мм і діаметром 90 мм.

За вуглеводневу рідину, що насичує модель пласта, при проведенні експериментальних досліджень використовувалась нафта Довбушанського родовища, розведена на 20% гасом. Таке змішування наближає властивості нафти до її пластових властивостей.

Витіснення нафти проводиться високомінералізованою водою із вмістом солей 130 - 150 г/л.

При досягненні обводненості рідини, що витискається з моделі пласта, величини більше 95% проводиться введення облямівки водної дисперсії полімера ПОЛІКАР. Наступне просування облямівки по моделі пласта проводять мінералізованою водою. Об'єм облямівки дисперсного розчину оцінюється величиною об'єму тріщинної пористості (пустотного простору) моделі, яка уточнюється в процесі витіснення за кількістю вуглеводневої рідини, отриманої до прориву води. Об'єм тріщини дорівнював 538 см3.

Для проведення досліджень використовувалась модельна нафта, в'язкість якої при кімнатній температурі дорівнювала 6.75 мПа?с. Метою проведених досліджень було визначення впливу величини заповнення тріщини облямівкою дисперсного полімерного розчину на ефективність процесу витіснення нафти. Дослідженнями було встановлено, що при зміні ступеня заповнення тріщини полімерною облямівкою від 0.1 до 0.4 величина збільшення нафтовилучення змінювалась в межах 1.7-4.1 %. Починаючи зі ступеня заповнення 0.5, спостерігалось стрімке збільшення нафтовилучення до рівня 6.9 %. Подальше збільшення об'єму облямівки полімерної дисперсії призвело до незначного збільшення нафтовилучення в межах 7.5-9.0 %. Тому подальше збільшення об'єму облямівки не приводить до значного підвищення нафтовилучення тріщинного пласта. Базуючись на результатах досліджень, обгрунтовано механізм підвищення нафтовилучення з використанням високов'язкої облямівки водної дисперсії полімеру.

Третій розділ присвячений розробці технології вироблення полімерних матеріалів типу ПОЛІКАР.

Після дослідження основних властивостей полімера, отриманого шляхом радіаційного опромінення, і завершення оцінки технологічної можливості його використання в процесах нафтовидобутку, виникло природньо питання про виробництво даного полімерного матеріалу в великих об'ємах.

На базі лабораторної радіаційної установки УКП - 250000 розроблена технологія для напрацювання дослідних партій полімерного матеріалу.

Після проведення спеціальних досліджень з оптимізації процесу опромінення був розроблений процес виготовлення полімеру в касетах розміром 130х500х400мм. Одночасно обробляються 3 касети. Розроблена технологія дозволяє отримувати 500 - 600 кг полімеру ПОЛІКАР за 8 годин роботи. Полімер ПОЛІКАР підлягає подрібненню на установці КВП-50-120, котра являє собою серійний промисловий подрібнювач, з подальшим розфасуванням в заводську тару. Після цього полімерний матеріал повністю підготовлений для відправки споживачу.

Оцінюючи технологічний процес отримання опроміненого полімеру ПАА з використанням установки УКП-250000, слід зауважити, що вона практично не має резерву до збільшення об'ємів виробництва. Тому актуальним є дослідження можливості використання інших радіаційних установок, наприклад, прискорювачів електронів типу ЕЛУ-6, які б дозволили отримувати зшитий полімерний матеріал з меншими витратами і при більшій продуктивності.

Практична реалізація радіаційного напрацювання полімера з використанням прискорювача електронів ЕЛУ-6 вимагала створення додаткового обладнання для наливу і розподілу гелеподібного ПАА шаром товщиною 20 мм на піддоні. При умові оснащення радіаційної установки ЕЛУ-6 необхідним обладнанням її продуктивність може становити 20 т полімеру за 8 годин роботи. Вартість опроміненого ПАА оцінюється на 60-80% більшою від заводської вартості гелеподібного полімеру, але менше вартості полімеру, обробленого з використанням установки УКП - 250000.

При всій привабливості ідеї радіаційного отримання зшитого водонабрякаючого полімеру на основі гелеподібного ПАА, все ж таки висока вартість виготовлення полімеру, складність технології, висока вартість обладнання, яке при цьому використовується, спонукало розпочати пошук альтернативної технології, яка б дозволила отримувати полімер з подібними властивостями при суттєвому скороченні витрат на його виробництво.

Одним з таких напрямків пошуку нової технології став хімічний спосіб отримання зшитих полімерів. Метою досліджень було знайти хімічні реагенти, які б дозволили отримувати водонабрякаючі полімери безпосередньо з товарного гелеподібного полімеру з заданими фізико-хімічними властивостями: ступеню набрякання, ступеню стійкості до мінералізованих розчинів, ступеню стійкості при зміні температур.

