автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.05, диссертация на тему:Физико-химические основы экологических технологий повышения нефтеотдачи пластов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

? Г Б 03

На правах рукописи

ПОГРЕБНЯК Лариса Александровна

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

Специальность 05.26.05 - инженерная экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка - 1996

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре ЭКОЛОГИИ Донбасской государствен академии строительства и архитектуры (ДонГАСА) и кафедре физики и э логии Донецкого коммерческого института (ДНИ).

Научные руководители: Заслуженный деятель науки Украины,

чл.-корр. Национальной АН Украины, профессор, доктор технических наук Иван Лукич Повх;

кандидат физико-математических наук, доцент Николай Петрович Иваницын.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

академик АН ВШ Украины, доктор химических наук, профессор

Бойко Василий Степанович;

Высоцкий Юрий Борисович

Ведущая организация - Украинский нефтегазовый институт, г. Киев.

Защита диссертации состоится "Я " мя.пта_1996 г. в 1300'

на заседании специализированного ученого совета Д 27.01.01 в Донб' кой государственной академии строительства и архитектуры. Адрес ак мии: 339023, г.Макеевка, ул.Державина 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской г< дарственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан " 2" февраля 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, профессор

Братчун В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основные направления экономического и со-. (иального развития Украины ставят перед топливоэкергетической отраслью :траны задачу по увеличению объемов добычи нефти. Одним из условий ус-ушного выполнения этой задачи есть введение в эксплуатацию новых мес-срождений и увеличение эффективности разработки уже существующих. Но погоне за нефтью безжалостно уничтожается природа. Уже сейчас, по ыражению Дж. Марша, "Земля близка к тому, чтобы сделаться непригодной дя лучших своих представителей".

Основные методы увеличения нефтеотдачи при разработке нефтяных есторождений не соответствуют элементарным экологическим требованиям, режде всего это методы закачки в пласт высококонцентрированной серной соляной кислот, различных щелочей, жидких углеводородов и углеЕодо-одных газов высокого давления, а также методы внутрипластового дви-ущегося очага горения и ядерного стимулирования в результате ядерного врыва в скважине. Сплошь и рядом осуществляется загрязнение природной реды в процессе добычи нефти. Большой вред природной среде наносится, апример, от химических реагентов (кислот, щелочей, углеводородов), акачиваемых в пласт и от потерь при их транспортировке к месторождении. До последнего Бремени считалось допустимым, что 5% химических еагентов естественным путем теряется при их хранении и перевозке. (За 5 лет в пласты месторождений Татарии через 451 нагнетательную скважную закачано 449,4 тыс. тонн серной кислоты). Использование метода нутрипластового горения, помимо существующих потерь нефти в результа-5 ее сгорания, приводит к загрязнению атмосферы продуктами сгорания ?фти. Ядерное же стимулирование приводит к загрязнению нефти продук-эми радиоактивного взрыва. Все это наносит непоправимый ущерб природой среде. Поэтому проблема разработки экологических технологий повы-эния нефтеотдачи в настоящее время уже становится в один ряд с проб-?мой увеличения ее добычи, а, следовательно, актуальность и своевре-энность рассматриваемой в диссертации задачи становится очевидной и эсомненной.

Цель работы. Исследование физико-химической природы проявления йектов упругих деформаций при течении растворов полимеров (отвечайте соответствующим экологическим требованиям) в пористых средах и на гой основе выработка основных принципов экологических технологий полпения нефтедобычи.

Метода исследования. В работе использовались: для реологическ измерений - капиллярная и ротационная вискозиметрия; для исследован] структуры течений во входной области щелей и коротких капилляров - 01 тико-механический комплекс, поляризационная установка, стробоскопиче< кий метод и лазерная анемометрия; динамика макромолекулярных клубков условиях растягивающего потока излучалась с помощью поляризационно-о: тического метода (о степени развернутости полимерных цепей судили : величине отношения измеренного двулучепреломления к предельно возма ному, рассчитываемому для используемой концентрации и мол.массы пол мера); поля скоростей и их градиентов получили с помощью лазерной ан мометрии; использование большого числа традиционных физико-химическ методов (спектрофотометрии, микрокалориметрии, светорассеяния, поте циометрического титрования, висковиметрии и реометрии) позволило из чить особенности влияния различных гидродинамических полей на молек лярные и межмолекулярные взаимодействия в растворах, структуру и ко формацию макромолекул; процесс вытеснения нефти изучался на специаль разработанной оптико-механической установке со сменными гидрорезист рами, моделирующими нефтеносные пласты с различной пористостью и сл истой неоднородностью.

Научная новизна. Работа является оригинальным исследованием в с ласти инженерной экологии и подземной гидромеханики, направленным выработку системы взглядов и научных принципов, позволяющих объясни происходящие "аномальные" процессы при фильтрационном течении полиме ных растворов, а также сделать выводы, необходимые для более эффекту ного решения технической задачи защиты природной среды, наряду с обе печением высоких уровней добычи нефти. Основный из представленных работе результатов получены впервые. К ним, в частности, относятся I несенные на защиту следующие научные результаты и положения:

- разработанные основные физико-химические принципы экологических те нологий повышения нефтеотдачи пластов;

- экологические и технологические требования, предъявляемые к полю, рам, используемым при нефтедобыче;

- полученные новые данные по вопросу динамики линейных макромолекул сложных гидродинамических полях, генерируемых при сходящемся те* нии, позволившие доказать наличие сильного (до 60%) деформационнс воздействия гидродинамического поля на макромолекулы, и, как еле? твие, проявление значительных эффектов упругих деформаций при те* нии растворов полимеров в пористых сред&ч;

впервые установленные закономерности поведения растворов полимеров в гидродинамическом поле с растяжением, заключающиеся в том, что полимерная система в условиях сходящегося потока в вакритическом режиме течения является саморегулирующейся диссипативной системой с отрицательными обратными связями. Последнее проявляется в следующем: возрастающие продольные градиенты скорости приводят к тагам изменениям в полимерном растворе, которые способствуют перестройке структуры потока и тем самым уменьшают продольные градиенты скорости, но не ниже некоторого критического значения, определяемого временем релаксации раствора;

молекулярно-надмолекулярный механизм нелинейности при фильтрационном течении растворов полимеров,который обеспечивает выравнивание фронта в слоистых неоднородных пластах вытесняющей полимерной жидкости и широкий охват при нефтедобыче.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Установ-енные закономерности поведения макромолекул при течении с продольным радиентом скорости и проявляющиеся при этом эффекты упругих деформаций меют определяющее значение при разработке экологических технологий на снове метода полимерного заводнения нефтеносных пластов. Используя слученные в работе данные о физико-химических основах экологических ехнологий увеличения нефтеотдачи можно проводить расчеты технике-эко-омических показателей разработки нефтяных месторождений при выполне-ии экологических требований по защите природной среды.

