РД 39-3-36-77
Руководство по проектированию и технико-экономическому анализу разработки нефтяных месторождений с применением метода воздействия на пласт водой, загущенной полимерами

РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ ВОДОЙ, ЗАГУЩЕННОЙ ПОЛИМЕРАМИ

РД 39 - 3 - 36 - 77

ГИЛРОвОСТОКНЕФТЬ -1978

МИНИСТЕРСТВО НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Государственный институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности

ТИПРОВОСТОКНЕФТЬ'

РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ТЕХНИКСи ЭКОНОМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТ ВОДОЙ. ЗАТУШЕННОЙ ПОЛИМЕРАМИ

РД-39-3-36-77

1978

Степень полидисперсности-характеризует ширину молекулярно-весового распределения полимера и определяется как отношение средневесового к среднечисловому молекулярному весу ( М _w / М_а)

Фактор сопротивления - отношение подвижности воды к подвижности раствора полимера при фильтрации в пористой среде.

Фильтруемость раствора полимера- способность полимера проникать в пористую среду, не забивая входного участка керна. Количественно может быть оценена коэффициентом ф и л ь-труемости.

Фильтруемости коэффициент-параметр, зависящий от свойств полимера и пористой среды, а также от скорости фильтрации; численно равен времени, в течение которого фактор сопротивления на входном участке керна изменяется на заданную величину    •

СОКРАЩЕНИЯ ПАА - полиакриламид,

ПААР - полиакриламид радиационный,

ПААТ - полиакриламид гидролизованный,

ПЭО - полиэтиленоксид,

МВ - молекулярный вес,

МВР - молекулярно-весовое распределение,

ДПР - датчик постоянного расхода,

УДПП - установка дозированной подачи полиакриламида.

РД-39-3-36-77 стр. 11

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ МЕТОДА ЗАВОДНЕНИЯ С ПОЛИМЕРАМИ

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, а также промысловые наблюдения свидетельствуют о том, что наиболее важными факторами, оказывающими влияние на эффективность разработки нефтяных месторождений, являются отношение подвижностей нефти и воды в пластовых условиях и неоднородность пласта по проницаемости. С увеличением вязкости нефти коэффициент нефтеотдачи резко снижается. Неоднородность пористой среды усугубляет неравномерность продвижения фронта вытеснения. В сильно неоднородных по проницаемости пластах (при коэффициенте вариации проницаемости 0,8 и выше) вытеснение даже маловязкой нефти приводит к преждевременному прорыву вытесняющего агента по наиболее проницаемым зовам пласта. Вытеснение вы со ко вязкой нефти сопровождается вязкостной неустойчивостью, которая проявляется и в однородных пластах. В реальных природных пластах с нефтью малой вязкости неоднородность коллекторских свойств может оказаться первопричиной неравномерного продвижения нефти и воды.

Процесс вытеснения нефти из неоднородного пласта может быть улучшен путем применения водорастворимых полимеров достаточно высокого молекулярного веса, небольшие добавки которых резко снижают подвижность воды. Вытеснение нефти высоковязкими вы тесе тощим и

агентами приводит к гашению вязкостной неустойчивости и выравниванию фронта вытеснения в неоднородных пластах, что, в свою чередь, позволяет повысить охват пласта заводнением и в конечном счете нефтеотдачу месторождений.

Идея применения с этой целью различных загущающих добавок возникла в 1942 г. Однако только с появлением водорастворимых полимеров появилась реальная возможность осуществить на практике идею загущения воды#

Первые результаты лабораторных испытаний растворов полимеров в качестве загущающих добавок появились в зарубежной печати в 1964г# В это же время систематические исследования процессов повышения эффективности заводнения нефтяных пластов путем применения водорастворимых полимеров были начаты в СССР в КуйбышевНИИ НП, ИГ и РГИ и позднее в Гипровостокнефги, ВНИИ, Баш-НИЛИнефгь, АзНИПИнефгь, Азиннефгехим# Изучению различных аспектов полимерного заводнения посвящены многочисленные работы зарубежных авторов.

К настоящему времени накоплен достаточно большой промысловый опыт применения водорастворимых полимеров для повышения нефтеизвлечения. Высокая эффективность полимерного заводнения доказана теоретически, экспериментально и результатами опытно-промышленных испытаний.

