Search

Актуальность. В последние годы технологии полимерного заводнения широко применяются при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, особенно на поздних стадиях разработки месторождений. Однако при эксплуатации коллекторов с повышенной температурой более 70–80 °С и высокой степенью минерализации пластовых вод многие полимерные нефтевытесняющие агенты подвергаются быстрой деструкции, что приводит к снижению уровня добычи углеводородного сырья. В связи с этим одной из важных проблем является создание и разработка термо- и солеустойчивых полимерных материалов и композиций на их основе для повышения добычи углеводородного сырья на нефтяных и газовых месторождениях. Цель: исследование влияния минерализации пластовых вод на физико-химические и фильтрационные характеристики полимерных растворов и гелей для повышения нефтеотдачи пластов. Методы. Определение вязкости растворов полимера и полимерного геля проводили на вискозиметре Брукфилда DV-II, форму и размеры частиц полимеров и полимерного геля изучали на сканирующем электронном микроскопе марки Hitachi S-400N, измерение размеров полимерного молекулярного клубка Dh определяли на установке Brookhaven BI-200SM, широкоугольная динамическая/статическая система рассеяния света (Brookhaven Instruments Cop., США), физическое моделирование процесса фильтрации жидкости при пластовых условиях проводили на фильтрационной установке, определение вязкоэластичности и реологических свойств полимерных растворов и гелей изучали с помощью реометра Harke 10. Результаты. Степень минерализации пластовой воды оказывает значительное влияние на вязкость растворов полимеров. В связи с тем, что в частично деминерализованной воде предварительно были удалены ионы кальция и магния, полимеры обладают хорошей растворимостью и способностью увеличения вязкости растворов. С увеличением концентрации вытесняющего агента вязкость растворов возрастает. Деструктивное воздействие солей пластовых вод на полимеры вызывает значительное снижение вязкости растворов вытесняющих агентов. Из-за высокой степени минерализации частично деминерализованной воды большое количество ионов хлористого натрия окружают молекулярный скелет полимера вытесняющего агента. Макромолекулы полимера П-1 имеют преимущественно двухмерную сетевую структуру. Макромолекулы полимеров П-2 и П-3 имеют преимущественно пространственную трехмерную сетевую структуру, в которой некоторые полимерные молекулярные цепи разорваны и сетевая структура полимеров является дефектной. По сравнению с полимером П-3, трехмерная сетевая структура полимерного молекулярного агрегата П-4 имеет более четкое пространственное строение. Из сравнения физико-химических свойств полимеров П-1, П-2 и П-3 следует, что коэффициент сопротивления и коэффициент остаточного сопротивления для полимера П-1 больше, чем для полимеров П-2 и П-3. Это связано с тем, что молекулы солеустойчивого полимера П-1 образуют агрегаты сетевой структуры вследствие межмолекулярной ассоциации, которая приводит к плохой совместимости с порами керна, а коэффициент сопротивления и коэффициент остаточного сопротивления для полимера П-4 наибольшие за счет того, что в реакционной полимерной смеси прошли реакции внутримолекулярного сшивания молекул полимера и катионов Cr3+, которые привели к значительному увеличению удерживания раствора полимера, фильтрационного сопротивления, давления нагнетания и к повышению нефтеотдачи пластов. Relevance. In recent years, polymer flooding technologies have been widely used in exploitation of oil and gas fields, especially in the later stages of field development. However, when operating reservoirs with elevated temperature of more than 70-80 °C and a high degree of salinity of formation water, many polymeric oil-displacing agents undergo rapid degradation, which leads to decrease in the level of hydrocarbon production. In this regard, one of the important problems is the creation and development of thermo- and salt-resistant polymeric materials and compositions based on them to increase the production of hydrocarbons in the oil and gas fields. The main aim of the research is to investigate the effect of formation water salinity on the physicochemical and filtration characteristics of polymer solutions and gels to enhance oil recovery. Methods. Viscosity of the polymer solutions and polymer gel were determined on Brookfield DV-II viscometer; shape and size of the polymer particles and polymer gel were studied on Hitachi S-400N scanning electron microscope; polymer size of molecular