Результаты работы нашли применение: при выполнении государствен-ой научно-технической программы "Ресурсосбережение" - проект 5.53.01/ 97-93 "Ивучение нелинейной фильтрации растворов полимеров с- целью вы-аботки рекомендаций по оптимизации процесса вытеснения нефти", вы~ олняемый по заданию ГКНТ Украины, ответственным исполнителем которого 1992 по 1995гг. была автор диссертации (долевой вклад соискателя 0%); в Институте высокомолекулярных соединений РАН (г.С-Петербург) ля формирования требований к новым синтезируемым полимерам, применяе-ым в нефтедобыче; в "Гипровостокнефть" (г.Куйбышев) физико-химические спекты вытеснения нефти водорастворимыми полимерами для прогнозирова-ия процесса заводнения трещиноватопористых коллекторов; в Специальном онструкторско-технологическом бюро "Турбулентность" для анализа и от-ора наиболее оптимальных вариантов щелевых пакетов; в Институте науч-о-прикладных проблем "АЗРО" (г.Ижевск) при разработке экологической ехнологии повышения нефтеотдачи месторождений Удмуртской Республики;

в Ижевском филиале ЦНИИБУММАШ при совместной разработке новой конструкции экструзионной головки, позволяющей получать полимерную пленку улучшенного качества (долевой вклад соискателя-30%); научные результаты, полученные в диссертации, используются в учебных курсах, читаемы? на кафедре прикладной экологии ДГАСА.

Апробация работы. Отдельные положения работы докладывались и получили одобрение научной общественности на Международной научно-технической конференции "Ресурсосбережение и экология промышленного региона" (г.Макеевка,1995г.), на Республиканской конференции "Физико-химические основы применения ПАВ в промышленности" (г.Донецк, 1981г.), нг II и IV Всесоюзных конференциях "Водорастворимые полимеры и их применение" (г.Иркутск, 1982 и 1991гг.), на Республиканской конференции пс физике-химии, технологии получения и применения промывочных жидкостей, дисперсных систем и тампонажных растворов (г.Ивано-Франковск, 1985г.), на 17 Международном симпозиуме по реологии (г.Саратов, 1994г.), на Г. Международной конференции "Циклические процессы в природе и обществ« (г. Ставрополь, 1994г.), на 2-й Международном симпозиуме "Физически« проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения' (г.Ижевск,1994г.), а также на семинаре "Problems of hydrobionics", Isi International workshop ARPA-Cortana-IHM(r. Киев, 1994г.)

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 14 работах, включающих статьи в журналах, в научных сборниках, работы в сборника) материалов конференций и 1 методпособие для студентов-экологов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав выводов и списка литературы из 185 наименований. Работа содержит 15( страниц, в том числе: 101 страницу текста, 21 страницу библиографии остальное - рисунки, таблицы и фотографии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования и значимост] рассматриваемых вопросов, сформулирована цель работы.

Первая глава представляет собой обзор имеющихся данных по физико-химическим методам увеличения нефтеотдачи продуктивных пластов Рассмотрены вопросы, связанные с защитой природной среды при использовании на практике вышеуказанных методов увеличения нефтеотдачи. В плане решения технической задачи по установлению физико-химических ochoi экологических технологий повышения нефтеотдачи пластов обоснована необходимость изучения особенностей течения растворов полимеров в модельных условиях пористой среды - в условиях растягивающего потока.

Критический обеор литературных данных свидетельствует о том, что *аши современные представления об ориентационно-деформационном поведе-1ии макромолекул при течении с растяжением, особенно в условиях сходя-дегося течения полуразбавленных и умеренно концентрированных растворов, далеки от совершенства. Это обусловливает непонимание процессов, троисходящих в пористых средах (особенно в нефтеносных пластах со сло-дстой неоднородностью) при вытеснении нефти растворами полимеров, и зачастую порождает массу недоразумений и - заблуждений при интерпретации экспериментальных результатов. В гидродинамике растворов полимеров совершается переход от накопления экспериментальной информации к понима-1ию физической сущности и установлению основных закономерностей прояв-шния эффектов упругости и памяти. Для решения поставленной технической задачи по установлению физико-химических основ экологических технологий повышения нефтеотдачи пластов необходимы дальнейшие исследо-зания течений сложной геометрии, в которых возникают упругие деформации растворов полимеров.

Представляется очень важным анализ особенностей возникновения и «линейной стадии развития неустойчивостей, связанных со способностью макромолекул к почти полному разворачиванию их цепей. Последнее обус-говливает накопление растворами полимеров значительной упругости, что I приводит к проявлению "аномальных" эффектов в их гидродинамическом гаведении в условиях фильтрационного течения. ¡Эффекты упругости и памяти по своей природе нелинейны.

Среди попыток объяснить природу повышенной диссипации энергии при фильтрационном течении растворов полимеров особое место занимает гипотеза, основанная на сильном деформационном воздействии гидродинеми-кского поля на макромолекулы. Для обоснования этой гипотезы необходимы экспериментальные доказательства наличия больших степеней деформации у макромолекул в определенных зонах фильтрационного потока. Скептицизм в отношении сильного деформационного воздействия гидродинвми-1еского поля фильтрационного потока на макромолекулы обусловлен еще и сем, что, как правило, анализируются сдвиговые воздействия, а не гид-зодинамичеокое поле с продольным градиентом скорости. Имеются все ос-ювания считать, что новые данные о динамике цепей макромолекул в гидродинамических полях с продольным градиентом скорости позволят на бо-тее полной научной основе подойти к решению вопроса о механизме фильтрационного течения растворов полимеров, обусловливающем нелинейную фильтрацию.