Высокая рентабельность полимерного заводнения в значительной мере определяется специфическим свойсг-

бом растворов ПАА вести себя в пористой среде так, словно их вязкость гораздо выше вязкости, замеренной на вискозиметре. Поэтому для существенного снижения подвижности воды требуются небольшие концентрации полимера в растворе. Это явление обусловлено адсорбцией полимера в пористой среде и не ньютоновским характером течения растворов. В зависимости от свойств полимера, растворителя и пористой среды могут проявляться самые различные типы течения: ньютоновское, псевдо пластическое, дилаганг-ное или их комбинация. Реологические свойства полимерной системы существенно влияют на эффективность полимерного заводнения. Наибольший прирост нефтеотдачи наблюдается при закачке дила тан гной системы. Другой важной особенностью заводнения с использованием ПАА является снижение подвижности воды, закачиваемой вслед за раствором полимера. Величина остаточного фактора сопротивления оказывает решающее влияние на полноту вытеснения нефти из неоднородного пласта и является следствием адсорбции полимера в пористой среде. Характерно, что при сравнительно небольшой величине адсорбции снижение подвижности воды может быть значительным. Эго создает предпосылки для закачки в пласт небольших по размеру оторочек раствора полимера с последующим вытеснением их водой, что повышает рентабельность метода.

4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ВОДОРАСТВОРИМЫМ ПОЛИМЕРАМ

4.1. Реагент должен представлять собой линей-

ный полимер, в котором должно быть ограниченное количество поперечных связей*

4*2. Молекулярный вес полимера должен находиться в пределах 1-7 млн* для полиэлектролитов или 3—10 млн* для не ионогенных полимеров*

4.3* Выпускаться полимер должен в виде мелкодисперсного порошка с концентрацией основного вещества не менее 90%.

4*4. Степень гидролиза у ПАА предпочтительно иметь в пределах 20-30% (см. п* 6.3).

4*5. Полимер должен быстро и полностью растворяться в воде. Растворение 5 кг полимера в 1 м³ воды должно протекать не более одного часа и осуществляться в условиях, обеспечивающих минимальную деструкцию с сохранением технологически свойств растворов.

4*6* Полимер должен быть достаточно устойчивым, его физико-химические свойства не должны сильно изменяться во времени и от температуры.

4*7. Реагент должен быть устойчивым к высаливанию в пластовых водах плотностью 1,18-1,19г/см³,содержащих до 5,0 г-экв/л ионов хлора, до 4,0 г-экв/л ионов натрия и калия и до 0,5 г-экв/л ионов кальция и магния.

4.8. Реагент должен эффективно загущать воду при небольших концентрациях. Вязкость 0,05%-ного раствора в дистиллированной воде должна быть не менее 5 сПз, желательно 10 и более сПз, а в 2%-ном растворе хлористого натрия - не менее 2 сПз.

4-9* Раствор полимера должен фильтроваться через пористую среду без затухания, то есть не должен забивать поверхности фильтрации. Снижение подвижности воды в норовом пространстве должно быть больше, чем обеспечивает стандартная вязкость#

4*10. Адсорбция полимера из раствора в пористой среде не должна превышать 100 г/м породы, чтобы обеспечить продвижение оторочки реагента на значительное расстояние по пласту.

4.11.    Адсорбированный полимер должен вызывать существенное снижение подвижности воды, которая движется вслед за раствором полимер», то есть должен проявляться "остаточный фактор сопротивления", равный не менее 1,5.

4.12.    Срок хранения реагента - не менее 0,5

года.

4.13.    Реагент не должен вызывать коррозию оборудования.

4.14.    Реагент не должен быть токсичным.

5. ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРЫ, ПРИГОДНЫЕ ДЛЯ ЗАГУЩЕНИЯ ЗАКАЧИВАЕМОЙ В ПЛАСТ ВОДЫ

5.1. Класс водорастворимых полимеров достаточно широк, но далеко не все из них пригодны для полимерного заводнения (низкая вязкость малоконцентрированных растворов, плохая фильтруемость в пористой среде, аномально высокая адсорбция, нестабильность реагента при хранении и г.п.). Наиболее эффективными загустителями являются высокомолекулярные нолимеры трех типов:    на

основе акриламида (в частности, г ид рол изо ванные полиакриламиды), полиэтиленоксиды, полисахариды.

Практическое применение нашел только полиакриламид. Cte больше, чем другие полимеры, отвечает указанным выше 'Требованиям' и выпускается в промышленном масштабе.

Однако свойства водного раствора полиакриламида в значительной степени зависят от состава растворителя.

В минерализованной воде вязкость растворов ПАА резко снижается. В связи с этим в некоторых случаях в качестве загустителей целесообразно использовать полимеры не ионогенного гида, на свойства которых не должны оказывать влияние pH среды и минерализация воды.