tangle Dh was measured on a wide-angle dynamic/static light scattering system Brookhaven BI-200SM (Brookhaven Instruments Cop., USA); physical modeling of fluid filtration at reservoir conditions was carried out on the filtration unit; determination of viscoelasticity and rheological properties of polymer solutions and gels was studied using a rheometer Harke 10. Results. The degree of mineralization of formation water has a significant effect on the viscosity of polymer solutions. Due to the fact that calcium and magnesium ions were preliminarily removed in partially demineralized water, the polymers have good solubility and the ability to increase the viscosity of the solutions. With increasing concentration of displacing agent, the viscosity of the solutions increases. Destructive effects of salts of formation water on polymers cause a significant decrease in viscosity of solutions of displacing agents. Due to the high degree of mineralization of partially demineralized water, a large amount of sodium chloride ions surround the molecular skeleton of the polymer of the displacing agent. The macromolecules of polymer P-1 have a predominantly two-dimensional network structure. The macromolecules of polymers P-2 and P-3 have a predominantly spatial three-dimensional network structure, in which some polymer molecular chains are broken and the network structure of polymers is defective. Compared with polymer P-3, the three-dimensional network structure of the polymer molecular aggregate P-4 has a clearer spatial structure. Comparing the physico-chemical properties of polymers P-1, P-2 and P-3, it follows that the coefficient of resistance and the coefficient of residual resistance for polymer P-1 are greater than for polymers P-2 and P-3. This is due to the fact that the salt-resistant polymer P-1 forms aggregates of the network structure due to intermolecular association, which leads to poor compatibility with core pores, and the resistance coefficient and residual resistance coefficient for polymer P-4 are the greatest the polymer mixture underwent reactions of intramolecular crosslinking of polymer molecules and Cr3+ cations, which led to a significant increase in the retention of the polymer solution, filtration resistance, injection pressure and to enhance oil recovery.

Наведено результати чисельного моделювання течії простої і в'язкопружньої (розчину полімеру) рідин крізь тріщину з використанням розчинів полімерів для підвищення нафтовилучення з пласта. Встановлені особливості поведінки в'язкопружної рідини при течії з повздовжнім градієнтом швидкості і прояву при цьому ефектів пружних деформацій мають визначальне значення в розумінні механізму «аномально» високого підвищення нафтовилучення з пластів шляхом використання водополімерного заводнення тріщинувато-пористих колекторів. Розуміння природи збільшення нафтовилучення з пластів при використанні розчинів полімерів дозволить розробити рекомендації щодо вибору режимів водополімерного заводнення трищінувато-пористих колекторів., Приведены результаты численного моделирования течения простой и вязкоупругой (раствора полимера) жидкостей сквозь трещину при использовании растворов полимеров для повышения нефтеотдачи пластов. Установленные закономерности поведения вязкоупругой (раствора полимера) жидкости при течении с продольным градиентом скорости и проявляющиеся при этом эффекты упругих деформаций имеют определяющее значение в понимании механизма «аномально» высокой нефтевітесняющей способности водно-полимерного раствора. Понимание природы увеличения нефтеотдачи пластов с применением растворов полимеров позволит разработать рекомендации по выбору режимов воднополимерного заводнения трещино-поровых колекторов., This article presents the results of numerical flow simulation of simple and viscoelastic (polymer solution) fluids through a crack by using polymer solutions for enhanced oil recovery from the reservoir. The determined regularities of viscoelastic (polymer solution) liquid behavior with longitudinal velocity gradient and manifested in this case elastic deformаtions effects have a decisive meaning in the understanding of the mechanism "anomalously" high oil recovery ability from the reservoir by using water-polymer flooding of the porous-fractured reservoir. Understanding the nature of increased oil recovery with the use of polymer solutions will lead to the development of recommendations on the choice of regimes of water-polymer flooding of the porous-fractured reservoir.