- а -

Рассмотрено также соответствие полимеров предъявляемым эколог ческим требованиям при нефтедобыче.

Анализ литературы о закономерностях ламинарных течений с растя* нием растворов полимеров и состояния работ в области использования $ зико-химических методов (с учетом их соответствия экологическим треС ваниям) при разработке нефтяных месторождений позволил сформулировг задачи настоящей работы.

Во второй главе излагается описание оригинальной эксперимента ной техники, использованной при проведении исследований, методика г. лучения фотографий картин течения, двулучепреломляющих зон и диагрг физических параметров, а также описание нестандартных методик провег ния экспериментов и обработки результатов. Приведены характернее исследуемых в работе полимеров, методы стабилизации растворов полик ров с помощью химических добавок и изложены результаты, характерна' идее влияние температуры и концентрации стабилизирующих добавок на с? рость старения полимера б воде при его хранении. Показано, что иод1-тый калий практически полностью исключает процесс старения полиэтш ноксида (ПЭО) и полиакриламида (ПАА) в воде как при комнатной темпеЕ туре, так и в условиях повышенных температур. Предложенный метод а билизации растворов полимеров позволяет существенно повысить эффект* ность полимерного нефтевытеснения при высоких температурах нефти. I корректного приготовления растворов и их использовании в нефтедобь необходимо было изучить и закономерности процесса растворения полиме в воде. Результаты такого изучения также изложены в этой главе.

В третьей главе изложены результаты исследований течений растг ров ПЭО мол.масс - 10б, 3'10б,4'10б, б'Ю6,- полимерсодердащей паоть 2П0-87 (мол.масса ПЭО - 2"106 ), гидроливованного ПАА (ГПАА) мол.мае 4,б-10б со степенью гидролиза 5%, негидролизованного ПАА мол.ма 6'10б, 13,5-10® и полистирола мол. массы 2,3-106 через модельные э]. менты пористой среды - короткие капилляры и щели. Концентрация полиь ра варьировалась от О до 0,2%, температура - от 4 до 90°С, скорое течения - от 0,Е до 10м/с.

Работа имела двоякую цель: во-первых,получить данные, характег зующие особенности поведения полимерных растворов в модельных услов* пористой среды, и, во-вторых, предполагалось, что новые данные о дин мике цепей макромолекул в гидродинамических полях с продольным гра? ентом скорости поаволят на более полной научной основе подойти к рее нию вопроса о механизме, обусловливающем отклонения от закона Даре

Естественно, без понимания механизма возникновения нелинейной фильтрации растворов полимеров невозможно сформулировать основные принципы технологии нефтедобычи методом заводнения с добавками полимера.

Приведенные в этой главе экспериментальные данные свидетельствуют о ряде характерных особенностей поведения растворов полимеров в сходящихся потоках. Существуют некоторые критические характеристики потока, такие как расходная скорость, продольный градиент скорости время пребывания макромолекул в потоке с растяжением и пороговые характеристики полимерного раствора - мол. масса, концентрация раствора, температура, тип растворителя и его вязкость, ионная сила, рН среды, когда начинают проявляться "аномалии" в их гидродинамическом поведении. К таким "аномалиям" относятся - резкое увеличение (до 3 порядков) эффективной вязкости цЭф1 т.е. увеличение диссипации энергии в системе, неоднозначность зависимости Tig® от средней скорости истечения U черев проточный элемент, появление нестабильного автоколебательного режима течения, выражаемого в возникновении пульсаций расходной скорости и интенсивности ДЛП вовникеющей двулучепреломляющей зоны.

Данные, характеризующие влияние длины капилляра и его диаметра на 1эф растворов ПЭО, свидетельствуют о том, что длина капилляра [фактически не влияет на UKp, в то время как увеличение диаметра капилляра существенно повышает критическую скорость. Зависимость усред-генного градиента скорости, определяемого как 3Kp=8'UKp/dK и соответствующего началу резкого возрастания т)э® от концентрации и мол. ¿ассы ПЭО для разбавленных и полуразбаЕленных растворов при 25°С, мо-кет быть представлена в виде:

Окр= 3,1*10гз -М-3'1 -с-0'82 . (3.1)

Зависимость градиента скорости з'щах» соответсвтвующего максимуму ia кривой Пэф=Пз)> от концентрации ПЭО мол. массы 3-Ю6 при 25°С вы-•лядит следующим образом:

Jmax = 3,?5-103-С-°'8?- . (3.2)

)бращает на себя внимание одинаковый вид концентрационных зависимостей кр И jmax (Формулы (3.1) и (3.2)).

На рис. 1 показано влияние концентрации ПЭО и угла входа на эф-юктивную вязкость при протекании растворов через щели. Откуда следует, что наибольшее значение цЭф наблюдается в случае щели с углом »аскрытия 180°,т.е. когда имеется вневапное сужение. Уменьшение угла [риводит к снижению т\Эф и смещению критической скорости в область боль-

- ID -

Влпян;и- KOH:;ùhTp.iLv."f иЭО n угле* кнда «ь ИЯР^О^ТЬ

черег i^:.

ших значений. Отмечается также одинаковый вид концентрационно-молеку-лярной зависимости UKp при истечении растворов ПЭО через щели и капилляры.

Интерпретация полученных данных потребовала решения вопроса о структуре гидродинамического поля сходящихся течений разбавленных и умеренно концентрированных растворов полимеров, а также вопроса о степени деформационного воздействия гидродинамического поля на мзкромоле-кулярные клубки. С помощью визуализации течений, лазер-доплеровской анемометрии и стробоскопического метода установлено, что повышение диссипации энергии сопровождается своеобразным изменением структуры гидродинамического поля. При переходе от одного режима истечения к другому существенным образом изменяется картина линий тока во входной области проточного элемента. Во входной области возникают затопленная зтруя в виде "шнура" (или "ленты" при истечении через щель) и вторичные течения в виде торообраэного вихря, окружающего эту струю.

