Использование Полимеров (биополимеров) – реальная возможность увеличения коэффициента нефтеизвлечения из залежей, разрабатываемых в режиме заводнения

С.В. Брезицкий, исполнительный вице-президент ОАО «ТНК-ВР»	С.А. Власов*, к.т.н., директор (НТО « ИТИН», itinmsk@gmail.com)	Я.М. Каган, д.т.н., Президент, (ЗАО «Нефтегазтехнология»)

1. 
   Приращение запасов углеводородного сырья в регионах России с развитой инфраструктурой за счет геологоразведочных работ не покрывает их сокращения в результате интенсивной добычи, необходимой для поддержания экспортного потенциала. Освоение же новых месторождений в удаленных районах и на шельфе требует огромных инвестиций, нереальных в условиях продолжающегося кризиса.
   
2. 
   Широкомасштабное внедрение инновационных технологий повышения нефтеотдачи, основанных на эффекте снижения остаточной нефтенасыщенности при вытеснении нефти вязкоупругими жидкостями, обеспечит длительное поддержание уровней добычи из подавляющего большинства нефтяных месторождений России, находящихся на поздней стадии разработки. В немалой степени, по крайней мере, на десятки лет это отложит необходимость решения социальных проблем, так называемых, моногородов.
   

Под коэффициентом вытеснения понимается отношение объема нефти, вытесняемого после продолжительной, многократной промывки образца породы, к начальному нефтенасыщенному объему. Этот коэффициент устанавливается по результатам лабораторных исследований на образцах породы и по своей физической сущности характеризует максимальную нефтеотдачу при длительной промывке из непрерывной части пласта. Таким образом, К_выт =(S_нач. – S_ост.) / S_нач.,, здесь S_нач. и S_ост. – начальная и остаточная нефтенасыщенность коллектора, соответственно. Принципиально, что значения остаточной нефтенасыщенности при вытеснении нефти водой из терригенных коллекторов оказываются величиной одного порядка, обычно около 0,3, с отклонениями в 10-15% в любую сторону. В частности, в нижеприведенной таблице [14] содержатся данные об остаточной нефтенасыщенности, принятые при проектировании разработки различных пластов Самотлорского месторождения.

В экспериментах Л. Ленормана [4] с использованием прозрачной нефтенасыщенной модели пласта продемонстрировано влияние соотношения вязкостей вытесняющей (воды) и вытесняемой (нефти) жидкостей на изменение водонасыщенности вдоль всей модели, что наглядно иллюстрирует негативное влияние высоких (по отношению к воде) значений вязкости нефти на величину КИН. В экспериментах использованы нефти с различающейся на 3 порядка величиной вязкости.

Рис.1. Визуализация вытеснения нефти водой в прозрачных моделях пласта при различных соотношениях вязкостей вытесняющей и вытесняемой жидкостей [4] Графики над фотографиями – распределение водонасыщенности вдоль модели.

При превышении вязкости нефти по отношению к воде (рис.1в) происходит деформация фронта вытеснения с образованием фрактальных структур. Возникают обширные, не охваченные заводнением зоны, дальнейшая выработка запасов этой «защемленной нефти», как свидетельствует промысловый опыт, проблематична.

Причины негативного отношения недропользователей к полимерному заводнению очевидны. С одной стороны, эффект от полимерного заводнения, рассчитанный по показателям работы добывающих скважин, может быть обнаружен лишь по мере продвижения фронта от нагнетательной скважины до добывающей. Этот процесс занимает несколько лет. В течение этого времени на реальном промысле выполняются многочисленные геолого-технические мероприятия, начиная от обработок призабойной зоны с целью ее раскольматации и гидроразрыва пласта до уплотняющего бурения и перевода добывающих скважин под закачку или на другие объекты. Быстрая реакция на эти мероприятия маскирует растянутый во времени эффект полимерного заводнения. С другой стороны, в результате изучения свойств разбавленных растворов полимеров, использовавшихся в прошлом веке для повышения нефтеотдачи (полиакриламид и его аналоги) были выявлены технологические недостатки этих полимеров, порождающие дополнительные сомнения в возможности их эффективного применения. К таким недостаткам прежде всего относятся:

- деструкция в сдвиговом течении, выражающаяся в уменьшении вязкости растворов после прохождения через насосные агрегаты,

- термодеструкция при повышенных температурах,

- деструкция в результате действия пластовой микрофлоры.

Все перечисленные процессы протекают быстрее, чем оторочка закачиваемого раствора продвинется в пласте на значительное расстояние.