Робота виконана в Інституті гідромеханіки Національної академії наук України Дисертаційну роботу присвячено дослідженню турбулентних течій з домішками високомолекулярних полімерів малої концентрації, які при великих числах Рейнольдса здатні знижувати опір тертя. Проаналізовано структуру пристінної градієнтної течії при турбулентному режимі та механізм її зміни під впливом молекулярної ваги домішок полімеру та його концентрації в розчині. Розроблено математичну модель турбулентної течії розведеного розчину полімеру, в основі якої є модель переносу напружень Рейнольдса для турбулентної течії ньютонівського розчинника. Запропоновано функціональну залежність значення ефекту Томса від концентрації та молекулярної ваги полімеру. Запропоновано напівемпіричну модифікацію констант моделі переносу напружень Рейнольдса, що враховує вплив фізичних властивостей полімеру на зміну механізму турбулентної дифузії та перерозподілу пульсаційної енергії між компонентами тензора напружень Рейнольдса. На основі представленої в дисертації моделі проведено чисельний експеримент по визначенню характеристик турбулентного примежового шару розведеного розчину полімеру. Показано домінуючу роль впливу домішок полімерів в зміні інтенсивності енергетичного обміну між компонентами турбулентних напружень, яке пояснює збільшення анізотропії, зменшення породження енергії турбулентності, що призводить до зниження опору в потоці. The dissertation is devoted to the research of turbulent flows with high-molecular polymer additives of small concentration. It can reduce a drag coefficient in high Reynolds number flow. The structure of the flow near the wall at turbulent regime and its transformation mechanism under the action of polymer molecules is analyzed. The factors influencing the phenomenon of drag reduction in polymer solutions (the Toms phenomenon) are studied. The molecular weight and concentration of polymer additives in а solution are the most significant factors. The mathematical model of turbulent flows of dilute polymer solutions is built. The Reynolds stress transport model for turbulent flow of pure solvent (Newtonian fluid) underlies it. A functional dependence of the effect of Toms phenomenon on the polymer concentration and molecular weight is proposed. It is received by generalizing the experimental data of other authors for turbulent flows of various polymer solutions. The empirical modification of constants of the Reynolds stress transport model is proposed. It considers the influence of physical properties of polymer on change of the turbulent diffusion mechanism and the mechanism of pulsation energy redistribution between the Reynolds stress tensor components. A numerical experiment is carried out on the basis of the model of turbulent flows of polymer solutions presented in the dissertation. Various characteristics of a turbulent boundary layer for flow of polymer solution have been calculated in dependence on physical properties of a solution. The dominant role of influence of high-molecular polymer additives in the change of intensity of energy exchange between components of turbulent stresses is shown. It explains an increase in anisotropy, decrease in turbulent energy production which results in drag reduction in flow. Results of calculations have been compared with the known experimental data. It is shown that the proposed model adequately considers the influence of polymer parameters on characteristics of a turbulent boundary layer. Диссертационная работа посвящена исследованию турбулентных течений с добавками высокомолекулярных полимеров малой концентрации, которые при больших числах Рейнольдса способны снижать сопротивление трения. Проанализирована структура пристенного градиентного течения при турбулентном режиме и механизм ее изменения под воздействием макромолекул полимера. Изучены факторы, влияющие на эффект снижения сопротивления в полимерных растворах (эффект Томса), наиболее значимыми из которых являются молекулярный вес полимера и его концентрация в растворе. Разработана математическая модель турбулентного течения разбавленного раствора полимера, в основе которой лежит модель переноса напряжений Рейнольдса для турбулентного течения чистого растворителя (ньютоновской жидкости). Предложена функциональная зависимость значения эффекта Томса от концентрации и молекулярного веса полимера. Она получена путем обобщения экспериментальных данных других авторов для турбулентных течений различных полимерных растворов. Предложена полуэмпирическая модификация констант модели переноса напряжений Рейнольдса, учитывающая влияние физических свойств полимера на изменение механизма турбулентной диффузии и механизма перераспределения пульсационной энергии между компонентами тензора напряжений Рейнольдса. На основании представленной в диссертации модели турбулентных течений полимерных растворов проведен численный эксперимент по определению характеристик турбулентного пограничного слоя для течения раствора полимера при изменении физических свойств раствора. Показана доминирующая роль влияния добавок высокомолекулярных полимеров в изменении интенсивности энергетического обмена между компонентами турбулентных напряжений, которое объясняет увеличение анизотропии, уменьшение порождения энергии турбулентности, которое приводит к снижению сопротивления в потоке. Посредством сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, известными в литературе, показано, что предложенная модель адекватно учитывает влияние параметров полимера на характеристики турбулентного пограничного слоя.