Результаты при визуализции течения растворов полимеров , а также ■шализ диаграмм динамического напора выходящей из капилляра струи и тульсаций интенсивности лазерного излучения, вследствие эффекта двой-юго лучепреломления на входе в капилляр, позволяют заключить, что 1естабильный режим течения - это автоколебательный процесс.

На рис.2 приведены графические копии линий тока, отражающие распределение скорости вдоль щели при истечении водного раствора ПЭО. Еид-ю, что на докритическом режиме течения распределение скорости на выгоде из щели такое же, как и у воды. В закритическом режиме протекания голимерного раствора прослеживается неравномерность расхода полимера юрез щель не только во времени, как при истечении через капилляр, но i в пространстве (вдоль щели). На рис.2 (3 и 4) приведено распределена скорости в разные моменты времени о интервалом 5 сек.

В случае водных растворов полиакриламида характерные особенности к поведения при истечении через капилляры и щели сохраняются, но есть г некоторые отличия. Обращает на себя внимание значительное понижение !Кр у растворов ГПАА, что объясняется наличием большой харачтеристи-tecKow вязкости [цЗо, которая служит характеристикой размеров непроде-юрмированных молекулярных клубков.

Сравнение максимальных значений Т1ЭФ растворов ПЗО, ПАА и ГПАА подзывает, что величина эффективной вязкости определяется не Щ0 , а ¡онтурной длиной молекул полимера и их количеством в единице объема. Ери совпадении последних величины вязкости, соответствующие экстремуму

на зависимости аэг от и, практически оовпедают. Отличительная особенность структуры потока наблюдается только у растворов ГПАА. При течении этих растворов разрушение обрагущеггся "шнура" проие-одпт »¿¡к бь под действием колеблющейся из стороны в сторону щфкуляцкончок гокы. Нестабильный режим истечения (пульсации выходящей струи) вовкикб«?: из-за циркуляционных зон, периодически авпирт/щцу предвходиую с-йл^с?! капилляра, и характеризуется незатухающей во времени амплитудой осцилляции динамического напора выходящей из капилляра струи с определенны? на&ором частот. Что касается растворов ПАА, то их поведение пракп'Чй-.-ки совпадает с поведением растворов ТТЛ.

На рис-.З представлены ре&ультету, отрачветие рагвити» оксрс-ст! вдоль осп потека во входной ибл&этк капилляра в беер^гк^р.'^с пс^рдгль-

Распределение скорости на 0'яи потока

2- С,С-5»,8- вода,,37' , 1К -1,1-10~3м, О«0,*ы/с;

4- 0,05%, бк=0, 3?11С~'-"м, ]к и=0,5м/с;

Рис а.

Для полимерного растворя на докрутичесн;?>: режимах течения распре деление осевой скорости практически такое ке, как и у воды (кривая 3 точки 4). На закритическом режиме истечения наблюдается существенна деформация кривых., характеризукиулх развитие осевой скорости (см. кри вые 1 к 2). Эти кривые имеют по крайней мере рва участка с линеинь® изменением скорости. Сопоставление распределения скорости на оси потока с картинами линий тока, соответствующими данному режиму течения

показывает, что участок с резким падением скорости относится к входной зоне " шнура".

Используя распределение скорости на оси потока, получили распределение их градиентов, которые приведены на рис.4. Максимальный градиент скорости реализуется не на входе в капилляр, а на некотором расстоянии, равном длине "шнура" (кривая 2 рис. 4а). Ееличина £тах во входной области капилляра при течении полимерного раствора существенно ниже, чем в потоке без полимерных добавок, т.е. воздействие гидродинамического поля приводит к изменениям полимерной системы, которые вызывают перестройку поля скоростей таким образом, чтобы уменьшить продольные градиенты скорости. Продольный градиент скорости на оси "шнура" не превышает 30 с-1. Отмечается тенденция к понижению градиента скорости на оси "шнура" с ростом концентрации и мол. массы полимера. Наличие маленьких градиентов скорости на оси "шнура" было также подтверждено и с помощью стробоскопического метода. Из рис. 46 видно, что продольный градиент скорости в "шнуре" (кривая 3), как и максимальные значения градиента скорости во входной области капилляра (кривая 2), в злучае течения полимерного раствора в закритическом режиме слабо зависит от 0.

Результаты, представленные на рис. 5 и б, доказывают возможность перехода в сильно развернутое состояние макромолекул в условиях сходя-цегося потока. Отношение намеренного ДЛП к предельно возможному достигает 0,3, что соответствует 55% степени развернутости макромолекул. Зоервстание концентрации приводит к уменьшению деформационного фактора. Результаты измерений диаметра анизотропной зоны да. (зоны развернутых цепей) на расстоянии одного диаметра от входа в капилляр показали, ¡то он близок к диаметру капилляра (1К. Отношение с!а/с1к для режимов, сарактериэуемых рис.5 (1 и 3), составило 0,8 и практически 1, соот-зетственно.

Данные рис.6 позволяют выяснить поведение макромолекул при раз-шчных скоростях течения. Видно, что зависимость (Дп/Дп»)тах от и мож-ю разделить на три области. Области 1 и 3 характеризуются монотонным увеличением размеров молекулярных клубков полимера с ростом средней скорости, а переходная область (обл.Е) - скачкообразным. Сравнительный шализ рис.5 и 46 показывает, что в области 1 возрастание 0 сопровои-(ается ростом е, что и обусловливает увеличение размеров молекулярных шубков. Реализуемые при этом градиенты скорости во входной области йлилляра несколько ниже, чем у воды, текущей с такой же расходной

Распределение градиента скорости на оси потока

то-

то4

7<у Ю3

10

ГО

а)

V ( т

\ /

V 1

то4

о •«о

тос

то

то

/ > — б)

у| (

1 "-ОГ- 2 —аг- »о

Г 3 е

О 10 20 ^/АкЗО 0 12 3 0,5-10"3м, 1к=0,г1-10-3м, мпэо=4-10б; а) 1- вода,

и=0,8м/с; б) 1- вода, 2- 0,05%, я- г в "шнуре" для 0,05%.