Кроме того, в результате лабораторных исследований фильтрации растворов полимеров, используемых для повышения нефтеотдачи, было установлено, что поведение растворов большинства полимеров не описывается законом Дарси – значение эффективной вязкости растворов, рассчитанное по Дарси кратно (в некоторых случаях, более чем на порядок) превышает значение вязкости, измеренной с использованием классических вискозиметров. Удивительно, но это обстоятельство, свидетельствующее о некорректности применения уравнений двухфазной фильтрации несмешивающихся вязких жидкостей для моделирования полимерного заводнения, фактически было проигнорировано разработчиками компьютерных программ. В расчетах стали использовать фиктивную величину – отношение эффективного значения вязкости полимерного раствора, рассчитанное по результатам фильтрационных экспериментов, к значению вязкости, измеренной с помощью капиллярных (и ротационных) вискозиметров, получившую название фактора сопротивления – f. Подход же к выбору полимеров для полимерного заводнения остался прежним. Основное требование – высокая вязкость при малых концентрациях полимера в растворе. Естественно, учитывались при этом и технологические параметры: устойчивость к сдвиговой деградации и термодеструкции, совместимость с пластовыми флюидами, биоразлагаемость и т.п. Однако противоречивость результатов промысловых экспериментов при этом не получила, как указывалось выше, исчерпывающего объяснения. Необъяснимыми оставались и результаты большого числа лабораторных экспериментов, в которых было зафиксировано значительное увеличение (по сравнению с водой) коэффициента вытеснения нефти из нефтенасыщенных кернов и насыпных моделей полимерными растворами, не оказывающими, как известно, влияния на межфазное натяжение.

По-видимому, укоренившееся мнение о «практической» неизвлекаемости остаточной нефти в пласте, обусловленное нерентабельностью добычи нефти с обводенностью более 99%, привело к ошибочным представлениям о том, что крайние точки на зависимостях относительных фазовых проницаемостей нефти от водонасыщенности образца и предопределяют порог остаточной нефтенасыщенности. Именно ошибочность таких представлений привела к тому, что основной объем работ по повышению нефтеотдачи пластов был сконцентрирован лишь на одном направлении – увеличении охвата заводнением за счет совершенствования систем разработки (плотность сетки скважин и их взаимное расположение, ГРП, бурение горизонтальных скважин и т.п.), а также на мероприятиях по компенсации негативного влияния неоднородности коллектора на КИН, путем селективного тампонирования высокопроницаемых, полностью промытых каналов фильтрации. Объем же работ, направленных на снижение остаточной нефтенасыщенности (после кратковременного бума, связанного с применением для доотмыва пласта поверхностно-активных веществ в 70-х годах прошлого столетия) как у нас в стране, так и за рубежом, крайне ограничен. Факт удивительный еще и потому, что научные основы подходов к регулированию остаточной нефтенасыщенности в пласте давно сформулированы. Так, например, в монографии Н.Н.Михайлова с соавторами [6] находим…. «Подвижность капиллярно-защемленной ОНН определяется ее структурой и числом капиллярности*. При изменении условий вытеснения ОНН могут также измениться. В частности, при возрастании гидродинамического перепада давления в части наиболее крупных пор локальный гидродинамический градиент давления может превысить локальный капиллярный перепад, и глобула остаточной нефти может приобрести подвижность и выйти из своей поры-ловушки. Далее, соединяясь с другими глобулами, остаточная нефть может образовать связанную систему и приобрести подвижность. Добиться подвижности защемленной нефти можно и другими способами, например, за счет снижения действующего локального капиллярного давления посредством использования ПАВ или за счет повышения вязкости вытесняющего агента. На действии этих факторов основаны некоторые методы увеличения нефтеотдачи пластов»¹ .

На протяжении многих лет большинство исследователей связывало аномальный рост фильтрационного сопротивления с уменьшением проницаемости за счет частичного тампонирования поровых каналов в результате адсорбции макромолекул полимера, размер которых в растворенном состоянии может достигать нескольких микрон, т.е быть соизмеримым с диаметрами поровых каналов. Следует отметить, что еще в 70-е годы было установлено, что аномально высокое фильтрационное сопротивление течению полимерных растворов может быть связано не только, и даже не столько, с адсорбцией полимера на скелете пористой среды, сколько с наличием у таких растворов вязкоупругих свойств.