В процесі експериментального пошуку були проведені дослідження з хімічної зшивки гелеподібного полімеру ПАА різними хімічними речовинами з наступним вивченям фізико-хімічних властивостей отриманого полімера.

Хімічні зшивачі, якими здійснювались зшивки полімерів, отримали позначення ХШ-01, ХШ-02 і т.д.

Хімічне зшивання гелеподібного полімеру ПАА здійснюється тільки в рідкому стані, причому зшивач перед взаємодією з полімером переводять з твердого порошкоподібного стану в стан однорідного водного розчину на межі розчинності зшивача у воді.

Взаємодія водного розчину зшивача і гелеподібного 7-8% полімера ПАА при інтенсивному перемішуванні дозволяє при температурі 15-20 оС протягом 5-7 хвилин в об'ємі 100-120 літрів і протягом 15-20 хвилин в об'ємі 1.5 -2.0 м3 здійснити перетворення з отриманням водонабрякаючого полімеру.

Після взаємодії із зшивачем отримується полімер матово-білого кольору, який має більш високу в'язкість, ніж попередній гелеподібний ПАА, не розчиняється у воді, а набрякає в ній, при інтенсивному перемішуванні утворює високов'язкі водні полімерні дисперсії.

В дисертації наводяться результати досліджень водонабрякання зшитих полімерів, отриманих хімічним шляхом при використанні різних зшивачів, і результати їх порівняння з опроміненими полімерами.

Проведені лабораторні дослідження дозволяють стверджувати, що хімічно зшиті водонабрякаючі полімери ХШ-01 і ХШ-02 близькі за властивостями до полімера ПОЛІКАР і тому можуть рекомендуватись для використання в технологічних процесах нафтогазовидобутку.

В четвертому розділі викладені напрямки використання зшитих полімерів для підвищення нафтовилучення пластів.

Відомі методи розробки тріщинних пластів при заводненні, в яких з метою збільшення охоплення пластів проводять загущення рідини, що нагнітається. Такі методи найчастіше грунтуються на використанні водорозчинного ПАА. Однак розчини водорозчинного ПАА не мають достатньої в'язкості для блокування тріщини, а у пластових умовах під дією температури деструктують.

Базуючись на дослідженнях фізико-хімічних властивостей зшитого полімера і його стійкості до впливу внутрішньопластових чинників, можна зробити висновок про те, що його використання для підвищення нафтовилучення тріщинних і тріщинно-порових пластів буде більш ефективним. Такий висновок грунтується на здатності полімеру ПОЛІКАР утворювати з водою дисперсії в широкому діапазоні в'язкостей. В'язкість розчину регулюється концентрацією полімеру і підбором води з певною характеристикою.

Просуваючись по високопровідній тріщині, водна дисперсія не утримується на її поверхні, і, тим самим, зберігаються умови для проникнення води в менш провідні тріщини при наступному його проштовхуванні вглиб пласта. Крім того, при русі в'язкого розчину у високопровідній тріщині створюються додаткові фільтраційні опори, котрі сприяють відтоку вслід закачуваної води за межі високопровідної тріщини. Завдяки цьому і досягається збільшення нафтовилучення.

В результаті вивчення процесу витискування нафти водною полімерною дисперсією на моделях пласту, виникає природнє питання про можливість створення технології, яка б мала застосування в промислових умовах. Останнє викликало необхідність відпрацювання методики розрахунків технологічних показників розробки. Методика прогнозування показників розробки покладу при закачці облямівки водних дисперсій полімера базується на моделі вкладених одного в інше середовищ (система зв'язаних тріщин і пористі матриці пласта). Кожна система забезпечує гідродинамічний зв'язок між нагнітальними і видобувними свердловинами. Вважається, що провідність системи тріщин значно перевищує провідність матриці колектора, і тому розподіл тиску у пласті визначається умовами руху в тріщинах. В свою чергу розподіл тиску визначає швидкість фільтрації у пористій матриці колектора. Така модель допускає роздільне рішення рівнянь, які визначають тиск і насиченість, і дозволяє отримати рішення, яке може використовуватись для визначення показників розробки.

Потрібно зауважити, що такий підхід до рішення подібних задач використовувався Желтовим Ю.П., Желтовим Ю.В., Зарубіним Ю.О. Бойком В.С. та іншими.