Рис. 4.

Т1Г,и/

0,05%

Распределение деформационного фактора во входной области капилляра для водных растворов ПЭО

Зависимость максимальных значений деформационного фактора вс входной области капилляра 01 средней скорости истечения

0,3

<|<з 0,2

ОД

Ол

о X1

1

--------'1...........

— 3 ° "

\ 2 1 V 1

о

то

20 30 У<М0

ТО

с!к= 0,5-10 Зм,1к=0,2140 3м,Мпэо=4-106; 1- Спэо=0103%, 11=2,Бм/с; 2-0,1%, 11=1м/с; 3- СПЭй=0,03%, и=1м/с.

Рис.5

с!к= 0,5-ю:3м,1к=0,21-10 МПэо=4-10б; Спэо=0,03% .

Рис.6.

скоростью. При достижении некоторого критического градиента еКр2 происходит резкая трансформация размеров молекулярных клубков. Последнее приводит к существенной перестройке поля скоростей таким образом, чтобы продольный градиент скорости понизился до еКрЗ) но не ниже критического £КР1 , с которого возникает ДЛП, т.е.ЕКр1< £крЗ<гкр2 ■ Возрастание концентрации полимера в растворе сглаживает различия между величинами указанных критических градиентов скорости. Дальнейшее возрастание и слабо влияет на деформационный фактор и на ещах в области 3. Тот факт, что значительное изменение скорости не приводит к сильному изменению £щах, свидетельствует о нелинейном (как минимум кубическая нелинейность) влиянии степени развернутости макромолекул на реализуемые при этом градиенты скорости.

Полученные данные показывают, что полимерные растворы в условиях сходящегося потока в закритических режимах течения являются саморегулирующимися дис-сипативными системами с отрицательными обратными связями. Последнее проявляется в следующем:возрастающие продольные градиенты скорости приводят к деформации молекулярных клубков, а это в свою очередь вызывает перестройку структуры потока таким образом, чтобы уменьшились продольные градиенты скорости. Последние ке могут быть ниже некоторого критического значения (екр=0,5/8с), достаточного для разворачивания макромолекул и определяемого характерным временем 8С полимерного раствора. Возрастание скорости течения в результате нелинейных эффектов приводит к незначительному дальнейшему увеличению деформационного фактора, но этого оказывается достаточно, чтобы застаби-лизировать характерный градиент скорости для данной системы.

В плане решения поставленных в работе задач изучена релаксация развернутых цепей в тех участках потока, где гидродинамическое поле "выключено" (е<екр). Это позволило установить, что для полуразбавленных и умеренно концентрированных растворов полимеров времена релаксации развернутых цепей и слабодеформированных индивидуальных цепей различаются более, чем на 2 порядка. Причиной столь больших времен сворачивания является генерируемые в растворе надмолекулярные структуры. Природа этих структур выяснена с помощью анализа фазовых равновесий в системе полимер-растворитель. Полученные данные подтверждают концепцию С.Я. Френкеля о смещении кривых фазового разделения под действием гидродинамического поля.

Доказано существенное влияние кинетических факторов на степень развернутости цепи для сходящегося гидродинамического поля. Анализ

проводился в рамках нелинейной гантельной модели с использованием приближения Петерлина-де Жена. Показано, что переход макромолекул в развернутое состояние под действием гидродинамического поля, а, следовательно и образование динамических надмолекулярных структур возможны, если безразмерная скорость деформации превосходит £'9о>0,5 и время деформационного воздействия поля больше Ь/80>1.

Полученные данные о динамике макромолекул в условиях растягивающего гидродинамического поля позволили понять механизм нелинейности при фильтрационном течении растворов полимеров.

Сделан вывод, что аффекты динамического отруктурообраеования и возникающий при этом автоколебательный режим истечения раствора полимера через гидрорезисторы должны играть важную роль при оптимизации процесса вытеснения нефти из пласта растворами полимеров. Тем не менее в инженерных расчетах при разработке нефтяных месторождений это обстоятельство до настоящей работы не принималось во внимание.

В 4-й главе изложены результаты исследований закономерностей протекания растворов полимеров через пористые среды и процесса вытеснения нефти из пористых сред с различной пористостью и слоистой неоднородностью. Скорость течения варьировалась от Ю-5 до 1 м/с.

Из полученных в работе результатов следует, что фильтрационное течение представляет собой не что иное,как суперпозицию течений,реализуемых во входной области капилляра, поэтому и основные, по крайней мере, интегральные характеристики таких течений имеют сходные закономерности с отмеченными при протекании полимерных растворов через капилляры или щели. Из-за того, что в пористом материале поры некоторым образом распределены по размерам, переход к течению с повышенным гидродинамическим сопротивлением не происходит скачком при достижении некоторого критического продольного градиента скорости, как это имеет место при истечении через капилляры или щели. В случае пористой среды этот переход совершается относительно плавно.

Результаты по вытеснению нефти из однородной пористой среды (рис.7) свидетельствуют, что при вытеснении водой (1) и растворами полимеров (2) на докритических режимах образуются характерные фрактальные структуры. Они отличаются сильной равветвленностыо, наличием большого числа тупиковых ветвей. Чем ниже вязкость нефти, тем быстрее раствор полимера (или вода) доходит до выходного штуцера по одной из ветвей с наименьшим сопротивлением. Если же вытеснение нефти из пористой среды осуществляется на закритическом режиме фильтрации (рис.7(3)), то поли-

Картины вытеснения нефти из модельных нефтеносных пластов с однородной пористостью

^ >

г-

мерный раствор образует широкий, ровный фронт вытеснения, охватывающий всю ширину ячейки. Как и следовало ожидать, наблюдается высокое нефте-вынесение водно-глицериновым раствором с вязкостью близкой или выше Пэф растворов полимеров при £>£кр , котя фронт вытеснения у водно-глицериновых растворов уже, чем у растворов полимеров(рис.7(4)).