В экспериментах Джеймса и Макларена [8] (рис. 2) установлено, что масштаб эффекта увеличения фильтрационного сопротивления практически не зависит от проницаемости (размеров пор и поровых каналов) пористой среды в достаточно широком диапазоне ее изменения, что очевидно указывает на наличие другого механизма увеличения сопротивления, не связанного с изменением проницаемости. В известной монографии Г.И. Баренблатта, В.М. Ентова и В.М. Рыжика [9] аномальный рост фильтрационного сопротивления, представленный на рис. 2, связывается с увеличением эффективной вязкости при течении полимерного раствора в сужениях пористой среды, рассматриваемого как деформация растяжения. Вид уравнения фильтрации (Дарси) остается при этом, по существу, неизменным. Удивительно то, что авторы монографии, использовавшие для вывода уравнения фильтрации методы теории размерностей (теорема Букингема) ограничили перечень свойств жидкости только значениями вязкости и плотности, хотя в тексте при описании вязкоупругих эффектов приводится такая характеристика, как время релаксации упругих напряжений – θ.

Действительно, вывод уравнения фильтрации выполнялся в предположении малости инерционных сил по сравнению с вязкими силами (Re <<1). Однако из рассмотрения «выпал» анализ влияния на течение второго безразмерного критерия подобия – меру отношения упругих и вязких сил. Восполним это упущение. В результате несложных преобразований оси абсцисс (Rexμ/D_ш²) зависимости коэффициента сопротивления для растворов с одинаковой концентрацией становятся практически (с точностью измерения значений с логарифмического графика) одинаковыми.

Рис. 2. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса для растворов полиэтиленоксида WSR-301 при течении через слой сферических частиц с диаметром 0,11 мм (а), 0,22 мм (b ), 0,45 мм (с). Цифры около кривых – концентрация полимера в ppm: 1-10, 2-20, 3-40, 4- 80, 5-160.(James, McLaren, 1975)

В табл.3 приведены результаты расчета для значений чисел Рейнольдса, соответствующих началу отклонения от линейной зависимости f от Re для ньютоновской жидкости; отметим, что при течении обычных вязких жидкостей через укладку шариков линейная зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса сохраняется вплоть до Re~300-500. Коэффициент К₁ при ∂u/∂x учитывает кривизну диффузорно-конфузорных элементов насыпной модели пористой среды. Подобие не полное, так как выполняется лишь для растворов с одинаковой концентрацией полимера по параметру с размерностью сек^-1. Следующий этап – достижение полного подобия зависимостей путем домножения на значение характеристики жидкости с размерностью времени. Такой характеристикой является время релаксации упругих напряжений θ=μ/G (G-модуль упругости, μ-вязкость). На рис. 3 приведены результаты измерения В.Н. Калашниковым [10] времени релаксации для растворов полимера, использованного в опытах Джеймса и Макларена.

Рис. 3. Зависимость времени релаксации упругих напряжений при течении растворов полиоксиэтилена WSR-301 от концентрации [10]

Приведенные в последнем столбце табл. 3 результаты обработки данных Джеймса и Макларена свидетельствуют о связи аномалий фильтрационного сопротивления с достижением параметром Вейсенберга (We= θ х ∂u/∂x) критического значения (≈1) и необходимости учета вязкоупругих характеристик растворов полимеров при моделировании полимерного заводнения. Далеко не для всех полимеров значения высокой вязкости разбавленных растворов коррелируют с большими временами релаксации упругих напряжений – рис. 4 и 5. Поэтому использование высоковязких, но не упругих растворов полимеров для повышения охвата заводнением потребуют создания в пласте, как следует из результатов расчетов с использованием полимерного модуля POLYMER программного комплекса «ECLIPSE», оторочки с объемом не менее 30% порового пространства коллектора.

Использование же для полимерного заводнения менее вязких, но достаточно упругих растворов приведет к значительному (более, чем на порядок, как, например, следует из рис. 2) росту фильтрационного сопротивления продвижению относительно тонкой оторочки такого раствора в пласте. Этому будет соответствовать значительный рост градиента давления внутри оторочки (рис.6), и, как следствие, приведение в движение зажатых капиллярными силами небольших целиков нефти, неизвлекаемых при обычном заводнении. Очевидно, что необходимый объем такой вязкоупругой оторочки по крайней мере на порядок меньше объема вязкой оторочки.