Розроблена методика тільки частково враховує неповноту витіснення нафти водою при допомозі введення коефіцієнту на збільшення фільтраційних опорів і не враховує коефіцієнту охоплення пластів по площі і товщині. Неврахування цього параметру приводить до отримання більшого коефіцієнту нафтовилучення і, відповідно, покращених техніко-економічних показників розробки. Однак для початкової стадії впровадження нової технології немає потреби ускладнювати методику розрахунків, тим більше, що сучасні методики оперативного коректування технологічних процесів грунтуються на використанні матеріалів попередньої розробки, рівнянь матеріального балансу, дозволяють без великих складнощів вносити необхідні доповнення (коефіцієнти) у запроваджені рішення.

При розробці багатьох родовищ, особливо на початковій стадії, а також в умовах тріщинного пласта, навіть при використанні високов'язких розчинів полімерних матеріалів не вдається підтримати пластовий тиск на початковому рівні. В такому випадку пластовий тиск знижується і переходить в режим розчиненого газу, що характерно для родовищ Прикарпаття, тобто поклад починає працювати в умовах часткового підтримання пластового тиску. Поглиблене вивчення такого процесу є актуальною проблемою в зв'язку з наявністю цілого ряду родовищ нафти, початковий тиск в яких дорівнює тиску насичення нафти газом.

Природнім інтересом при входженні розробки родовища в область тиску нижче тиску насичення є отримання нафтовилучення на рівні жорстко-водонапірного режиму або навіть дещо більшого. Обгрунтованість таких очікувань базувалась на результатах лабораторних досліджень Ю.М.Островського, Є.І.Ліскевича, Р.О.Гнатюка, М.А.Ніколаєнка, а також спостережень за станом розробки родовищ при Рпл < Рн. Так, С.Д.Пирсоном доводилось, що максимальне нафтовилучення з пластів, які розробляються при водонапірному режимі, досягається в тому випадку, коли відбір з пласта рідини і, відповідно, пластовий тиск підтримуються на рівні забезпечення такого газонасичення пласта в нафтовій зоні, яке створює сприятливі умови заміщення нафти диспергованим в ній нерухомим газом. Починаючи розробку нафтових родовищ при Рпл < Рн, необхідно було з'ясувати наступні питання: на скільки необхідно знижувати пластовий тиск, яким повинен бути темп зниження пластового тиску, яким чином здійснювати закачку води, при якому співвідношенні відбору і закачки проводити заводнення.

Вирішення цих питань отримало висвітлення в роботах М.Т.Аббасова, М.Д. Розенберга, І.Д. Амеліна, О.О. Боксермана, Ю.В.Желтова, Ю.М. Островського, Г.В. Кляровського, В.А. Киселя, О.Ф. Мартинцева, М. Маскета, Р.В. Мисьовича, Е.Б. Чекалюка і багато інших.

Серед дослідників останніх років слід виділити роботи В.Д. Лисенка, І.Т. Міщенка і Г.Н. Пиякова, в яких поряд з висвітленням досвіду розробки родовищ при пластовому тиску нижче тиску насичення викладені рішення завдань по встановленню граничного зменшення тиску нижче тиску насичення.

Під час дослідження режиму часткового підтримання пластового тиску природно постало питання з'ясування такого режиму на практиці розробки Прикарпатських родовищ. Аналізом розробки родовищ Долинського району було виявлено, що початкова фаза переведення покладу нафти з режиму розчиненого газу на водонапірний характеризується при заводненні всіма рисами часткового заводнення. В результаті цього сповільнювалось падіння пластового тиску і дебіту свердловин при збереженні високого газового фактору. Крім того, аналізом стану розробки менілітового покладу нафти Струтинського родовища в окремі періоди з 1973 по 1979 р.р., з 1980 по 1986 р.р. і з 1987 по 1994 р.р. встановлено цілеспрямоване введення розродки в режим часткового заводнення.

Дані рішення Маскета-Розенберга сприяли створенню методики гідродинамічних розрахунків показників розробки при частковому підтриманні пластового тиску шаронеоднорідного пласта з врахуванням фазових проникностей. Крім того, складена програма розрахунку на ЕОМ. Наводиться приклад розрахунку показників розробки для свердловини № 11 Струтинського родовища.

В даному розділі показано рішення задачі по визначенню максимального дебіту свердловини в конкретних гідродинамічних умовах при зниженні тиску нижче тиску насичення.

В п'ятому розділі представлені пропозиції по використанню зшитих полімерів в технологіях нафтовидобутку. На основі проведених досліджень впливу іонізуючого випромінення на пластові системи, а також всебічного дослідження полімерних матеріалів типу ПОЛІКАР запропоновані технології, представлені на рис 2.

Размещено на Allbest.ru

...