Таким образом для достижения высокой продуктивности при вытеснении нефти необходимо, чтобы рабочая жидкость имела вязкость равную или больше вязкости нефти. У растворов ПЭО (относительно низких концентраций) это условие может выполняться только на еакритических режимах течения в пористой среде.

Отмечается также несколько иной характер вытеснения нефти растворами ГПАА. Даже при очень малых скоростях фильтрации этот раствор имеет довольно высокий коэффициент вытеснения нефти, который с ростом скорости фильтрации вначале уменьшается, а затем, как и с растворами ПЭО или ПАА начинает довольно резко увеличиваться. При достижении некоторой критической скорости фильтрации указанная зависимость коэффи-циета нефтеотдачи от скорости фильтрации для растворов ГПАА полностью согласуется с наблюдаемой зависимостью от £Г при истечении растворов ГПАА через короткий капилляр. Эффективность использования растворов ГПАА,ПАА и ПЭА определяется конкретными условиями при которых происходит нефтевытеснение - скоростью фильтрации, температурой, ионной силой и рН среды.

Наблюдается несравненно высокая нефтеотдача,которая не обеспечивается другими методами,на месторождениях со слоистой неоднородностью пластов. Об этом свидетельствуют данные рис. 8. Видно, что при вытеснении нефти из таких пластов водой (или водными растворами глицерина), нефть вытесняется в основном в слое с большей пористостью (рис.8(1и2)). Растворы же полимеров обеспечивают относительно ровный фронт вытеснения (рис.8 (3 и 4)), при £>£кр Д-ля среды с большей пористостью. Выравнивание фронта наблюдается даже в трещиноватопористых средах, естественно, при реализации закритического режима течения про-тегсалия через трещины (щели).

Показано также, что существенное сокращение расхода полимера осуществляется организацией полимерной оторочки, т.е. использованием раствора полимера только в начальный момент заводнения нефтеносного месторождения.

На основании данных, характеризующих динамику макромолекул в модельных условиях фильтрационного течения, и доказанного сильного де-

-■утеснение нефти иг? медальных нефтеносны" пластов оо слсштой несзксрспчсотьк»

: g - йодои. ; i 4 - водный игоозором ГПАА ( кярташ йнт^сненгд •: х^гетствуиг разным чочеьт-ям spewem-i,1; Мгтхал=<±,о' 10°, Ог/у'^пг*

г'ио.8,

рор'.'ьопонного Бездействия чу ■ кулы г'пдгг'п::^-м^'^сксг"

фпльтрдипонного теченияj » т-нкге -г-по -* ¿у4; дчян.че исолвдокзнкй процесса ЕЫТ^снения нефти -юрготоц ор-дк о р-;?;:ичноп гл'р" г гостью ¡г гой неоднерадкогтью, предго^я ме."..чк;мм

откгененпй от затона Дьреи, г«клвгюаея в гогнккног^нки автоколебательного ре:*.има с^рятрл-ых процессов разворачивания ГЕкремолекул под действием кнаеирггулгрно гогникевших продольных градиентов скорости в пористой ор*д<? " влиянии гаэворачкг«ю2гесся шахроюзекуд как на молекулярном >прп €• . так и на надмолекулярной inpi? С1

уровнях ИВ Счруктуру фИРЬТрРДЦОННОГО Т*Ч?НГ.Я, 7.9. S РёРуЛЬТЗТе ОСЦИЯ-->:цпч П'-форч^тш МоКро^о^^ул и pi.cPEcpi-MuoTH дйнс'зчеоких кадиолеку-дярнкх образованийs Есзкикахщих под действием растягивав»1'. течений возникает повкзенная дкоотзцкя энергии и нелинейность ^ильуркшеяного

течения. Нелинейность при фильтрационом течении растворов полимеров \ обеспечивает выравнивание фронта вытесняющей полимерной жидкости з слоистых неоднородных пластах и широкий охват пласта при нефтедобыче.

Разработанный подход к объяснению механизма нелинейности фильтрационного течения растворов полимеров хорошо укладывается в общую схем^ саморегулирующихся процессов, в которых доминируют отрицательные обратные связи, что характерно для систем,способных изменять свои свойства под действием внешних фивических вовдействий , в данном случае по? действием локально возникающих в порах течений с растяжением.

Полученные результаты позволяют утверждать, что при проектировании и осуществлении заводнения с добавками полимеров необходимо учитывать гидродинамические режимы течения рабочего раствора, концентрацию полимера в растворе, мол. массу полимера, температуру, ионную силу и рН среды. Необходимо также правильно готовить полимерные растворы, исключая процесс старения, который может интенсивно происходить при высоких температурах нефти, а также обеспечивать необходимую степень растворимости полимера в воде. Варьируя перечисленные параметры, можно добиться высокой эффективности нефтедобычи, уменьшив при этом расход полимера и обеспечив защиту природной среды от вредных химических загрязнений.

Приводятся разработанные научно-обоснованные принципы расчета гидродинамических режимов заводнения с добавками полимеров нефтеносных месторождений. Расчет режимов полимерного заводнения основан на использовании установленного критерия , характеризующего начало возникновения повышенного гидродинамического сопротивления. В этот критерий, который трактуется как число Деборы е'8с^0еКЕ (4.1) входят время релаксации полимерного раствора 8С и продольный градиент скорости е.

Для 0С получено следующее аналитическое выражение

где 0о~ время релаксации при 00, определяемое экспериментально (гл.З) или, как было показано в главе 3, может быть рассчитано по формуле Зимма 90= 0,42-(М-СпЗо"По)/КТ0,[п1сг характеристическая вязкость, к=[ц]0,С, Но - вязкость растворителя, М -мол. масса, Т° - температура, И- универсальная газовая постоянная. Справедливость найденного соотношения, позволяющая связать 8С с концентрацией, температурой и характе-

8С=

80' ехр(к)

при к<1

(4.2)

8С-Сехр(к2/3)]/к1/3 при к>1

ристической вязкостью (мол. массой), подтверждают результаты исследований ec=f(k) трех фракций ПЭО в воде. Для продольного градиента скорости на расстоянии dn/2 (dn - характерный размер пор) можно записать выражение:

е* —- , (4.3)

K-dn

где дф- скорость фильтрации, а К - коэффициент пористости среды.