Рис. 4. Сравнение вязкости растворов Ксантана и продукта БП-92 [11]. (Концентрация экзополисахарида в 10% р-ре продукта БП-92 – 0,1%)

Дополнительным аргументом в пользу использования для повышения нефтеотдачи полимерных растворов с большими значениями времен релаксации упругих напряжений являются результаты экспериментов по визуализации фильтрационных течений таких растворов. Установлено [12, 13], что при достижении критического значения параметра Вейсенберга рост фильтрационного сопротивления связан с потерей устойчивости течения и возникновением специфической «эластической» турбулентности. Частота пульсаций скорости и давления достигает 10 гц, а энергетика пульсационных движений на порядок превышает энергию трансляционного переноса. Перспективность реализации сформулированных выше представлений о механизме повышения нефтеотдачи предопределила необходимость создания новых полимеров, разбавленные растворы которых были бы лишены присущих полиакриламиду и его аналогам недостатков.

Данные любезно предоставлены А.Н. Рожковым и А.В. Базилевским (Ин-т проблем механики РАН)

По заказу Министерства науки и образования РФ был выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, завершившийся в 1992 году созданием нового полимера, получаемого в процессе биосинтеза, и разработана технология его производства, адаптированная к условиям существовавших микробиологических заводов. Новый полимер (коммерческое название Продукт БП-92) согласно результатам лабораторных исследований в значительной степени лишен присущих полиакриламиду недостатков.

Выше отмечалось, что существующие сертифицированные компьютерные программы моделирования процессов разработки не учитывают вязкоупругих эффектов при фильтрации. Поэтому, в соответствие с изложенными в докладе новыми представлениями о механизме снижения остаточной нефтенасыщенности и опираясь на результаты лабораторных экспериментов по увеличению коэффициента вытеснения полимерными растворами нами проведено численное моделирование нефтевытеснения полимерным раствором из пласта, полностью промытого водой. Область моделирования – участок пласта с центральной нагнетательной скважиной и добывающей галереей с радиусом 500 м. Проницаемость пласта 0,1 мкм²., пористость – 0,2, толщина – 1 метр.

Рис.7. Результаты компьютерного моделирования вытеснения нефти из промытого водой пласта оторочкой биополимерного раствора с модифицированными фазовыми проницаемостями.

При типичных значениях градиента давления расстояние от нагнетательной скважины до галереи преодолевается за 10-12 лет. (Три последовательных кадра отражают продвижение оторочки на: а) 180, б) 210 и в) 400 м от центра области (соотвественно через 1,25 года, 2 года и 5 лет после закачки оторочки. Область, оконтуренная синей кривой ниже значения водонасыщенности, равного 0,65, – «нефтяной вал»).

Результат довытеснения (условная дата начала эксперимента – 2001 год) на рис.8.

В период 1995-2000 год на месторождениях Западной Сибири с использованием нового полимера проведено 1305 операций, обеспечивших около 1 млн.тонн дополнительной добычи нефти – табл.4. Себестоимость дополнительной добычи при этом (по данным недропользователей) не превышала 10-12 долларов США за тонну.

На рис.9 приведены графики изменения показателей разработки в очагах проведения работ по ВПП с использованием композиций на основе Продукта БП-92, а на рис.10 типичные изменения характеристик вытеснения в очагах воздействия [15].

		Рис.9. Примеры успешного применения технологии выравнивания профилей приемистости нагнетательных скважин композициями на основе отечественного биополимера Продукт БП-92. Стрелками на графиках отмечены даты проведения работ по ВПП.

Рис.10 Характеристики вытеснения в очаге нагн.скв.№999 Ватинского место-рождения (АВ1-2). Стрелками отмечены даты обработок в 2007 и 2008гг. Красный пунктир – экстраполяция линии тренда по годичной выборке, предшествовавшей началу работ. Там же нанесены значения коэффициента корреляции для базовой кривой [15].

В настоящее время дополнительная добыча тонны нефти с использованием Продукта БП-92 обходится недропользователям, примерно, в 40-50 долларов США. Положение усугубляется экспансией китайских производителей, поставляющих на Российский рынок биополимер, характеристики которого уступают, как следует из рис.5 характеристикам отечественного биополимера, но по цене, оставляющей впечатление демпинговой.

	Характеристика Доп.добыча нефти за июль 2008-декабрь 2009 Сазонов 4007 Камбаров 13966 Пирвердян 9141 Максимов 6817 Назаров-Сипачев 15951 Среднее 9976
Рис. 11 Характеристики вытеснения для ячейки G13_04 по суммарным показателям добывающих скважин (МЭР), перфорированных на пласты АВ13 и АВ2-3. Стрелками отмечены периоды проведения работ по ВПП и ПНП

Как известно, основным препятствием широкомасштабного внедрения технологии полимерного заводнения считалась отсроченность возврата средств, вложенных в реализацию технологии. Однако предварительные результаты проводимого эксперимента с использованием отечественного биополимера продукт БП-92 свидетельствуют, что дополнительная добыча от, являющегося неотъемлемой частью технологии, элемента (выравнивание профилей приемистости) обеспечивают полную окупаемость проекта практически уже после первого года с начала проведения работ по биополимерному заводнению.