К неионогенным полимерам относятся полиэтилен-оксиды (ПЭО), которые представляют собой твердые воскоподобные термопластичные гомополимеры линейного строения с высоким молекулярным весом / -СН₂-СН -О- /_п

Они являются продуктами полимеризации окиси этилена в присутствии различных катализаторов- Молекулярный вес ПЭО колеблется в довольно широких преде-

5    7

лах - от 10 до 10 и более. Для заводнения нефтяных пластов можно рекомендовать полиэгиленоксиды высокого

g

молекулярного веса — выше 5,10 •

Растворимость полиэтиленоксидов в воде зависит от pH среды; с увеличением pH от 4 до 10 растворимость полимера возрастает. Измерение pH от 4 до 11 оказывает небольшое влияние на вязкость водных растворов. ПЭО, При pH выше 12 концентрация гидроксильных ионов снижает вязкость осаждением полимера из раствора, Полиэгиленоксиды выгодно отличаются от гидролизованного полиакриламида тем, что вязкость их растворов в минерализованных водах не снижается, К недостаткам ПЭО следует отнести их неустойчивость. Овн сравнительно легко подвергаются механической и окислительной деструкции. Окислительная деструкция полимеров под влиянием кислорода воздуха и других факторов -процесс самопроизвольный.

При течении в пористой среде растворы ПЭО слабо проявляют факторы сопротивления, тем самым снижается эффективность юс применения. Однако, несмотря на эти недостатки, они могут быть рекомендованы для испытания при заводнении низко проницаемых пластов-

5.2# Технический ПАА в Советском Союзе получают в основном в виде 7-9% геля по двум технологиям, отличающимся способом нейтрализации продукта

омыления нитрила акриловой кислоты. В одном случае омыленный продукт нейтрализуют известью, в другом -аммиачной водой. Характеристика полиакриламидов, вырабатываемых промышленностью СССР, представлена в табл.

5.1.

Таблица 5.1. Характеристика технического П А А

Показатели ^Известковый ПАА Аммиачный ПАА | • Внешний вид Коллоид в виде 1 Коллоид в виде геля. 1 1 геля. Цвет-ют желтого до Цвет-юг бес цвет— голубого или зелено- | ного или молоч— го но-белого до жел- того 1 Содержание ос- новного вешесг— ва, %, не менее 7 6 Молекулярный вес, млн. 1,5 - 3,5 3,0 - 5,5 Степень гидро- лиза, % 8-12 1,5 - 6 Содержание со- лей, % - 14 - 18

ПА А представляет собой высоковязкий гель, который затаривается в 100—литровые деревянные или 200— -250—литровые металлические бочки (иногда ПАА постав-

ляется в полиэтиленовых и холщовых мешках, затаренных в деревянные ящики). фонды на ПАА распределится Союз-главк им ом по заявкам территориальных Управлений материально-технического снабжения (УМТС),

Использование 7-9% геля не технологично (большие транспортные расходы, трудоемкость погрузочно-разгрузочных работ, сложности хранения). Промораживание ПАА ухудшает свойства его растворов вследствие деструкции макромолекул, поэтому для хранения требуются большие отапливаемые складские помещения. Из-за отсутствия более технологичных реагентов гель ПАА применяется при проведении промысловых испытаний метода полимерного заводнения. Широкое промышленное применение может найти только порошкообразный продукт.

Порошкообразные полиакриламиды в СССР выпускаются в незначительных количествах* Гель аммиачного полиакриламида обезвоживается путем добавления сульфата аммония с последующей сушкой высоленного полимера и помола его до определенной дисперсности. Характеристика полимеров дана в табл, 5,2.

В руководстве рассмотрены физические основы и степень изученности метода заводнения с полимерами. Изложены требования, предъявляемые к водорастворимым полимерам, используемым при заводнении нефтяных пластов. Определена область эффективного применения растворов полимеров и даны критерии выбора объектов, пригодных для полимерного заводнения,

В руководстве изложены методики получения исходных данных для проектирования разработки месторождений при полимерном заводнении, а также методики расчета показателей процесса вытеснения нефти оторочкой раствора полимера. Рассмотрен основной принцип проектирования и технико-экономического анализа разработки нефтяных месторождений с применением водорастворимых полимеров, дано описание применяемых при этом технологии и оборудования. Освещены также вопросы промсанитарии и техники безопасности.