Тогда, используя соотношение (4.2), (4.3) и подставляя в (4.1), условие начала возникновение эффектов упругих деформаций при течении растворов полимеров в пористой среде, когда [цЗо'СИ» приобретает вид:

e0-exp-l([Ti]0-C)2/3> SO-q

---лто- * -— >DeKP . (4.4)

([TUc-C)173 K-dn

В соответствии с полученными в диссертации экспериментальными данными, критическое число Деборы равно 2,5.

Из соотношения (4.4) следует, что способность к повышенному неф-тевытеснению полимерными растворами увеличивается о уменьшением пористости среды и увеличением скорости фильтрации, концентрации и мол. массы полимера.

Для прогнозирования технологических показателей разработки нефтяных месторождений с применением растворов полимеров показана возможность использования обычного метода расчета технологических показателей, основанного на использовании основного закона фильтрации - закона Дарси. Для этого в уравнении Дарси обычную вязкость заменили на эффективную, учитывающую проявление эффектов упругих деформаций при £>екЕ. Тогда, учитывая что т)Эф=0,5' (T)j+Tié), закон Дарси можно представить в виде двух слагаемых, ответственных за разные виды течений - сдвигового и с растяжением:

ДР Ъф 0Ф

- = Hj — + Dé — , (4.5)

L 2А 2А

где ÜP - перепад давления на длине L, А- коэффициент проницаемости, iij - вязкость при сдвиговом течении, a n¿ -вязкость при течении с растяжением.

Обсуждается возможность использования эмпирических формул в виде степенного закона для iij-* jn_1 и d¿ е3п_3. При п=1 имеем ньютоново-

- гг -

кую жидкость, а и^и^. Уравнением (4.5) довольно хорошо описываются экспериментальные данные, полученные при фильтрационном течении растворов полимеров.

В целом, представленные в главе данные свидетельствуют о том, что с помощью растворов полимеров можно получить высокие коэффициенты нефтеотдачи, а, следовательно, отказаться от применения технологий, не удовлетворяющих экологическим требованиям. Технология полимерного неф-тевытеснения является ресурсосберегающей и природозащитной, т.е. экологической по определению. Таким образом, поставленная цель в работе достигнута, т.к. научно решена сформулированная в диссертации задача.

ВЫВОДЫ

1. Сопоставлением полученных полей скоростей и их градиентов, картин течения и результатов измерений степени развернутости макромо-лекулярных клубков, а также времен релаксации полимерных систем выяснена динамика макромолекул в гидродинамическом поле с растяжением. Установлено, что при сходящемся течении в закритическом режиме для области концентраций, лежащих между очень разбавленными и умеренно концентрированными растворами, происходит весьма сильное деформационное воздействие поля на молекулярные цепи. Отношение измеренного двулучеп-реломления Дп к предельно возможному Ддо при воздействии на макромолекулы гидродинамических полей, генерируемых при сходящемся течении, достигает 0,3 , что соответствует степени развернутости полимерных цепей 55%.

2. Получены новые данные о структуре сходящегося течения растворов гибкоцепных линейных полимеров. Переход к режиму течения с повышенной диссипацией энергии сопровождается образованием входной затопленной струи. При истечении полимерного раствора черее щель возникает неравномерность расхода полимера не только во времени,как при истечении через капилляр, но и в пространстве (вдоль щели).

3. Получены данные, показывающие, что полимерная система в условиях сходящегося потока в закритическом режиме течения является саморегулирующейся диссипативной системой с отрицательными обратными связями. Последнее проявляется в следующем: возрастающие продольные градиенты скорости приводят к таким изменениям в полимерном растворе, которые способствуют перестройке структуры потока и тем самым уменьшают

продольные градиенты скорости, но не ниже некоторого критического значения, определяемого временем релаксации раствора. Наблюдается существенное влияние разворачивающихся макромолекул на структуру гидродинамического поля при течении даже разбавленных растворов полимеров.

4. Установлено, что закономерности поведения макромолекул при течении с продольным градиентом скорости и проявляющиеся при этом эффекты упругих деформаций имеют определяющее значение в понимании механизма вытеснения нефти из пористой среды полимерными растворами. Молеку-лярно-надмолекулярный механизм отклонений от закона Дарси заключается в возникновении автоколебательного режима обратимых процессов разворачивания макромолекул под действием квазирегулярно возникающих продольных градиентов скорости в пористой среде и влиянии разворачивающихся макромолекул как на молекулярном (при С-£пЗо<0,2), так и на надмолекулярном (при С-[иЗо>0,2) уровнях на структуру фильтрационного течения, т.е. в результате ооцилляций деформации макромолекул и растворимости динамических надмолекулярных образований, возникающих под действием растягивающих течений возникает повышенная диссипация энергии и нелинейность фильтрационного течения. Нелинейность при фильтрационном течении растворов полимеров и обеспечивает выравнивание фронта в слоистых неоднородных пластах вытесняющей полимерной жидкости и широкий охват пласта при нефтедобыче.

5. Используя разработанный подход к объяснению явления повышенной диссипации при протекании растворов полимеров в пористой среде и выравнивания фронта в слоистых неоднородных пластах Еытесняющей жидкости с полимерными добавками, который хорошо укладывается в общую схему саморегулирующихся процессов с доминирующими отрицательными обратными связями, предложен метод расчета технологических показателей разработки нефтяных месторождений с применением растворов полимеров на основе обычного метода для воды и данных, полученных при исследовании течений растворов полимеров в условиях пористой среды.