Резюмируя все вышеизложенное, авторы доклада считают, что при подтверждении предложенного механизма результатами проводимых на Самотлорском месторождении опытных работ, может быть рекомендовано широкомасштабное внедрение технологии ПНП, основанной на применении вязкоупругих жидкостей со значительными временами релаксации упругих напряжений, на поздних стадиях разработки.

Рост потребности в полимерах для заводнения, несомненно, будет способствовать переоснащению существующих микробиологических производств современным технологическим оборудованием, а для исключения возрастающих затрат на транспорт – созданию современных мобильных установок для производства биополимеров в районах их массового применения.

Литература

1. Ф.Ф. Крейг. Разработка нефтяных месторождений при заводнении. М., «Недра», 1974г.

2. Чарный И.А. Подземная гидродинамика. М., Гостоптехиздат, 1963

3. Баренблатт Г.И. Фильтрация двух несмешивающихся жидкостей в однородной пористой среде. Изв. АН СССР. МЖГ. 1971. № 5. С.144-151.

4. Lenormand L.,Zarkone C. Two-phase flow experiments in two-dimensional permeable medium. Physicochem.Hydro. 1985. vol.6. p.5-6.

5. B.B.Sandiford. Laboratory and Field Studies of water Floods using Polymer solutions to increase Oil Recjvery. JPT. 1964, 16, №8.

6. Н.Н.Михайлов, Т.Н.Кольчицкая, А.В.Джемесюк, Н.А.Семенова. Физико-геологические проблемы остаточной нефтенасыщенности, под редакцией Ю.П.Желтова, РАН, ИПНГ, Москва, Наука, 1993

7. В.И.Дворкин. Геофизический мониторинг разработки нефтяных пластов, обсаженных стеклопластиковыми трубами. Уфа, ГУП «Уфимский полиграфкомбинат» 2001г.

8. James D.F. and D.R. McLaren. The laminar flow of dilute polymer solutions trough porous media. J. Fluid Mech, 70, 1975. P. 733–752.

9. Г.И.Баренблатт, В.М.Ентов, В.М.Рыжик. Движение жидкостей и газов в природных пластах. Москва, „Недра" – 1984

10. В.Н.Калашников, А.Н.Аскаров. Вязкоупругие свойства разбавленных растворов высокомолекулярных полимеров. Измерение естественного времени. Институт проблем механики АН СССР. Препринт №278, Москва -1986.

11. ООО «УФАНИПИнефть», Приобское месторождение, Авторский надзор за реализацией проектных решений дополнения к технологической схеме разработки. Дополнительная записка, составленная по результатам работы с экспертной группой ЗАО «Тюменского института нефти и газа», УФА-2009,

13. А.Т.Ахметов, С.А.Власов, Н.В.Краснопевцева, Я.М.Каган. Новые представления о механизме снижения остаточной нефтенасыщенности при полимерном заводнении. В сб. Материалы Второго Международного Научного Симпозиума «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов»,т.1, ВНИИнефть им.ак.А.П.Крылова, Москва, 2009.

14. Бриллиант Л.С., Клочков А.А., Изотов А.А., Экспертное заключение на отчет: Авторский надзор за реализацией проектных решений по разработке Самотлорского месторождения. ЗАО «ТИНГ», Тюмень, 2009.

15. Л.А.Бехтерев, В.И.Васильев, С.А.Власов, Я.М.Каган. Особенности применения осадкообразующих составов на основе биополимера Продукт БП-92 для выравнивания профилей приемистости нагнетательных скважин. Вестник ЦКР Роснедра, №1, 2009

В докладе рассмотрены перспективы широкомасштабного внедрения полимерного заводнения в свете новых представлений о механизме действия полимерных добавок к закачиваемой жидкости на снижение остаточной нефтенасыщенности. Приведены некоторые результаты теоретических исследований и промысловых экспериментов в обоснование сформулированной концепции.

In this report prospects of large scale implementation of polymeric water flooding are considered according to new notion about how polymeric components of flooding liquid influence on residual oil saturation. Some results of theoretical research and fields experiments are given to substantiate presented conception.