Руководство рассчитано на работников научно-исследовательских институтов, занимающихся проектированием разработки нефтяных месторождений, и инженеров нефтепромысловых предприятий.

В составлении руководства принимали участие: сотрудники института 'Типровостокнефть' И. А. Швецов, А.Н. Горбатова,’ В.П. Городнов, В.В. Кукин, В.П. Меркулов,П.А. Палий, КХВ. Соляков, Ц.Б. Штейнгарт, ВНИИ - А.Т. Горбунов, Н.А. Токарева и О.Э. Цынкова, работники Миннеф-тепрома - Г.И. Григоращенко. Общую редакцию осуществлял кандидат технических наук И. А. Швецов.

Таблица 5.2 Характеристика гранулированного сульфатного полиакриламида

Показатели Днепродзержинский завод Ленинск-Кузнецкий завод Внешний вид К ру пно-дис пер— Порошок зеленовато— сный порошок. го цвета, размеры размеры частиц частиц 3,6 мм 5-7 мм Содержание ос— 56-54 52 новного вещест— ва, % Молекул ярны Й вес, млн. 3-5,0 Степень гидролиза, % Содержание солей. 2 1,5-6 % 34-36 40

Промышленный выпуск сульфатного гранулирован

ного полиакриламида будет начат на Левинск-Куэнецком заводе в 1978—1979гт*

В наибольшей степени требованиям, предъявляемым к полимерам-загустителям, в настоящее время отвечает полиакриламид радиационного способа производства, опытно-промышленный выпуск которого планируется начать в текущей пятилетке в Саратове и Брянске.

руководящий документ

РУКОВОДСТВО

по проектированию и технико-экономическому анализу разработки нефтяных месторождений с применением метода воздействия на пласт водой, загущенной полимерами

РД 39 - 3 - 36 - 77    Впервые

Приказом Министерства нефтяной промышленности от 18,01-7 8г. N? 44_

Срок введения с 01,07,78 Срок действия до 31.12.1980

1. ОБШИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящее " Руководство по проектированию и гехнико—экономическому анализу разработки нефтяных месторождений с применением метода воздействия на пласт водой, загущенной полимерами" разработано в соответствии с приказом Министерства нефтяной промышленности

от 29 октября 1976г. Nj 592 'О мерах по наиболее полному извлечению нефти из недр".

1.2.    Руководство является результатом выполнения институтом "Гипровосгокнефтъ" научно-исследовательской работы по теме 13—77 "Совершенствование техники и технологии промышленного применения поли-

меров при заводнении с целью увеличения нефтеотдачи', этап 3: 'Составление руководства по проектированию и применению метода заводнения с полимерами. Разработка методик определения важнейших характеристик полимерных систем и пористой среды, влияют га на технологические параметры полимерного заводнения'.

1.3.    Руководство составлено на основании обобщения теоретических и лабораторных исследований, проведенных в циститу тах^Гипровостокнефть* ИГ и РГИ, ВНИИ-нефть, БашНИПИнефть, АзНИПИнефгь, ТатНИПИнефть, анализа многочисленных работ зарубежных авторов, а также обобщения опыта промысловых испытаний полимерного заводнения на месторождениям Советского Союза и за рубежом.

1.4.    При разработке Руководства исходили из следующих основных положений:

—    закачка в пласт воды, загущенной полимерами, направлена на повышение эффективности обычного заводнения, поэтому максимально должен быть учтен многолетний опыт проектирования и осуществления этого наиболее распространенного метода искусственного воздействия на пласт;

-    лабораторные исследования для получения исходных данных имеют свои специфические особенности и некоторые трудности, поэтому в предварительных ориентировочных расчетах процесса вытеснения нефти оторочкой загущенной воды должен использоваться набор стандарт—

ных реологических кривых, величин адсорбции и других характерных параметров применяемых растворов полимеров;

-    методики получения исходных данных для проектирования и расчета основных показателей процесса вытеснения нефти оторочкой раствора полимера должны максимально учитывать все особенности полимерного заводнения*

Используемая в Руководстве терминология отвечает физической сущности процессов, происходящих в нефтенасыщенной пористой среде при фильтрации растворов полимеров, и соответствует терминологии, общепринятой в нефтепромысловом деле, а также в специальной литературе по реологии и физико-химии полимеров#

1.5. Настоящее Руководство может применяться в следующих случаях:

-    при составлении технологические схем и проектов разработки нефтяных месторождений при полимерном заводнении;

-    при составлении комплексных проектов разработки, где в качестве одного из возможных вариантов предусматривается закачка оторочки растворов полимеров;

-    при конструировании установок и оборудования, применяемых в процессе осуществления полимерного заводнения;

-    при опытно-промышленных испытаниях и широком промышленном внедрении метода в различных геоло—

го-физических условиях;

-    при анализе разработки месторождений и технико-экономической оценке результатов полимерного заводнения;

—    при составлении "Руководства по проектированию обустройства нефтяных месторождений с применением новых методов увеличения нефтеотдачи пластов!