6. Физико-химические основы поведения макромолекул в условиях сложных гидродинамических полей, реализуемых в нефтеносных пластах при полимерном нефтевытеснении, позволили разработать основные принципы экологической технологии повышения нефтеотдачи пластов, реализация которой будет способствовать защите природной среды при высоких коэффициентах нефтеотдачи.

7. На основании результатов, полученных при изучении физико-химических эффектов упругих деформаций, возникающих при течении растворов

полимеров в модельных условиях пористой среды была совместно с Ижевским филиалом ЦНИИБУШАШ предложена новая конструкция экструзионной головки, позволяющая получать полимерную пленку улучшенного качества.

8. Результаты работы приняты для внедрения в практику проектирования и разработки нефтяных месторождений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ:

1. Погребняк Л.А. Изучение нелинейной фильтрации растворов полимеров с целью разработки рекомендаций по оптимизации процесса нефтедобычи // Экологические проблемы промышленного региона:Сб. трудов в 3-х томах.- Макеевка,ДГАСА. - 1S95. - т.2 - с.23.

2. Погребняк (Каушнян)Л.А. Ламинарное нераавившееся течение растворо] полимеров // Синтез, исследование свойств, модификация и переработка ВМС: Материалы 2-й Межреспубликанской конференции студентов ВУЗов СССР. - Казань, КХТИ. - 1981. - с.101.

3. Погребняк Л.А. и др. Вязкость и диаграммы состояния растворов ПВО //Изв. ВУЗов. Сер.химия и химическая технология. - 1986. - т.£3. -Вып.1. - с.88.

4. Погребняк Л.А. и др. Исследование неразвившегося течения разбавленных растворов ПЭО через короткие капилляры //Гидродинамика разбавленных растворов ВМС. - М. ,ЖМ АН СССР. - 1932.- с. 10.

5. Погребняк Л.А., Неронова И.А. Надмолекулярная структура растворов ПЭО //Водорастворимые полимеры и их применение: Тезисы докладов Б конференции. - Иркутск, СО АН СССР. - 1982. - 0.141.

6. Погребняк Л.А. и др. О механизме вытеснения нефти растворами полимеров //Водорастворимые полимеры и их применение: Тезисы IV Всесоюзной конференции. - Иркутск, СО АН СССР. - 1991.- с.130.

?. Погребняк (Каушнян)Л.А.,Наумчук Н.В. Реологические свойства водных и водно-солевых растворов олеата калия и ПЭО //Физико-химические основы применения ПАВ в промышленности: Тезисы докладов Республиканской конференции. - Донецк, ДонГУ. - 1981. - с.59.

8. Погребняк Л.А. и др. Течение растворов полимеров со значительными деформационными аффектами //Материалы Республиканской конференции по фиэико-химии, технологии получения и применения промывочных жидкостей, дисперсных систем и тампонажных растворов. - Ивано-Франковск. -1985,- с.49.

9. Погребняк JI. А. Возникновение периодических процессов в жидкостях с гидродинамически активными добавками //Циклические процессы в природе и обществе: Тезисы докладов 2-й Международной конференции. -Ставрополь, СГУ. -1994.- с.89.

10. Погребняк Л.А. и др. Деградация флокулянтов в процессах углеобогащения //Экологические проблемы промышленного региона: Сб. трудов в 3-х томах. - Макеевка, ДГАСА.-1995. - т.2 - с.29.

11. Погребняк Л.А., Погребняк В.Г.Эффекты упругих деформаций при фильтрационном течении растворов полимеров //Материалы 17 Международного симпозиума по реологии/ Под ред. Куличихина В.Г. - М. - Саратоз, РАН. - 1994. - с.80.

12. Погребняк Л.А. и др. Локализация в литосфере очагов загрязнений //Экологические проблемы промышленного региона: Сб. трудов в 3-х томах. - Макеевка, ДГАСА. - 1995.-т.2.- 32 с.

13. Погребняк В.Г., Погребняк Л.А. Опорный конспект по экологии: Ме-тодпособие. - МакееЕка, ДГАСА. - 1993. - с.52.

14. Погребняк Л.А. и др. Механизм перехода клубок-развернутая цепь при сходящемся течении растворов полимеров //Вестник ДГАСА. - 1995. -т.1. - Вып.1. - с.6.

ANNOTATION

Pogrebnyak L.A. The physico-chemical foundations of ecological technologies of increasing' the oil recovery of seams.

Candidate of technology (= Ph.D) thesis on speciality 05.26.05 -engineering ecology Donbass State Academy of construction and architecture. Makeevka, 1996.

There have been studied the physico-chemical nature of revealing the effects of elastic deformations during the flow of polymer solutions (meeting the corresponding ecologic requirements) in simulation conditions of porous medium as well as the process of forsing out oil from the seams with different porosity and stratified heterogeneity.

The established regularities of manifestation of elastic deformation effects, arising during the flow of polymer solutions have made it possible to work out the scientifically grounded basic principles of ecological technology to increase the oil recovery of seams. Realization of such technologies will promote the protection of natural surroundings, providing in this case higt rates of oil recovery.

Key words: filtration, hydrodynamic drag, polymer, relaxation time, linear velocity gradient, permeability, development, ecologic requirements, ecological technologies.

АННОТАЦИЯ

Погребняк Л.А. Физико-химические основы экологических технологий повышения нефтеотдачи пластов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.05 - инженерная экология. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1996.

Изучены физико-химическая природа проявления эффектов упругих деформаций при течении растворов полимеров (отвечающих соответствующим экологическим требованиям) в модельных условиях пористой среды и процесс вытеснения нефти ив пластов с различной пористостью и слоистой неоднородностью.

Установленные закономерности проявления эффектов упругих деформаций, возникающих при течении растворов полимеров , позволили разработать научно-обоснованные основные принципы экологической технологии повышения нефтеотдачи пластов. Реализация таких технологий будет способствовать защите природной среды, обеспечивая при этом высокие коэффициенты нефтеотдачи.

Ключевые слова: фильтрация, гидродинамическое сопротивление, полимер, время релаксации, продольный градиент скорости, проницаемость, разработка, экологические требования, экологические технологии.