1.6. "Руководство по проектированию и технико-экономическому анализу разработки нефтяных месторождений с применением метода воздействия на пласт водой, загущенной полимерами" должно периодически уточняться и дополняться с учетом новых достижений научных разработок и обобщения результатов опытно-промышленных испытаний метода в различных геолого-физические условиях. Учитывая интенсивность проводимых исследований в данном направлении, первое уточнение Руководства должно быть осуществлено не позднее 1980 г. Последующая переработка должна проводиться не реже одного раза в 5 лет.

2. ТЕРМИНОЛОГИЯ

Адсорбция полимеров в пористой среде- собственно адсорбция (концентрирование адсорбируемого полимера на поверхности твердого тела под влиянием молекулярных сил поверхности адсорбента), а также механическое удержание полимерных частиц пористой средой.

Вяэкосгь наибольшая (начальная) ньютоновская (    )    -

предельное значение эффективной вязкости, которая определяется как отношение касательного напряжения % к скорости сдвига у • При достаточно низкюс значениот скоростей и напряжений является коэффициентом пропорциональности между этими параметрами и не зависит от них.

Вязкость эффективная, кажущаяся, структурная (    )    -

вязкость, определяемая как отношение касательного напряжения к скорости сдвига у , зависящая от этих параметров и механической предистории систем. Жидкости, у которых вязкость зависит от режимов деформирования, называют неньютоновскими, а явление зависимости вязкости от напряжения и скорости сдвига — аномалией вязкости.

Десорбция полимера- процесс удаления адсорбированного или механически удержанного пористой средой полимера. Десорбция обратна адсорбции и вызывается уменьшением концентрации адсорбируемого вещества в окружающей адсорбент среде или нарушением динамического равновесия между находящимся в движении и адсорбированным полимером.

Деструкция полимеров -разрушение макромолекул под действием тепла, кислорода, света, механических напряжений, биологических и друг юс факторов. Чаще всего деструкция полимеров про-

исходит при совместном действии нескбльких факторов.

Дилатансия — явление возрастания Э(^-фективной вязкости по мере увеличения скорости сдвига. Системы, проявляющие дилатантные свойства, называются дилатантными.

Касательное напряжение ( Т ) - сила, отнесенная к единице площади, сдвигающая две смежные части тела друг относительно друга.

Ньютоновская жидкость -жидкость, коэффициент вязкости которой является константой вещества, зависящей от температуры и давления, но не от условий измерений.

Остаточный фактор сопротивления- отношение подвижности воды, закачиваемой в пласт до раствора полимера, к подвижности воды, фильтрующейся в пористой среде за раствором полимера.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), в состав молекул (макромолекул) которых входит большое число одинаковых группировок, соединенных химическими связями.

Полиэлектролитное набухание- электростатическое отталкивание одноименно заряженных звеньев цепи полимера, приводящее к развертыванию макромолекулярных клубков и увеличению их линейных размеров.

Полиэлектролиты - полимеры,в состав макромолекул которых входят группы, способные к ионизации в растворе.

Псевдопластичность— явление снижения эффективной вязкости по мере возрастания скорости сдвига. Системы,проявляющие указанные свойства,называ-ются псевдопластичными.

Реология (происходит от греческого'^ £ О ^г-- течь)- наука о законах деформации различных реальных материалов под действием приложенного к ним напряжения. Упругость, пластичность, вязкость и прочность - основные реологические свойства материалов.

Скорость с д в и г а ( у )- скорость, с которой частицы жидкости перемещаются друг относительно друга.

Солестойкость полимеров -устойчивость водных растворов полимеров к высаливающему действию электролитов, в частности, щелочноземельных катионов.

Средневесовой молекулярный в е с (М _w)- сумма весовых долей молекул в смеси на их молекулярный вес

i=i ^{1    1}

Среднечисловой молекулярный в е с( Ип)- отношение массы полимера к числу молекул.

Степень гидролиза (Г)- отношение количества акрилатных групп к общему числу мономерных звеньев в цепи макромолекулы, выраженное в процентах.